CN110148642A - 凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够增加了受光面，增加石墨烯对光的吸收，避免转移过程对石墨烯造成的破坏的凹面阵列的石墨烯‑金属异质结光电探测器。该凹面阵列的石墨烯‑金属异质结光电探测器，包括衬底；所述衬底上由下至上依次设置有绝缘层、生长层、石墨烯层；所述衬底上设置有阵列分布的向下凹陷的凹槽；所述绝缘层上设置有与凹槽匹配的第一凸面；所述生长层上设置有第二凸面；所述石墨烯层上设置有第三凸面；所述石墨烯层的第三凸面的内凹槽内壁上设置有增透层；所述石墨烯层上第三凸面内凹槽的两侧分别设置有波浪形叉指的高功函电极和低功函电极。采用该凹面阵列的石墨烯‑金属异质结光电探测器，具有体积小，集成度高，识别范围广等特点。

Description

凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器

技术领域

本发明涉及通讯和传感器领域，尤其是一种凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器。

背景技术

众所周知的：光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

现在的石墨烯光电探测器的主流结构都是平面结构，因此受光面较小，石墨烯对光的吸收较少，并且一般的石墨烯光电探测器都是将制备好的石墨烯转移到探测器基底上，因此转移过程石墨烯容易造成的破坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够增加了受光面，增加石墨烯对光的吸收，避免转移过程对石墨烯造成的破坏的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，包括衬底；所述衬底上由下至上依次设置有绝缘层、生长层、石墨烯层；

所述衬底上设置有一个或者阵列分布的向下凹陷的凹槽；所述绝缘层上设置有向下凸起，且与凹槽匹配的第一凸面；所述凹槽与第一凸面一一对应；

所述生长层上设置有向下凸起，且与第一凸面的内凹槽匹配的第二凸面；所述第一凸面的内凹槽与第二凸面一一对应；

所述石墨烯层上设置有向下凸起，且与第二凸面的内凹槽匹配的第三凸面；所述第二凸面的内凹槽与第三凸面一一对应；

所述石墨烯层的第三凸面的内凹槽内壁上设置有增透层；所述石墨烯层上第三凸面内凹槽的两侧分别设置有波浪形叉指的高功函电极和低功函电极。

具体的，所述衬底上设置有3X3阵列分布的向下凹陷的凹槽。

进一步的，所述绝缘层采用二氧化硅薄膜。

优选的，所述凹槽为半球形凹槽。

优选的，所述生长层采用先沉积Cu或Au或Ag或Mo或Gr，厚度为30至70纳米，再沉积Ni，厚度为30至70纳米的生长层；或者所述生长层位直接沉积的一层30至70纳米的三氧化二铝。

进一步的，所述石墨烯层采用CVD法直接在生长层上生长的石墨烯薄膜；且石墨烯薄膜的层数为1～10层。

优选的，所述增透层采用厚度为30～100纳米的二氧化硅薄膜。

具体的，所述低功函数电极采用钛(Ti)、铂(Pt)、锰(Mn)、锂(Li)、或铝(Al)；厚度为50～100纳米。

具体的，所述高功函数电极采用金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)或钯(Pd)，厚度为50～100纳米。

本发明的有益效果是：本发明所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，由于采用了凹面结构，在相同的表面积下吸光面会增加，并且凹面结构可使光在凹面内的石墨烯表面进行多次反射，增加石墨烯对光的吸收，所以相对来说，探测器对光的响应度会比较高。由于在基底上沉积生长层，并在生长层表面直接沉积石墨烯薄膜，所以避免了石墨烯的转移对石墨烯薄膜的破坏，这样石墨烯的电学性能也相对优异，可增加光电探测器的灵敏度；石墨烯的电学性能也相对优异，制备工艺简单，成熟可靠。

因此，本发明所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，可在常温下对不同波长和光强的光信号进行快速的检测，具有体积小，集成度高，识别范围广等特点。此外，器件的制备工艺相对简单，且与现有的半导体制备工艺相兼容，可以实现大量生产。在光探测领域、光通信领域等方面有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器的***示意图；

图2是本发明实施例中凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器的立体图；

图3是本发明实施例中凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器的俯视图；

图4是图3中的A-A剖视图；

图5是本发明实施例中凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器的单个凹槽的截面视图；

图中标示：1-衬底，2-绝缘层，3-生长层，4-石墨烯层，5-增透层，6-高功函电极，7-低功函电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图4所示，本发明所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，包括衬底1；所述衬底1上由下至上依次设置有绝缘层2、生长层3、石墨烯层4；

