[發(fā)明專利]石墨烯光電探測器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610392574.7
• 申請日: 2016-06-03
• 公開（公告）號: CN105895729B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梁錚;倪振華;丁榮;梁賀君;陳谷一;袁文軍;王陽暉
• 申請（專利權(quán)）人: 泰州巨納新能源有限公司
• 主分類號: H01L31/112
• 分類號: H01L31/112;H01L31/0328;B82Y30/00
• 代理公司: 北京文苑專利代理有限公司11516
• 代理人: 王煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電探測技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于石墨烯薄膜的光電探測器。

背景技術(shù)

2004年，石墨烯由曼徹斯特大學(xué)Andre Geim教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最先發(fā)現(xiàn)。它是目前已知最薄的一種材料(只有單個碳原子層厚)，并且具備極高的載流子遷移率(本征遷移率～200，000cm²v^-1s^-1)、非常好的低維穩(wěn)定性、超寬的光譜吸收范圍、以及電子濃度的電場可調(diào)制性，被認(rèn)為是極具潛力的電子/光電子材料，因而在多個領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用，如可用于制備高性能場效應(yīng)晶體管等微電子器件，太陽能電池、光電探測器(尤其是紅外光探測)等光電器件等。然而，石墨烯的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其較低的光學(xué)吸收(～2.3％)以及電子空穴對分離效率，進而限制了其光電探測性能(本征石墨烯的響應(yīng)率只有～6mA W^-1)。

半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)(如量子點，納米管，納米線/棒等)具有隨尺寸可調(diào)的光學(xué)特性，極高的光學(xué)吸收及熒光發(fā)射量子效率，以及可靠的光學(xué)穩(wěn)定性，可以用于制備高性能光電器件。然而，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)特別是量子點普遍具有較低的電子遷移率(1×10^-3to 10cm²v^-1s^-1)，這也限制了其光電性能的進一步提高。石墨烯具有非常大的比表面積以及優(yōu)異的電學(xué)性能，將其與半導(dǎo)體納米材料復(fù)合可充分利用石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能以及半導(dǎo)體納米材料突出的光學(xué)特性，有望能極大的提升光電性能。

到目前為止,基于石墨烯與半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光生伏特、光探測以及發(fā)光器件也相繼被報道，并指出復(fù)合結(jié)構(gòu)的引入能有效的提升光電器件的性能。在該復(fù)合結(jié)構(gòu)體系中,采用photo-gating機制，使得該類型的石墨烯光電導(dǎo)探測器(半導(dǎo)體量子點-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu))具有超高的光增益(10⁸)，從而在光探測靈敏度方面占據(jù)相當(dāng)突出的優(yōu)勢。然而，這種機制存在著很大的局限，即光電轉(zhuǎn)換中存在的電荷轉(zhuǎn)移和/或電荷捕獲過程，導(dǎo)致響應(yīng)速率極低，在毫秒，甚至秒以上。而許多的應(yīng)用領(lǐng)域，如光學(xué)定位、遙感、生物醫(yī)學(xué)成像、都亟需在不同需求的工作波段下實現(xiàn)快速、高靈敏度兼具的光電探測性能。因此，通過避免光吸收材料與石墨烯直接接觸，引入電荷轉(zhuǎn)移或電荷捕獲過程，研發(fā)出在不同工作波段下兼具快速響應(yīng)和高靈敏度的石墨烯光電探測器，同時滿足各個領(lǐng)域的應(yīng)用需求變得極為需要，也將具有巨大的商業(yè)前景。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上問題，本發(fā)明提供一種石墨烯光電探測器，利用半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)層-硅的界面效應(yīng)，有效地調(diào)制石墨烯的載流子濃度，極大地提升石墨烯器件的光電響應(yīng)。

一種石墨烯光電探測器，其中源極和漏極連接外部電源，1層或1層以上的石墨烯電子傳輸層設(shè)置在絕緣介質(zhì)層之上；絕緣介質(zhì)層下方依次設(shè)有半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)層和柵電極層；所述半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)層為1層或1層以上；所述漏極和柵電極層通過柵電源連接。

優(yōu)選地，源極和漏極采用由50nm厚的金層與5nm厚的鎳層組成的復(fù)合電極。

優(yōu)選地，絕緣介質(zhì)層選用50-200nm的SiO₂，Al₂O₃或HfO₂。

優(yōu)選地，石墨烯電子傳輸層為1-10層。

優(yōu)選地，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)層采用CdSe，CdS或PbS半導(dǎo)體材料，單層厚度為3-8nm。

優(yōu)選地，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)層為兩層以上。

優(yōu)選地，柵電極層采用Si、Ge或HgCdTe。

本發(fā)明提供的石墨烯光電探測器，通過采用特定的結(jié)構(gòu)設(shè)置，使其具有極優(yōu)異的光靈敏度，響應(yīng)時間快，且在保障這二者光電性能穩(wěn)定的前提下，依據(jù)采用量子點類別，尺寸的不同，工作波段可選擇。該探測器成功地突破了石墨烯光電器件在超高速，超靈敏度響應(yīng)，以及工作波段靈活選擇性，三者光電重要性能之間瓶頸。此外，當(dāng)前的器件結(jié)構(gòu)并不需要復(fù)雜的制備工藝，且與現(xiàn)今成熟的硅技術(shù)和半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)完全兼容。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的石墨烯光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-漏極，2-石墨烯電子傳輸層，3-源極，4-絕緣介質(zhì)層，5-半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)層，6-柵電極層，7-柵電源，8-外部電源，9-電流表。

具體實施方式