[發明專利]一種石墨烯中遠紅外探測器及其制備方法

無效

• 申請號: 201310583494.6
• 申請日: 2013-11-18
• 公開（公告）號: CN103633183A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 張鵬;馬中發;吳勇;莊奕琪;趙鈺迪;馮元博;陳祎坤
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L31/112
• 分類號: H01L31/112;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域：

本發明涉及一種紅外探測器的結構設計及制備工藝，特別是一種石墨烯中遠紅外探測器的結構設計及制備工藝。

背景技術：

紅外輻射包含豐富的客觀信息，其探測倍受關注。經過70年的發展，紅外探測器已覆蓋短波、中波與長波范圍，在軍事和民用領域得到了廣泛應用。目前，基于熱釋電、半導體量子阱和量子點的高性能紅外焦平面陣列傳感器的關鍵技術主要被歐美日等國家所掌握，迫使國內研究機構進行攻關，追趕甚至超越現有技術。

石墨烯是單層碳原子構成的二維晶體，具有優異的力學、熱學、電學和光學特性，在電子器件和光電器件領域具有巨大應用潛力。現有石墨烯基光電傳感器不但具有探測光譜范圍寬、響應度高、速度快和噪聲低的優點，且易與現有硅基CMOS集成電路工藝相兼容，實現大規模、低成本傳感器陣列的生產。到目前為止，石墨烯基光電探測器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用熱電效應、金屬激子結構、石墨烯激子或者為微腔結構等。然而，制作超敏感的石墨烯基光探測器的關鍵問題是如何實現光電導增益，即一個入射光子能夠產生多個載流子。然而到目前為止，所有的石墨烯光探測器中都未觀察到光電導增益。而具有超高敏感度的增益型光探測器僅利用雪崩光電二極管和光倍增器中實現了，但這些器件都是體型的，不能與現有的集成電路制備工藝相兼容，同時在應用時需要施加很高的電壓。據報道，包含晶體管溝道與光控制柵的光晶體管在可見光波長或短波紅外（SWIR）范圍內具有超高的敏感度，其中量子點使用外延生長的III-V族化合物半導體制作的。然而，此類探測器需要工作在超低的4K溫度下。同時，基于III-V族化合物半導體的異質結光晶體管以及光場效應晶體管的增益為100到1000，而增益帶寬乘積為1×10⁸Hz。這些器件依賴外延生長的III-V族化合物半導體，從而限制了其與現有CMOS集成電路的單片集成，阻礙了其用于高敏感探測與成像系統。最近報道的膠體量子點光探測器的光電導增益為100到1000，其增益主要受到膠體量子點中的低載流子遷移率的限制，其中載流子遷移率為1×10^-3～1cm²/Vs。

石墨烯FET中的載流子遷移率已經超過了104cm2/Vs，比常溫下單晶硅的載流子遷移率高1到2個數量級。石墨烯溝道的電導率還可以通過柵壓進行快速控制，并已經成功用于射頻器件中。然而石墨烯僅能吸收約2.3%的入射光，雖然對單程材料來說已經是很高的吸收率了，但要用于實際的光探測，則這樣水平的吸收率則遠遠不夠。當然，如果將多層石墨烯堆疊在一起，可以有效提高吸收率，但這將會不可避免地影響石墨烯的輸運特性和柵電場可調特性。這就需要通過其它方法來提高石墨烯的光吸收率，即光被一個媒介吸收，而光生載流子則被轉移到石墨烯內進行輸運。

發明內容：

本發明提出了一種新型的石墨烯中遠紅外探測器器件，并介紹了其制備工藝。

該器件在石墨烯薄膜層上淀積了量子點結構。當有中紅外或遠紅外光對器件進行照射時，在量子點中產生光生載流子，量子點中的光生載流子壽命遠大于石墨烯中光生載流子的皮秒級壽命，因此量子點中的光生載流子有足夠時間沿垂直方向進入石墨烯溝道。光生空穴注入石墨烯，而光生電子則留在量子點薄膜中。溝道中的空穴密度增大了，因此漏源電阻減小了。當光生空穴從漏電極離開石墨烯溝道時，另一個光生空穴會從源極進入溝道，以代替原來的空穴。該循環一直持續到量子點中的光生空穴與光生電子通過復合作用完全消失的時候。由于量子點中的光生電子具有很長的壽命，而石墨烯則具有很高的載流子遷移率，因此該光探測器具有很高的增益，即每個光子會產生10⁸個電子，遠大于以前所提出的石墨烯基光探測器的小于1的效率。