所述衬底1上设置有一个或者阵列分布的向下凹陷的凹槽11；所述绝缘层2上设置有向下凸起，且与凹槽11匹配的第一凸面21；所述凹槽11与第一凸面21一一对应；

所述生长层3上设置有向下凸起，且与第一凸面21的内凹槽匹配的第二凸面31；所述第一凸面21的内凹槽与第二凸面31一一对应；

所述石墨烯层4上设置有向下凸起，且与第二凸面31的内凹槽匹配的第三凸面41；所述第二凸面31的内凹槽与第三凸面41一一对应；

所述石墨烯层4的第三凸面41的内凹槽内壁上设置有增透层5；所述石墨烯层4上第三凸面41内凹槽的两侧分别设置有波浪形叉指的高功函电极6和低功函电极7。

具体的，所述绝缘层2采用二氧化硅薄膜。具体的，所述生长层采用先沉积Cu或Au或Ag或Mo或Gr，厚度为30至70纳米，再沉积Ni，厚度为30至70纳米的生长层；或者所述生长层位直接沉积的一层30至70纳米的三氧化二铝。

具体的，所述增透层5采用厚度为30～100纳米的二氧化硅薄膜。

具体的，所述低功函数电极7采用钛(Ti)、铂(Pt)、锰(Mn)、锂(Li)或铝(Al)；厚度为50～100纳米。

具体的，所述高功函数电极6采用金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)或钯(Pd)，厚度为50～100纳米。

为了增加石墨烯层4对光的吸收，进一步的，所述凹槽11为半球形凹槽。

为了避免石墨烯的转移，提升石墨烯的电学性能，从而提高光电探测的灵敏度。进一步的，所述石墨烯层4采用CVD法直接生长的石墨烯薄膜；且石墨烯薄膜的层数为1～10层。

本发明所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，石墨烯和金属电极接触可以形成接触异质结，两种不同功函数的金属与石墨烯接触形成两个不同的异质结，异质结之间形成内建电场。当光照射在石墨烯表面时，石墨烯中的电子吸收光子能量从而发生跃迁。由此在石墨烯薄膜内形成电子-空穴对这种非平衡光生载流子，这些光生载流子在内建电场的驱动下定向运动形成光电流，从而达到探测光的目的。

现在的石墨烯光电探测器的主流结构都是平面结构，而本发明所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，采用了凹面结构，增加了受光面，凹面结构可使光在凹面内的石墨烯表面进行多次反射，增加石墨烯对光的吸收，并且一般的石墨烯光电探测器都是将制备好的石墨烯转移到探测器基底上，而本发明直接在探测器基底的生长层表面制备石墨烯薄膜，避免了转移过程对石墨烯造成的破坏。

因此，本发明所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，具有以下有益效果：

1)以覆盖在凹面结构表面的石墨烯作为敏感材料，并且凹面结构可使光在凹面内的石墨烯表面进行多次反射，增加石墨烯对光的吸收，提高光电探测器的灵敏度。

2)在衬底上沉积生长层，便于直接在探测器上采用CVD法沉积石墨烯薄膜，避免石墨烯的转移，提升石墨烯的电学性能，从而提高光电探测的灵敏度。

3)制备工艺与现有的半导体器件制备工艺相兼容，极易实现探测器的集成化设计及制备，极大的提升了探测器的的实用性。

4)采用了凹面阵列结构，增加了探测器的了受光面，不对称的波浪形叉指电极与石墨烯接触可以充分的增加石墨烯的活性区域，便于进一步增加探测器的灵敏度。

实施例

如图1至图4所示，凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，包括衬底1；所述衬底1上由下至上依次设置有绝缘层2、生长层3、石墨烯层4；

所述衬底1上设置有向下凹陷的凹槽11；所述绝缘层2上设置有向下凸起，且与凹槽11匹配的第一凸面21；

所述生长层3上设置有向下凸起，且与第一凸面21的内凹槽匹配的第二凸面31；石墨烯层4上设置有向下凸起，且与第二凸面31的内凹槽匹配的第三凸面41；

所述石墨烯层4的第三凸面41的内凹槽内壁上设置有增透层5；所述衬底1上凹槽11的两侧分别设置有6高功函电极6和低功函电极7。

所述绝缘层2采用二氧化硅薄膜。所述凹槽11为半球形凹槽。所述生长层采用先沉积Cu或Au或Ag或Mo或Gr，厚度为30至70纳米，再沉积Ni，厚度为30至70纳米的生长层；或者所述生长层位直接沉积的一层30至70纳米的三氧化二铝。

