CN110335900B - 一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构及其制备方法，属于光电探测器技术领域。该光电探测器的结构从下至上依次是：玻璃作为器件的衬底；垂直石墨烯作为器件的光吸收层和电子传输层；氧化铟锡薄膜作为透明电流辅助扩散层；垂直石墨烯两侧是钛/金电极连接外部电源。由于垂直石墨烯具有宽光谱响应特性，使得该探测器的工作波段从可见光到红外波段，本发明设计的氧化铟锡薄膜层可有效的传输光生载流子，抑制缺陷影响，提升器件的输出光电流。另外，该探测器拥有较高的光吸收率和光响应度，在较低的偏压下就可以进行工作，工艺制备简单可重复，有效提高探测器的探测效率和成品率。
Description
技术领域
本发明属于新型材料光电探测器的结构设计及其制备方法，特别是一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构设计及其制备方法。
背景技术
光电探测器是一种把光信号转为电信号的器件，光探测和光电探测器在现代社会中具有重要的意义，从成像、通讯设备、各种传感器的安全监控，以及显示技术到基本的科学应用，如观察宇宙。一般来说，电子跃迁应该至少有两个能级，只有能量大于这两个能级之间能量差的入射光子才能被吸收。因此，例如基于InGaAs的红外探测器和基于硅基的光电探测器，这些半导体光电探测器，它的探测波长范围很有限。然而，石墨烯的零带隙的结构特征使得其可吸收光的波长范围很广，包括紫外光、可见光、红外光甚至到太赫兹，没有传统探测器的波长限制。石墨烯的超高载流子迁移率也使得石墨烯基光电探测器的响应速度变快。因此，在理论上和实验都对石墨烯探测器进行了广泛的研究。但是当前石墨烯光电探测器的光响应率处于几个mA/W的水平，响应度低的主要原因：单层石墨烯的较弱的光吸收，同时载流子寿命在ps量级。
垂直石墨烯是一种多层石墨烯直立在基底上形成的二维碳纳米结构，每个独立的垂直石墨烯薄片的高度和宽度从10纳米到数十微米可调，但是厚度仅有几纳米，甚至小于1nm，每个石墨烯片包含1到10层石墨烯，每层相距0.34nm到0.37nm。垂直取向石墨烯本质上是石墨烯，但它也具有独特的结构特征。因此，垂直石墨烯不仅具有石墨烯的性质，而且具有定向排列所引起的一些独特的特性。除了石墨烯的一般特性之外，垂直取向石墨烯还有一些独特的性质，使得它们在许多方面与传统的石墨烯薄膜有显著的不同。垂直取向石墨烯具有独特的取向、非堆叠形态以及大的比表面积，由于这些不同寻常的特性，其拥有许多独特的机械、化学、电子、电化学和光电特性，这些特性可以在广泛的应用中发挥其潜在用途。
发明内容
由于垂直石墨烯拥有独特光电特性，以及氧化铟锡薄膜具有良好的透光性和电荷传输性能，本发明提供了一种新型垂直石墨烯光电探测器，以及介绍了探测器的制备方法。这种光电探测器具有较高的光吸收率和光响应度。
该器件的垂直石墨烯是一种多层石墨烯直立在基底上形成的二维碳纳米结构，具有高的比表面积。把垂直石墨烯作为探测器的光吸收层，使探测表面积最大化，极大程度地增加器件的探测区域，进而增加了探测器对光的吸收。
本发明氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器，其特征在于，其结构从下至上依次是：玻璃作为器件的衬底；在衬底上的垂直石墨烯作为器件的光吸收层和电子传输层；在垂直石墨烯上的氧化铟锡薄膜作为透明电流辅助扩散层；垂直石墨烯两侧是钛/金电极连接外部电源。
该器件的垂直石墨烯是由与衬底接触的水平缓冲层和垂直生长在缓冲层上的石墨烯薄片阵列构成。若单独将垂直石墨烯作为探测器的光吸收层时，光源照射在垂直石墨烯表面，石墨烯薄片吸收光能产生非平衡载流子，当载流子流向相应电极时，会流经缓冲层。缓冲层主要由无定形碳或碳化物构成，其厚度低于石墨烯薄片阵列的高度。无定形碳具有较多的缺陷和较大的电阻，影响了载流子的输运，进而增加了探测器的响应速度，降低了探测性能。
该器件在垂直石墨烯沟道上沉积了氧化铟锡薄膜。氧化铟锡薄膜具有高电导率、高透射率以及耐腐蚀特性等物理特性。把氧化铟锡薄膜作为探测器的透明电流扩散层，当光源对探测器进行照射后，垂直石墨烯沟道会产生光生载流子，光生载流子通过垂直石墨烯进入到氧化铟锡薄膜，由于氧化铟锡薄膜具有较低的电阻，显著地降低光生载流子的传输阻力，可以作为快速的载流子的传输通道，载流子的运动速度增加，能够更快到达相应电极处，也就是增加了光生载流子的寿命，因此该探测器能够产生更多的光电流，具有较高的光响应度。
本发明的氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构设计及其制备方法，该光电探测器的结构从下至上依次是：玻璃作为器件的衬底；垂直石墨烯作为器件的光吸收层和电子传输层；氧化铟锡薄膜作为透明电流扩散层；垂直石墨烯两侧是钛/金电极连接外部电源。
