[發明專利]一種四葉草形天線的石墨烯光電探測器及制備方法

在審

• 申請號: 202011292424.1
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112331736A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 王林;侯時聰;郭萬龍;陳效雙;陸衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0352;H01L31/028;H01L31/18
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種四葉草形天線的石墨烯光電探測器及制備方法。器件制備步驟是將化學氣相沉積生長的石墨烯轉移到有SiO₂氧化層的Si襯底上，利用紫外光刻技術制作源、漏和頂柵電極，并利用氧刻、原子層沉積、濕法腐蝕等工藝，制備成具有四葉草形天線的石墨烯光電探測器。利用獨特的四葉草形天線結構，增強光的吸收并產生非對稱的耦合電場，從而顯著增強了探測器的源漏定向電流，大幅提高了器件的信噪比和探測能力。四葉草形結構的石墨烯光電探測器在太赫茲及微波頻段段均顯示了超高的探測率。本發明的優點是探測率高，響應快，功耗低和便于集成化。

技術領域

本發明涉及一種四葉草形天線的石墨烯光電探測器的設計與測試，具體是指利用單層石墨烯的高載流子遷移率，并通過獨特的四葉草形天線結構產生源漏定向電場來增大響應電流，提高器件的信噪比和探測能力。

背景技術

石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。石墨烯，即單層石墨，是碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，是一種零帶隙半金屬，與金屬、半導體、絕緣體均不相同。石墨烯具有諸多優越的光學和電學性能，如超高的載流子遷移率、可調控的電導率和極高的透光率，具備半導體、光電和透明導電等特性，作為光電子器件可以在光電晶體管、生化傳感器、電池電極材料和復合材料的方面有著很高的應用價值。近年來，人們對石墨烯的研究和關注越來越多，新的發現層出不窮，在研究其制備方法和性質時，它的應用領域也在逐漸擴大。基于石墨的這些優異的物理性質，在光電探測器這一領域備受矚目。然而，也正是由于石墨烯獨特的結構導致其自身較低的光吸收率，從而嚴重影響了器件的光探測性能。因此，迫切需要研究一種特殊的器件結構來增強對光的吸收以及將光轉換成電場的強度，從而提高器件的信噪比和探測能力。

為了解決上述問題，本發明提出了一種四葉草形天線結構的單層石墨烯光電探測器及其制備方法。該方法是結合四葉草天線結構和單層石墨烯制備成的光電探測器，非對稱結構有助于形成較強的局域源漏光場，太赫茲波段光子能量被石墨烯吸收，熱載流子在碰撞過程通過光學聲子失去能量，最后形成電子與聲子能量弛豫過程，導致自由載流子溫度T_e比晶格溫度T_L高得多。由于石墨烯的自由載流子溫度分布不均勻和金屬天線的高熱導率，石墨烯中的熱載流子由于熱梯度向兩邊擴散，石墨烯中形成內建電勢△Μ(x)＝S△T。另外，柵控電子溝道為石墨烯中的二維電子氣。特殊設計的天線結構在電子溝道內感應出水平和垂直溝道的電場，分別調控電子的漂移速度和電子濃度，引起太赫茲波的混頻，從而在電子溝道內產生定向的混頻電流。通過柵極進一步調控石墨烯材料中的熱載流子，促進熱載流子的分布去捕獲更多的電荷，使器件具有高的光增益，提高了器件的信噪比和探測能力。

發明內容

本發明提供了一種四葉草形天線的石墨烯光電探測器及制備方法。該探測器利用獨特的不對稱天線結構，加柵壓產生的靜電場來調控單層石墨烯溝道中的載流子濃度，顯著增強了探測器的定向電流，大幅提高了探測器的靈敏度。

所述的探測器的結構為：在Si襯底1上是SiO2氧化層2，在SiO2氧化層2上有單層石墨烯3，源電極4和漏電極5位于單層石墨烯3兩端，氧化鋁薄膜6覆蓋在單層石墨烯3、源電極4和漏電極5上，并且保證每個電極有部分裸露在外，在氧化鋁薄膜6上有柵電極7，所述的柵電極7位于源電極4和漏電極5的之間，柵電極7和源電極4構成了四葉草形天線結構；

所述Si襯底1是高阻硅，電阻率大于10000Ω·cm；

所述的單層石墨烯3長度是6μm到10μm，寬度是4μm。

本發明的一種四葉草形結構的單層石墨烯光電探測器的制備方法如下：

1.采用化學氣相沉積方法在銅箔上生長制備單層石墨烯，利用XRD、SEM、TEM、EDS等對石墨烯的微觀形貌、結構及物性進行表征；