所述石墨烯层4采用CVD法直接生长的石墨烯薄膜；且石墨烯薄膜的层数为1～10层。所述增透层5采用厚度为30～100纳米的二氧化硅薄膜。所述低功函数电极7采用钛(Ti)、铂(Pt)、锰(Mn)、锂(Li)或铝(Al)；厚度为50～100纳米。所述高功函数电极6采用金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)或钯(Pd)，厚度为50～100纳米。

具体的制备过程中采用以下工艺：

1)采用光刻技术，在衬底1表面作出3X3阵列分布的直径为5～10微米的圆孔图形；

2)在硅衬底1表面采用等离子刻蚀(ICP)或氢氟酸加工出凹面结构，然后去除表面光刻胶，凹面的深度大约为1微米。

3)在已经加工出凹面的硅片上采用磁控溅射工艺沉积一层二氧化硅薄膜作为绝缘层2，二氧化硅的厚度大约为50～100纳米。

4)采用磁控溅射工艺在二氧化硅绝缘层上沉积一层生长层3(Cu、Au、Ag、Mo、Gr其中一种金属和Ni的合金)，先沉积Cu或Au或Ag或Mo或Gr，厚度大约50纳米，再沉积Ni，厚度大约也是50纳米；或者所述生长层位直接沉积的一层30至70纳米的三氧化二铝。

5)在步骤4所沉积的生长层3表面采用CVD法直接生长一层石墨烯层4。

6)在石墨烯两端采用光刻技术和磁控溅射工艺沉积非对称活性金属低功函数电极7：钛(Ti)、铂(Pt)、锰(Mn)、锂(Li)、铝(Al)和高功函数电极6：金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、钯(Pd)，电极的厚度均为50～100纳米，然后去除表面光刻胶。

7)在石墨烯上凹面处采用光刻技术和磁控溅射工艺沉积一层增透膜5(二氧化硅)，二氧化硅的厚度为30～100纳米，然后去除表面光刻胶。

具体的，光刻工艺(负胶RPN-1150)采用以下工艺进行：

1、涂胶；

使用匀胶机在样片表面旋涂一层光刻胶，匀胶机的转速设置为：先低速(1000转/分)旋转10s，接着高速(3000转/分)旋转40±2s；旋涂之后光刻胶的厚度为2.5±0.05m；

2、前烘；

涂胶前打开热板电源开关，设置加热温度为90±2℃；待温度稳定后，将涂有光刻胶的样片放置在热板上烘焙90±1s；

3、曝光；

打开光刻机电源开关，开汞灯预热20分钟以上，将掩膜板装在掩膜夹具上，将烘干的样片放置在样品托盘上，移动载样托盘，使样片和掩膜板上的图形对准，完成对板后设置曝光时间为7.5±0.5s，开始曝光；

4、后烘；

将热板温度设定为110±2℃，待温度稳定后，将曝光后的样片放置在热板上烘焙60±10s后，迅速将样片从热板上取下；

5、显影；

在洁净的培养皿中盛适量的型号为RZX-3038的显影液，将经过后烘处理的样片放入显影液中进行显影，时间为50±2s，然后使用去离子水多次清洗样片，最后用N2枪将样片吹干；

6、紫外线臭氧清洗处理；

将显影后的样片放入紫外臭氧清洗机(BZS250GF-TC)的腔室内，打开电源开关，设置去胶时间为3～5分钟，打开紫外灯开关，开始去除图形区的残留胶；

7、坚膜；

将经过紫外臭氧清洗处理的样片放置在温度为110±2℃的热板上烘焙；烘焙时间为5～15分钟；烘焙结束后，关闭热板电源并取样。

具体的，所述磁控溅射采用以下工艺进行：

磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。本发明主要采用此法溅射二氧化硅绝缘层，生长层，电极，二氧化硅增透膜。实验步骤如下：

1、开机；

打开空气压缩机电源开关以及其气路阀门；打开冷水机电源开关；打开保护气瓶阀门；按下控制面板的“总电源启动”按钮，按下“总功率启动”；按下“射频电源启动按钮”或者“直流电源启动按钮”；打开控制软件，确保真空计已关闭，单击“充气阀”，对腔室充气，等待充气完成；