本发明的玻璃衬底为普通玻璃或钠钙玻璃，石英玻璃、蓝宝石玻璃等。
本发明的垂直石墨烯是直接生长在玻璃衬底上的，即垂直石墨烯的水平缓冲层与衬底平行生长在衬底上的。
本发明的氧化铟锡薄膜是通过磁控溅射技术沉积而成，所述的氧化铟锡薄膜具有透明导电特性，优选厚度为100nm。
本发明的钛/金电极是通过磁控溅射技术沉积而成，电极中钛层与金层的厚度优选分别是15nm和120nm。
本发明的氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构的制备方法，步骤如下：
(1)在衬底上直接生长垂直石墨烯，清洗垂直石墨烯样品：依次使用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水对垂直石墨烯样品进行清洗；
(2)制备氧化铟锡薄膜：在生长在玻璃衬底的垂直石墨烯上，使用磁控溅射技术沉积氧化铟锡薄膜，沉积温度为100℃；
(3)刻蚀氧化铟锡薄膜沟道：使用AZ5214光刻胶，采用正胶光刻工艺，显影掉曝光部分，利用光刻胶作掩膜，使用稀盐酸对其进行湿法腐蚀，腐蚀掉多余的氧化铟锡；
(4)在氧化铟锡薄膜沟道上刻蚀垂直石墨烯沟道：采用干法刻蚀的方式去除多余的垂直石墨烯，刻蚀气体为氧气；
(5)制备钛/金电极：使用AZ5214光刻胶，采用反转胶光刻工艺在所述的沟道内制备钛/金电极。
本发明的氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构是在普通光电导型光电探测器结构基础上改进的。所谓光电导型光电探测器由一个有限长半导体层与两端的欧姆接触组成，在这两个欧姆接触点之间应用了一个固定的偏置电压，这样一个偏置电流就会流过半导体层，当照射在器件的半导体吸收层时，在外加电场的作用下会使光电流被加入到偏置电流中，有效地增加了器件的电导率。该发明除了具有光电导型探测器的优势，例如光响应度高，宽光谱响应，与现有微电子器件和电路有很好的兼容性等等。通过把垂直石墨烯作为探测器的光吸收层，增加器件的探测区域，进而增加了探测器对光的吸收。把氧化铟锡薄膜作为探测器的透明电流扩散层，降低光生载流子的传输阻力，产生更多的光电流。此外，该探测器在较低的偏压下就可以进行工作，工艺制备简单可重复，为垂直石墨烯光电探测器的研究奠定了基础。该探测器拥有较高的光吸收率和光响应度，在较低的偏压下就可以进行工作，工艺制备简单可重复，有效提高探测器的探测效率和成品率。
附图说明
图1为本发明的氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构的三维结构示意图；
图中：1.1-玻璃衬底，1.2-垂直石墨烯沟道，1.3-氧化铟锡薄膜，1.4-钛/金电极。
图2为本发明的氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构的制备流程图；
图中：2.1-清洗垂直石墨烯样品，2.2-制备氧化铟锡薄膜，2.3-刻蚀氧化铟锡薄膜沟道，2.4-刻蚀垂直石墨烯沟道，2.5-制备钛/金电极。
图3为本发明的垂直石墨烯光电探测器(有氧化铟锡薄膜)和垂直石墨烯光电探测器(无氧化铟锡薄膜)的光电流测试结果图。
具体实施方式
参照图1，本发明的氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构，结构从下至上依次是，1.1-玻璃衬底，1.2-垂直石墨烯沟道，1.3-氧化铟锡薄膜，1.4-钛/金电极。
其中，本发明的玻璃衬底为普通玻璃或钠钙玻璃。
本发明的垂直石墨烯是生长在玻璃衬底的。
本发明的氧化铟锡薄膜是通过磁控溅射技术沉积而成，厚度为100nm。
本发明的钛/金电极是通过磁控溅射技术沉积而成，电极中钛层与金层的厚度分别是15nm和120nm。
垂直石墨烯是一种多层石墨烯直立在基底上形成的二维碳纳米结构，每个独立的垂直石墨烯薄片的高度和宽度从10纳米到数十微米可调，但是厚度仅有几纳米，甚至小于1nm，每个石墨烯片包含1到10层石墨烯，每层相距0.34nm到0.37nm。
如下为本发明的实施例，对本发明进行进一步解释说明，但不限于以下实施例。
实施例1：氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构的制备方法
制备氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构，本发明的制备方法步骤如下：
(1)在玻璃衬底上直接生长垂直石墨烯，垂直石墨烯高度为400nm左右(其中缓冲层的高度远低于石墨烯薄片高度，一般为50nm左右)，清洗垂直石墨烯样品：依次使用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水对垂直石墨烯样品进行清洗；
