[发明专利]一种以氟化氮掺杂石墨烯为吸收层的紫外雪崩光电探测器

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种以氟化氮掺杂石墨烯为感光材料，氮掺杂石墨烯/氟化氮掺杂石墨烯/氮掺杂石墨烯(MSM)结构的紫外雪崩光电探测器(APD)及制备方法。

背景技术

氮掺杂石墨烯是由单层sp2杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，氮掺杂石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。氮掺杂石墨烯和半导体接触可以形成肖特基结，制备工艺简单，在光电探测领域有广泛应用。

氟化氮掺杂石墨烯是氮掺杂石墨烯的衍生物，利用氟化氙(XeF2)，六氟化硫(SF6)和八氟环丁烷(C4F8)等含氟气体对氮掺杂石墨烯进行氟化，可以制备氟化氮掺杂石墨烯。通过改变氮掺杂石墨烯的氟化率，可以将氮掺杂石墨烯由导体变为半导体或者绝缘体。氮掺杂石墨烯氟化后禁带宽度可从0.0eV增加到3.0eV。氟化氮掺杂石墨烯是一种宽禁带半导体，可以吸收紫外光而透过可光，适合作为紫外光电探测器的感光材料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以氟化氮掺杂石墨烯为吸收层的紫外雪崩光电探测器及制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种以氟化氮掺杂石墨烯为吸收层的紫外雪崩光电探测器，包括衬底、金属电极、氮掺杂石墨烯叉指电极和氟化氮掺杂石墨烯；其中，所述衬底的上表面两侧分别覆盖一金属电极；在两个金属电极之间的衬底的上表面、两个金属电极的上表面和内侧壁上覆盖氮掺杂石墨烯叉指电极，金属电极上表面的氮掺杂石墨烯 叉指电极的两翼的覆盖范围小于金属电极的边界；在两个金属电极之间的衬底和氮掺杂石墨烯叉指电极的上表面覆盖氟化氮掺杂石墨烯。

进一步地，所述的衬底为绝缘材料，选自二氧化硅、云母、PDMS或PI。

进一步地，所述的金属电极是金属薄膜电极，材料为铝、金或金铬合金。

进一步地，所述的氮掺杂石墨烯叉指电极为单层或多层氮掺杂石墨烯，形状为叉指。

进一步地，所述的氟化氮掺杂石墨烯为单层或多层氟化氮掺杂石墨烯。

制备上述以氟化氮掺杂石墨烯为吸收层的紫外雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤：

(1)采用二氧化硅或云母作为绝缘的衬底，或者在硅衬底上旋涂PDMS或PI形成均匀的薄膜，加热让其固化，形成柔性的衬底；

(2)在衬底表面光刻出金属电极图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm和的Cr黏附层，然后生长50nm的Au电极；

(3)氮掺杂石墨烯薄膜的制备：采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备氮掺杂石墨烯薄膜；

(4)在两个金属电极之间的衬底的上表面、两个金属电极的上表面和内侧壁上覆盖氮掺杂石墨烯薄膜；其中，氮掺杂石墨烯的转移方法为：将带有铜箔基底的氮掺杂石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撑的氮掺杂石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撑的氮掺杂石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到两个金属电极之间的衬底的上表面、两个金属电极的上表面和内侧壁上；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4∶HCl∶H2O＝10g∶50ml∶50ml；

(5)对步骤(4)中转移的氮掺杂石墨烯薄膜光刻出叉指电极图形，将光刻好的氮掺杂石墨烯薄膜放入反应离子刻蚀系统真空腔室，通入氧气对氮掺杂石墨烯薄膜进行刻蚀，获得氮掺杂石墨烯叉指电极；

(6)氟化氮掺杂石墨烯的制备和转移方法，具体方法如下：

(a)将带有铜箔基底的氮掺杂石墨烯薄膜进行氟化：将氮掺杂石墨烯薄膜放入反应离子刻蚀系统的真空腔室中，采用六氟化硫等离子体对氮掺杂石墨烯薄膜表面进行氟化，形成氟化氮掺杂石墨烯；

(b)将步骤(a)中形成的氟化氮掺杂石墨烯转移至两个金属电极之间的衬底和叉指电极的上表面；其中，氟化氮掺杂石墨烯薄膜的转移方法与步骤(4)中氮掺杂石墨烯的转移方法相同。

(7)当采用柔性的衬底时，揭下制备有氟化氮掺杂石墨烯为吸收层的紫外雪崩光电探测器的PDMS或者PI。