2、装靶和放样；

长按“上升”按钮，直到上升按钮旁边的指示灯变成绿色；在挡板控制面板中，选择所需靶位，打开挡板，更换靶材；更换完靶材后，选择溅射模式：直靶溅射，手动调整靶位，在挡板关闭状态下，手动调整挡板，确保挡板挡住溅射靶位；根据所选的溅射模式，放入样片；长按“下降”按钮，直到旁边的指示灯变成绿色，确保顶盖盖好和腔室观察窗门关闭；

3、抽真空；

在控制面板单击“机械泵”，单击“前级阀”，等待几十秒，然后单击分子泵，等分子泵开始旋转后，关闭“前级阀”，打开“预抽阀”。等腔室压强下降到3.5Pa以下时，打开“真空计”，关闭“预抽阀”，打开“前级阀”，打开“插板阀”；等腔室压强下降到5Pa以下时，单击关闭真空计，然后通过单击“Vpg1”,“Vpg2”,“Vpg3”向腔室通入所需气体；

4、溅射；

在工作压力控制面板中，输入起辉压力：5±0.5Pa，单击确定，等压力达到设定之后，输入起辉数值，然后单击“打开”按钮，观察靶位是否有等离子体产生；产生等离子体后，进一步调整溅射的背景压强为0.8±0.1Pa；等离子体稳定后，预溅射5分钟左右，然后打开挡板进行溅射，记录时间，30±3分钟后，关闭溅射靶的挡板，停止溅射；

5、取样；

单击电源面板上的“关闭”按钮关闭电源，输入气体流量值为0，然后关闭“Vpg”；关闭“插板阀”，单击“放气阀”，对腔室充气；待充气完成，取出样片。

具体的，所述CVD法制备石墨烯采用以下工艺进行：

CVD是Chemical VaporDeposition的简称，是指高温下的气相反应，例如，金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等的热分解，氢还原或使它的混合气体在高温下发生化学反应以析出金属、氧化物、碳化物等无机材料的方法。本发明采用在生长层表面生长石墨烯，将一层Ni沉积到Mo或Cu或Au或Ag或Gr上，或者直接采用沉积一层30至70纳米的三氧化二铝作为生长层。然后采用低压CVD法制备石墨烯，最后在生长层表面直接生成少层的石墨烯薄膜。实验步骤如下：

1、生长层的预处理；依次利用丙酮、无水乙醇擦拭生长层表面，然后将样片置于装有去离子水的培养皿中超声3～5min，最后使用氮***将样片吹干。

2、将样片放入反映腔室(2寸的石英管)；将处理好的样片放在石英舟上，利用玻璃棒从石英管一端将石英舟送入石英管的合适位置(管式炉的加热温区)，然后密封石英管。

3、设置生长参数；主要是设置两温区管式炉的加热温度和气体的流量。温度参数主要包括退火阶段的升温时间、温度、保持时间，生长阶段的温度和保持时间；气体参数主要包括氢气、氩气和甲烷的流量。

4、抽真空；使用机械泵持续抽真空5～10min，待反应腔室压强低于0.1Pa，进入下一步操作。

5、升温退火；通入保护气体，氩气和氢气的混合气，流量为100sccm。打开管式炉的加热开关，升温到900℃后保持恒温进行退火，退火时间为30min。

6、生长石墨烯；完成退火后，氩气和氢气的混合气改为氢气，流量100sccm；管式炉升温至1000℃保持恒温，然后通入甲烷，流量5～30sccm，开始生长石墨烯。生长时间为15～60min。

7、降温取样；石墨烯生长完成后先关闭甲烷，然后退出升温程序停止加热，接着开启管式炉顶盖快速降温，降温过程中保持通入氢气。待管式炉腔室温度降至50℃以下，关闭氢气并停止抽真空，最后破真空把样片取出。

具体的，等离子体蚀刻(ICP)采用如下工艺：

ICP是等离子体刻蚀的缩写，是制作半导体集成电路的蚀刻工艺之一。在除去不需要的集成电路板上的保护膜时，利用反应性气体的离子束，切断保护膜物质的化学键，使之产生低分子物质，挥发或游离出板面，这样的方法称为反应性离子刻蚀。本发明采用此法刻蚀硅，使硅的表面形成一个凹面，加大受光面。具体的实验步骤如下：