(2)制备氧化铟锡薄膜：在生长在玻璃衬底的垂直石墨烯上，使用磁控溅射技术沉积100nm的氧化铟锡薄膜，沉积温度为100℃；
(3)刻蚀氧化铟锡薄膜沟道：使用AZ5214光刻胶，采用正胶光刻工艺，显影掉曝光部分，利用光刻胶作掩膜，使用稀盐酸对其进行湿法腐蚀，腐蚀掉多余的氧化铟锡；
(4)刻蚀垂直石墨烯沟道：采用干法刻蚀的方式去除多余的垂直石墨烯，刻蚀气体为氧气；
(5)制备钛/金电极：使用AZ5214光刻胶，采用反转胶光刻工艺制备钛/金电极，电极中钛层与金层的厚度分别是15nm和120nm。
(6)制备完成的器件如图1所示。
实施例2：垂直石墨烯光电探测器(无氧化铟锡薄膜)的光电流测试(即对比例)
一种垂直石墨烯光电探测器(无氧化铟锡薄膜)，该器件结构包括：玻璃作为器件的衬底；垂直石墨烯作为器件的光吸收层和电子传输层；垂直石墨烯两侧是钛/金电极连接外部电源。参考图3中的圆形(●)曲线，在室温、标准大气压强的环境下进行测试，采用980nm半导体泵浦激光器作为测试光源，光源光功率为239μW，在外置偏压为0.1V下，该探测器所产生的光电流为3.02μA，光响应度为12.6mA/W。
实施例3：垂直石墨烯光电探测器(有氧化铟锡薄膜)的光电流测试
一种垂直石墨烯光电探测器(有氧化铟锡薄膜)，该器件结构包括：玻璃作为器件的衬底；垂直石墨烯作为器件的光吸收层和电子传输层；氧化铟锡薄膜作为透明电流扩散层；垂直石墨烯两侧是钛/金电极连接外部电源。参考图3中的三角形(▼)曲线，在室温、标准大气压强的环境下进行测试，采用980nm半导体泵浦激光器作为测试光源，光源光功率为239μW，在外置偏压为0.1V下，该探测器所产生的光电流为13.4μA，光响应度为56.1mA/W。
根据实施例2和3的实验结果表明，有氧化铟锡薄膜的垂直石墨烯光电探测器产生的光电流是无氧化铟锡薄膜的垂直石墨烯光电探测器的4倍左右，说明本发明的光电探测器结构能够有效产生更多的光电流，增加器件的光响应度。
以上为本发明的一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构的详细介绍，对本发明的基本结构、制备方法和实施方式进行描述，上述实施例用于帮助解释本发明的基本思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进方式也在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器，其特征在于，其结构从下至上依次是：玻璃作为器件的衬底；在衬底上的垂直石墨烯作为器件的光吸收层和电子传输层；在垂直石墨烯上的氧化铟锡薄膜作为透明电流辅助扩散层；垂直石墨烯两侧是钛/金电极连接外部电源。
2.按照权利要求1所述的一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器，其特征在于，玻璃衬底为钠钙玻璃、石英玻璃或蓝宝石玻璃。
3.按照权利要求1所述的一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器，其特征在于，垂直石墨烯是直接生长在玻璃衬底上的，即垂直石墨烯的水平缓冲层与衬底平行生长在衬底上的。
4.按照权利要求1所述的一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器，其特征在于，氧化铟锡薄膜具有透明导电特性。
5.按照权利要求1所述的一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器，其特征在于，氧化铟锡薄膜厚度为100nm。
6.按照权利要求1所述的一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器，其特征在于，钛/金电极中钛层与金层的厚度分别是15nm和120nm。
7.权利要求1-6任一项所述的氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在衬底上直接生长垂直石墨烯，清洗垂直石墨烯样品：依次使用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水对垂直石墨烯样品进行清洗；
（2）制备氧化铟锡薄膜：在生长在玻璃衬底的垂直石墨烯上，使用磁控溅射技术沉积氧化铟锡薄膜，沉积温度为100℃；
（3）刻蚀氧化铟锡薄膜沟道：使用AZ5214光刻胶，采用正胶光刻工艺，显影掉曝光部分，利用光刻胶作掩膜，使用稀盐酸对其进行湿法腐蚀，腐蚀掉多余的氧化铟锡；
（4）在氧化铟锡薄膜沟道上刻蚀垂直石墨烯沟道：采用干法刻蚀的方式去除多余的垂直石墨烯，刻蚀气体为氧气；
（5）制备钛/金电极：使用AZ5214光刻胶，采用反转胶光刻工艺在所述的沟道内制备钛/金电极。
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