费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器及其制备方法

摘要

本发明涉及石墨烯光探测器领域，本发明器件从下到上依次为衬底、金属层、绝缘层、P掺杂石墨烯层、介质层及N掺杂石墨烯层，在金属层加上栅极电压；绝缘层上具有源极电极、漏极电极、第一电极，其中源极电极和漏极电极分别位于第一石墨烯层的两侧，且均与第一石墨烯层相连接；第一电极和第二电极分别位于第二石墨烯层的两侧，且第一电极与第二石墨烯层相连接；P掺杂石墨烯层、介质层及N掺杂石墨烯层构成PIN结构；第一石墨烯层、源极电极、漏极电极、绝缘层及金属层构成一个场效应晶体管。本发明利用石墨烯材料做成场效应晶体管结构与PIN结构相复合的探测器，实现紫外‑到红外宽波段高响应快速探测。

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯光探测器领域，具体涉及一种费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器及其制备方法。

背景技术

石墨烯（Grahpene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其具有优异的机械、电学、热学及光学性能，自2004年Novoselov和Geim的团队用机械剥离法制备出室温存在的单层石墨烯以来，其已逐渐成为研究的热点。在目前已知的材料中，石墨烯无疑是最薄的，单层石墨烯厚度仅为 0.3 纳米（一个碳原子厚度），但它也同时是最坚硬的纳米材料。石墨烯可吸收2.3 %的白光，远高于碳的其他同素异形体。石墨烯在常温下即可观察霍尔效应。石墨烯是一种半金属零带隙材料，这使得它可以通过控制栅极来调节石墨烯的传导率，而且能使得它不可能在低于一定限度的条件下关闭，开启禁带的几种方法已经提出并论证。

石墨烯光探测器大致分为金属石墨烯接触式光探测器，等离子体共振型光探测器，量子点石墨烯混合光探测器，石墨烯异质结型光探测器等等。2009年，Fengnian Xia、Thomas Mueller等人利用机械剥离的石墨烯做出了金属石墨烯接触式光探测器，也是第一个石墨烯光电探测器，它的出现引起了广泛的关注。不足是光响应只有0.5mA/W。2010年Echtermeyer研究了不同纳米结构对光电响应的影响，发现改变纳米结构尺寸可以调节不同波长的光吸收，从而基于石墨烯制备出等离子体共振型光探测器，可惜其光响应率并不高。2012年，Gerasimos Konstantatos提出了将量子点和石墨烯混合，从而制备出量子点石墨烯混合光探测器，该器件响应度很高，不过存在暗电流太大、响应速度慢、响应率低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器及其制备方法，该费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器及其制备方法可以解决石墨烯作为光探测器材料对光的吸收率低、响应速度慢的问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器，从下到上依次为衬底、金属层、绝缘层、第一石墨烯层、介质层及第二石墨烯层；绝缘层上具有源极电极、漏极电极及第一电极，其中源极电极和漏极电极均与第一石墨烯层相连接，第一电极与第二石墨烯层相连接；其中第一石墨烯层和第二石墨烯层中任意一个为P掺杂，另一个为N掺杂，第一石墨烯层、介质层及第二石墨烯层构成PIN结构；第一石墨烯层、源极电极、漏极电极、绝缘层及金属层构成一个场效应晶体管。

提供一种费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器的制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底表面沉积金属层；

S2、在金属层表面生长绝缘层；

S3、在绝缘层表面沉积一层金属电极层，光刻金属电极层形成源极电极、漏极电极、第一电极及第二电极；

S4、转移一层石墨烯至绝缘层表面形成第一石墨烯层，第一石墨烯层分别与源极电极和漏极电极相连接，并对第一石墨烯层进行掺杂；

S5、在第一石墨烯层表面生长介质层；

S6、转移一层石墨烯至介质层表面形成第二石墨烯层，第二石墨烯层与第一电极相连接，并对第二石墨烯层进行掺杂；

S7、刻蚀掉器件表面多余的石墨烯，完成器件的制备

该费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器及其制备方法具有的优点如下：

（1）在石墨烯异质结的基础上，在P掺杂石墨烯和N掺杂石墨烯中间加入一层介质层作I层，形成PIN型结构，可以有效降低器件的暗电流，提高器件信噪比，提高本器件作为石墨烯光探测器的响应率和响应速度；

