一种带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器及其制造方法

摘要

本发明公开了一种带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器及其制备方法，本探测器包括衬底、石墨烯层和电极层；所述石墨烯层的两侧分别设置有第一透光层和第二透光层，所述衬底与所述第一透光层之间设置有第一反射层，所述电极层与所述第二透光层之间设置有间隔分布的第二反射层，所述第一反射层、第一透光层、第二透光和第二反射层共同形成光学微腔结构。本发明具有结构简单、红外吸收率高、工作稳定可靠等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及红外探测技术领域，具体涉及一种带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器及其制造方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料，具有很多优良的物理性质，比如强度高，延展性好，导热性好等。但石墨烯成为光电探测领域的研究热点主要是因为其具备不同于传统半导体材料的独特光学和电学性质，可应用于工业自动控制、遥感成像、制导、医学诊断、环境监测、光通信等领域。

目前,高响应速率、高探测率的红外探测材料如HgCdTe、I nGaAs、量子阱、I I型超晶格等的制备条件苛刻、工艺复杂、成本昂贵、且要求在低温下工作。与HgCdTe、I nGaAs等类型红光探测器相比，石墨烯具备不同于传统半导体材料的独特光学和电学性质，在一定程度上可以弥补上述缺点。因其室温下极高的电子和空穴迁移率，从可见至远红外的超宽谱光吸收，使得石墨烯在实现非制冷、高响应速度、宽光谱、低成本、大面阵的红外探测方面极具潜力，这也是石墨烯红外探测器未来发展的主要方向。此外，不同于传统体材料半导体，石墨烯中的电子浓度还可以通过外加偏置电压的方式进行操控，从而实现对探测波段的电控调谐。再结合石墨烯的柔性优势，制备石墨烯柔性红外探测器也是未来发展的新方向。

石墨烯用于光探测虽然有着突出的优势，但也存在着明显的不足：石墨烯自身由于光吸收率低、缺乏光增益机制，导致石墨烯探测器的光响应率较低，无法满足实际应用的需要。目前，主要是通过对石墨烯进行量子点修饰、构筑PN结、分子或金属掺杂及尺寸量子化等方式打开石墨烯带隙、本征石墨烯与等离子体纳米结构结合等多种方法，可以不同程度地提高石墨烯探测器的光响应率，以达到或接近实际应用的需要。

目前提高石墨烯红外吸收的方法，主要是通过表面吸附或掺杂其他元素实现不同波段的光吸收和吸收率的提升。由于碳原子本身的化学惰性，本征石墨烯对分子或原子的吸附能力有限，基本都属于物理吸附范畴，容易受温度影响发生脱附而降低器件性能。而掺杂则容易对石墨烯影响石墨烯的本征性能，导致额外的信号干扰和性能损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单、红外吸收率高、工作稳定可靠的带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器，并相应提供一种制备简单的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器，包括衬底、石墨烯层和电极层；所述石墨烯层的两侧分别设置有第一透光层和第二透光层，所述衬底与所述第一透光层之间设置有第一反射层，所述电极层与所述第二透光层之间设置有间隔分布的第二反射层，所述第一反射层、第一透光层、第二透光层和第二反射层共同形成光学微腔结构。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第二反射层呈条状，均匀分布于所述第二透光层上。

所述电极层上还设有保护层。

所述第一反射层和第二反射层均为薄膜镜面反射层。

所述第一透光层和第二透光层均为薄膜透光层。

本发明还公开了一种如上所述的带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器的制备方法，包括步骤：

1)在所述衬底上依次沉积第一反射层和第一透光层；

2)在所述第一透光层上制备石墨烯层；

3)在所述石墨烯层上依次制备第二透光层和第二反射层；

4)在所述第二反射层上制备电极层。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤3)中，制备第二反射层的具体过程为：