(1)准备工作；

实验前，首先检查整机各部分是否处于良好状态，没有问题后，先打开冷却水箱，然后接通电控柜下部电源总开关，准备进行实验操作。

(2)装样片；

按中心控制***刻蚀室充气阀VINC开关，向刻蚀室内充空气，待4分钟充气完毕后，升降允许指示灯亮，按升按钮，提升上盖，将目标样片放在电极上，按降按钮，上盖落下盖好，关闭充气阀VINC。

(3)抽真空；

打开真空计电源，开启机械泵RPC，分子泵前级预抽，机械泵运转约2分钟后，开启分子泵(确认分子泵冷却水是否通入)，等待分子泵运转正常，打开预抽阀VPRC，待真空度达到2Pa后，打开插板阀，将真空室抽至高真空。

(4)打开两个射频电源开关，预热5分钟。

(5)通入反应气体；

刻蚀室抽到本底真空(一般在3.0×10-3Pa或更高)后，关闭真空计测量开关，通入反应气体SF630sccm和O230sccm，打开进气手阀，使反应气体进入真空室，随后打开真空计，关闭高真空，待流量稳定后，通过手动调节插板阀开度，调节真空室工作压力到1Pa。

(6)刻蚀；

首先确认电极冷却水是否通入。待真空室压力稳定后，开启射频电源W1，顺时针方向旋转板压旋钮，使刻蚀室起辉，调整功率为300W，同时调节匹配箱上“C1调节”和“C2调节”，使有效功率尽可能大，反射功率尽可能小，达到良好匹配。开启射频电源W2，调整功率为100W，调整好匹配，开始计时。

(7)取样；

依次关掉W2，W1板压，关闭质量流量计，关闭进气手阀。打开插板阀，抽刻蚀室内残余气体一段时间。关闭插板阀VG，打开充气阀VINL，待中心控制***面板上黄色升降允许指示灯亮起后(约4分钟)，提升上盖，取出样片，盖好上盖，关闭VINL，将管道中的反应气体抽净，反应室抽至高真空，关闭插板阀。关闭分子泵，机械泵继续运转15分钟，待分子泵停止工作后，再关掉机械泵。关掉各仪器开关，关掉冷却水，关掉反应气体气源开关。

Claims (9)

1.凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：包括衬底(1)；所述衬底(1)上由下至上依次设置有绝缘层(2)、生长层(3)、石墨烯层(4)；

所述衬底(1)上设置有一个或者阵列分布的向下凹陷的凹槽(11)；所述绝缘层(2)上设置有向下凸起，且与凹槽(11)匹配的第一凸面(21)；所述凹槽(11)与第一凸面(21)一一对应；

所述生长层(3)上设置有向下凸起，且与第一凸面(21)的内凹槽匹配的第二凸面(31)；所述第一凸面(21)的内凹槽与第二凸面(31)一一对应；

所述石墨烯层(4)上设置有向下凸起，且与第二凸面(31)的内凹槽匹配的第三凸面(41)；所述第二凸面(31)的内凹槽与第三凸面(41)一一对应；

所述石墨烯层(4)的第三凸面(41)的内凹槽内壁上设置有增透层(5)；所述石墨烯层(4)上第三凸面(41)内凹槽的两侧分别设置有波浪形叉指的高功函电极(6)和低功函电极(7)。

2.根据权利要求1所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：所述衬底(1)上设置有3X3阵列分布的向下凹陷的凹槽(11)。

3.根据权利要求1所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：所述绝缘层(2)采用二氧化硅薄膜。

4.根据权利要求1所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：所述凹槽(11)为半球形凹槽。

5.根据权利要求1所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：所述生长层采用先沉积Cu或Au或Ag或Mo或Gr，厚度为30至70纳米，再沉积Ni，厚度为30至70纳米的生长层；或者所述生长层位直接沉积的一层30至70纳米的三氧化二铝。

6.根据权利要求5所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：所述石墨烯层(4)采用CVD法在生长层(3)上直接生长的石墨烯薄膜；且石墨烯薄膜的层数为1～10层。

7.根据权利要求6所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：所述增透层(5)采用厚度为30～100纳米的二氧化硅薄膜。

8.根据权利要求7所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：所述低功函数电极(7)采用钛(Ti)、铂(Pt)、锰(Mn)、锂(Li)、或铝(Al)；厚度为50～100纳米。

9.根据权利要求8所述的凹面阵列的石墨烯-金属异质结光电探测器，其特征在于：所述高功函数电极(6)采用金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)或钯(Pd)，厚度为50～100纳米。