（2）金属层和绝缘层形成一个谐振腔，使光在腔内不断反射，从而起到提高光响应率的目的，而且谐振腔高度的不同对应着不同的吸收波长；

（3）第一石墨烯层、源极电极、漏极电极、绝缘层及金属层构成一个场效应晶体管，通过在金属层上加栅极电压可以调节第一石墨烯层的费米能级，从而得到第一石墨烯层和第二石墨烯层之间变化的费米能级差，有效增强对不同探测波段的响应率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请器件的剖面示意图；

图2为本申请器件的平面示意图；

图3为本申请方法的流程示意图；

图4为用SCS4200半导体测试仪测试的器件在632nm的光照变化下的电流变化图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

根据本申请的一个实施例，提供一种费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器，如图1、2所示，从下到上依次为衬底1、金属层2、绝缘层3、第一石墨烯层5、介质层6及第二石墨烯层7，使用时在金属层2加上栅极电压；绝缘层3上具有源极电极4a、漏极电极4b及第一电极4c，一般一次性可以完成4个电极的制作，除了源极电极4a、漏极电极4b和第一电极4c之外的第二电极4d，作为备用电极；其中源极电极4a和漏极电极4b分别位于第一石墨烯层5的两侧，且均与第一石墨烯层5相连接；第一电极4c和第二电极4d分别位于第二石墨烯层7的两侧，且第一电极4c与第二石墨烯层7相连接；其中第一石墨烯层5为P掺杂，第二石墨烯层7为N掺杂，第一石墨烯层5、介质层6及第二石墨烯层7构成PIN结构；第一石墨烯层5、源极电极4a、漏极电极4b、绝缘层3及金属层2构成一个场效应晶体管。

进一步的，金属层2为Cu、Au、Al、Ni、NiCr或Ag，且金属层2的厚度为100-1000>

进一步的，绝缘层3为SiO₂、Si₃N₄、MnO₂或MgO，绝缘层3的厚度为100-1000>

进一步的，介质层6为Si₃N_{4>、MgO、SiO2或未掺杂的石墨烯，介质层6的厚度为1-500>}

一种费米能级可调的PIN结构石墨烯光探测器的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、清洗高掺杂的硅衬底1并吹干，在硅衬底1表面沉积一层300nm厚的Cu薄膜作为场效应晶体管栅极及整个器件的金属层2；

S2、以金属层2为基底，用PECVD的方法在上面生长一层300nm厚的SiO₂作为场效应晶体管的绝缘层3；

S3、在绝缘层3表面沉积一层金属电极层，光刻金属电极层形成源极电极4a、漏极电极4b、第一电极4c及第二电极4d；

S4、转移一层石墨烯至绝缘层表面形成第一石墨烯层5，第一石墨烯层5分别与源极电极4a和漏极电极4b相连接，并用旋涂Au和甲苯混合溶液的方法对第一石墨烯层5进行P型掺杂；

S5、在第一石墨烯层5表面生长介质层6；

S6、转移一层石墨烯至介质层表面形成第二石墨烯层7，第二石墨烯层7与第一电极4c相连接，并采用滴涂联氨溶液或旋涂PEI溶液的方法对第二石墨烯层7进行N型掺杂；

S7、刻蚀掉器件表面多余的石墨烯，完成器件的制备。

采用632nm 激光器作为光源进行探测器性能测试。设置栅极电压为-1V，源极与漏极（接地）之间电压为0.5V，采用S[1] 半导体测试仪测试漏极电极4b与第一电极4c之间的电学输出信号，测试结果如图4所示。可以看出该结构探测器在632nm光源斩波后照射下有显著的电学响应信号输出，响应电流约10μA，响应速度低于1ms，通过调节衬底栅极电压可以调节器件的响应电流大小和器件响应的优化波段。因此通过本发明中场效应晶体管与PIN结构相复合的探测器结构获得了高响应率、高响应速度的性能。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

原交底书中记载的是“SCS4200”，请确认。