3.1)在第二透光层表面制作出胶层阵列图形；

3.2)在胶层阵列图形上沉积制备出第二反射层；

3.3)将胶层阵列图形去除，形成间隔分布的第二反射层。

在步骤4)之后，在所述电极层上制备保护层。

所述第一透光层和第二透光层采用氧化硅、氮化硅或五氧化二钽材料。

所述第一反射层和第二反射层采用镍或铝材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器，通过第一反射层、第一透光层、第二透光和第二反射层共同形成光学微腔结构；当红外光进入探测器时，光线在光学微腔结构内被多次反射，从而多次透过石墨烯层，提高了探测器的红外吸收率；区别于吸附和掺杂方法，光学微腔结构设计不改变石墨烯层的结构状态，可提高探测器的工作稳定性和可靠性；另外结构简单且易于实现。

附图说明

图1为本发明在实施例的结构示意图。

图2为本发明中的胶层阵列图。

图3为本发明中第二反射层在实施例的结构示意图。

图4为本发明中光学微腔结构在实施例的结构示意图。

图中标号表示：1、衬底；2、第一反射层；3、第一透光层；4、石墨烯层；5、第二透光层；6、第二反射层；7、电极层；8、保护层；9、胶层阵列图形。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器，包括衬底1、石墨烯层4和电极层7；石墨烯层4的两侧分别设置有第一透光层3和第二透光层5，衬底1与第一透光层3之间设置有第一反射层2，电极层7与第二透光层5之间设置有间隔分布的第二反射层6，第一反射层2、第一透光层3、第二透光层5和第二反射层6共同形成光学微腔结构。当红外光进入探测器时，光线在光学微腔结构内被多次反射，如图4所示，从而多次透过石墨烯层4，提高了探测器的红外吸收率；区别于吸附和掺杂方法，光学微腔结构设计不改变石墨烯层4的结构状态，可提高探测器的工作稳定性和可靠性；而且结构简单且易于实现。

本实施例中，第二反射层6呈条状，均匀分布于第二透光层5上。相邻第二反射层6之间则便于光线进入。另外，电极层7上还设有保护层8。

本实施例中，第一反射层2和第二反射层6均为薄膜镜面反射层，采用镍或铝材料。第一透光层3和第二透光层5均为薄膜透光层，采用氧化硅、氮化硅或五氧化二钽材料。

本发明还公开了一种如上所述的带光学微腔结构的石墨烯近红外探测器的制备方法，包括步骤：

1)在衬底1上依次沉积第一反射层2和第一透光层3；

2)在第一透光层3上制备石墨烯层4；

3)在石墨烯层4上依次制备第二透光层5和第二反射层6；

4)在第二反射层6上制备电极层7。

本发明的制备方法，操作简单，直接得到的石墨烯近红外探测器同样具有如上探测器所述的优点。

本实施例中，在步骤3)中，制备第二反射层6的具体过程为：

3.1)在第二透光层5表面制作出胶层阵列图形9；

3.2)在胶层阵列图形9上沉积制备出第二反射层6；

3.3)将胶层阵列图形9去除，形成间隔分布的第二反射层6。

本实施例中，在步骤4)之后，在电极层7上制备保护层8。

下面结合一个完整的具体实施例对上述整体发明做进一步说明：

1、在衬底1上沉积低吸收高反射的薄膜镜面第一反射层2，然后沉积低吸收高透过率的薄膜第一透光层3；

2、接着采用湿法将石墨烯层4转移到第一透光层3表面，制备出近红外吸收石墨烯敏感层；

3、然后，在石墨烯层4表面继续沉积制备出低吸收高透过率的薄膜第二透光层5；

4、利用光刻技术，在薄膜第二透光层5表面制作出胶层阵列图形9，如图2所示；然后，在胶层阵列图形9上沉积制备出低吸收高反射的薄膜镜面第二反射层6；再通过剥离法，将胶层阵列图形9去除，形成图3所示的低吸收高反射的薄膜镜面第二反射层6；当然，在其它实施例中，也可以采用其它圆环状等不同形状；虽然上述第二反射层6会对入射光有一定遮挡，但是通过光学微腔结构吸收光的效果是可以远远抵消遮挡的不利影响(如第二反射层6会遮挡20-50％的光进入，而光学微腔结构可以将光的吸收率从20％提升至90％以上)；

5、最后，在薄膜镜面第二反射层6上依次沉积制备出电极层7和保护层8。

上述各薄膜的沉积方法为物理或化学方法，如溅射、电子束、分子束、MOCVD、PCVD等。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。