[發(fā)明專利]一種“三明治”型超快光電探測金屬超結(jié)構(gòu)的制作方法

有效

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• 申請日: 2016-12-02
• 公開（公告）號: CN106409984B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設計）人: 王紅亮;閆樹斌;張志東;王繼成;趙學峰;崔建功;薛晨陽;張文棟
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/09
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務所(普通合伙)14100
• 代理人: 朱源

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學領(lǐng)域和微納系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種“三明治”型超快光電探測金屬超結(jié)構(gòu)的制作方法。

背景技術(shù)

隨著海陸空一體化戰(zhàn)略的迅速發(fā)展，“高超”武器的突破性進展，使得目標運動速度大大加快，大量航空航海裝備對跟蹤系統(tǒng)的跟蹤動態(tài)性能、快速紅外成像識別技術(shù)提出了更高的要求。在越來越激烈的海洋爭端中，實現(xiàn)對特定光信號的探測與響應、快速成像顯示至關(guān)重要，快速響應光電探測器是實現(xiàn)艦船預警跟蹤、軌跡預測、近程監(jiān)視、艦船識別、海岸成像、夜間導航、精確定位的關(guān)鍵。針對海上復雜的氣候條件，中波紅外（3-5μm）和長波紅外（8-12μm）波段的波被大氣中的水蒸氣和二氧化碳吸收最少，但是，各自波段紅外探測的性能都有一定的缺陷。8-12μm窗口比3-5μm窗口對目標和背景間的微小溫度差更加敏感，能實現(xiàn)長距探測，但是在潮濕條件下其性能下降極其嚴重。而3-5μm窗口對潮濕環(huán)境敏感性要低很多，但是在溫度低于20度是性能變差且易受陽光閃爍的影響。所以，必須實現(xiàn)對中波紅外和長波紅外協(xié)作探測的快速探測，以適應瞬息萬變的海上作戰(zhàn)環(huán)境。

石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)已經(jīng)被證明具有獨特的結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的光電性能，以及優(yōu)異的光伏特性，可以被應用在光電探測領(lǐng)域。以往的研究中，石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)由于存在較高的暗電流，從而影響了其作為光電探測器的探測能力。石墨烯光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是突破超快光電探測技術(shù)的瓶頸所在，石墨烯薄膜產(chǎn)生的光生載流子壽命太短（1ps），未能解決石墨烯產(chǎn)生的光生載流子在其壽命內(nèi)有效收集的關(guān)鍵問題。因此，急需采用新材料、新理論、新技術(shù)來開發(fā)制造新一代的慣性導航器件的高精度部件。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前采用石墨烯制作的光電探測器由于光生載流子較少使得靈敏度受限、傳輸速度較慢等問題，本發(fā)明提出了基于表面生長一層二氧化硅的硅基片的石墨烯薄膜-貴金屬超材料結(jié)構(gòu)-石墨烯薄膜的一種“三明治”型超快光電探測金屬超結(jié)構(gòu)的制作方法。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種“三明治”型超快光電探測金屬超結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟：

第一步：將第一層石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到表面生長一層二氧化硅的硅基片上；

第二步：在第一層石墨烯薄膜上勻一層負光刻膠；

第三步：采用電子束曝光系統(tǒng)對第一層石墨烯薄膜上的負光刻膠進行曝光，并進行顯影、定影處理，在負光刻膠層上得到由若干間隔距離為納米量級的方形凹槽組成的槽陣列；

第四步：利用電子束熱蒸發(fā)技術(shù)向方形凹槽內(nèi)沉積金屬Ag；

第五步：采用剝離工藝將負光刻膠去除，則在石墨烯薄膜上得到由若干間隔距離為納米量級的金屬Ag組成的金屬Ag陣列結(jié)構(gòu)；

第六步：利用磁控濺射薄膜沉積系統(tǒng)向第一層石墨烯薄膜上沉積電介質(zhì)層TiO₂，電介質(zhì)層TiO₂將金屬Ag陣列結(jié)構(gòu)覆蓋（金屬Ag的頂面裸露）；

第七步：在電介質(zhì)層和第一層石墨烯薄膜上位于電介質(zhì)層兩側(cè)的位置勻一層正光刻膠；

第八步：采用套刻工藝對正光刻膠曝光、顯影、定影，將第一層石墨烯薄膜上電介質(zhì)層TiO₂兩側(cè)的正光刻膠去除；

第九步：利用納米團生長工藝在第一層石墨烯薄膜上生長一層金屬Au作為電極薄膜，該電極薄膜位于電介質(zhì)層TiO₂的兩側(cè)；

第十步：利用剝離工藝將正光刻膠去除；

第十一步：將第二層石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至電介質(zhì)層TiO₂上，最終得到石墨烯薄膜-貴金屬超材料結(jié)構(gòu)-石墨烯薄膜的“三明治”型金屬超結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明制得的金屬超結(jié)構(gòu)中夾心層的貴金屬超材料結(jié)構(gòu)具有的納米級間隙使得光生載流子在電極間的傳輸時間壓縮到亞皮秒量級，故貴金屬超材料結(jié)構(gòu)的加入能夠使得石墨烯產(chǎn)生的光生載流子在其壽命內(nèi)得到有效的收集，其光響應時間達到納秒量級，從而實現(xiàn)了超快速的光電探測。金屬超結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高靈敏的原理一方面是貴金屬超材料結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振（SPR）效應能夠有效增強石墨烯薄膜的吸光性能，使得石墨烯薄膜產(chǎn)生有效應的光生載流子，另一方面，貴金屬超結(jié)構(gòu)的SPR效應能夠進一步增強石墨烯薄膜光生載流子的產(chǎn)生。這兩方面導致光生載流子增加的機理使得該光電探測器能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏的探測性能。

因此，本發(fā)明開展表面等離激元共振效應實現(xiàn)超快、高靈敏超快光電探測的研究工作具有非常重要的研究意義和潛在應用價值，將墨烯薄膜-貴金屬超材料結(jié)構(gòu)-石墨烯薄膜的“三明治”型結(jié)構(gòu)應用于光電探測技術(shù)中具有很好的創(chuàng)新性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明原理示意圖。