[发明专利]一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺。该探测器包括二氧化硅/硅基底、底层石墨烯、底层金属纳米颗粒、源极、漏极、顶层石墨烯、顶层金属纳米颗粒和背栅。金属电极在两层石墨烯之间的夹层结构，形成双活性层。两层金属纳米颗粒修饰两层石墨烯的结构，实现对双波段、多波段光电响应增强。通过分别调控两层金属纳米颗粒，改变金属纳米颗粒的尺寸、材料及颗粒间距，实现对特定波长入射光选择性吸收增强及多波段的选择性光电探测。背栅电压调控进一步增强光的吸收，提高响应度。该探测器制备工艺简单，实现了室温下的高速、高灵敏、多波段探测，有效解决了双波段、多波段探测的迫切需求。

技术领域

本发明属于材料学科、半导体光电器件及微纳制造领域，具体涉及一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺。

背景技术

光电探测器不仅在军事、国防和国民经济的各个领域有广泛用途，更是已经渗透到许多学科领域，并得到迅猛发展。如：夜视侦查、武器瞄具、材料缺陷的检测、设备状态热诊断、生产过程监控、减灾防灾等诸多方面。石墨烯作为一种新兴的二维材料，应用在光电探测领域能够探测从紫外到可见光再到红外的整个光谱。石墨烯光电探测器克服了第三代探测器如碲镉汞(HgCdTe)等需低温制冷、探测频段范围窄的缺陷，使在室温下的超快、全波段的光电探测成为可能。然而，单层石墨烯光吸收率仅为2.3％，导致石墨烯探测器的响应度低。近年来，对多波段探测的需求，也迫切需要改进及研制出一种新型探测器。提高石墨烯与光相互作用并充分发挥石墨烯宽光谱探测的优点，实现双色、多色、宽光谱探测，对现有石墨烯光电探测器的性能提升及应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺，以解决现有石墨烯光电探测器响应度低、量子效应低、不能多波段高响应探测的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器，包括二氧化硅/硅基底、底层石墨烯、底层金属纳米颗粒、源极、漏极、顶层石墨烯和顶层金属纳米颗粒；其中，底层石墨烯设置于二氧化硅/硅基底表面上，源极和漏极分别设置于底层石墨烯表面上的两侧，底层金属纳米颗粒设置于源极和漏极之间的底层石墨烯表面上，顶层石墨烯设置于源极、漏极以及底层金属纳米颗粒的表面上，顶层金属纳米颗粒设置于顶层石墨烯表面上；二氧化硅/硅基底上的硅一侧还设置有背栅。

本发明进一步的改进在于，通过在源极和漏极上转移顶层石墨烯，实现由单活性层变为双活性层。

本发明进一步的改进在于，金属纳米颗粒为金、银和铜在内的能够激发局域表面等离激元的金属纳米颗粒。

本发明进一步的改进在于，通过分别调控两层金属纳米颗粒，改变金属纳米颗粒的尺寸、材料及颗粒间距实现对设定波长入射光选择性吸收增强及多波段的选择性光电探测。

一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1)在二氧化硅/硅基底上的硅一侧制备背栅；

2)采用化学气相沉积法生长石墨烯并转移到二氧化硅/硅基底上；

3)在步骤2)的石墨烯上利用电子束蒸发沉积一层金属纳米薄膜；

4)将沉积金属纳米薄膜后的样品在氮气氛围下退火，得到底层金属纳米颗粒；

5)在底层金属纳米颗粒两侧的石墨烯两端制备金属电极；

6)在金属电极上转移一层化学气相沉积法生长的石墨烯；

7)在步骤6)转移的石墨烯上利用电子束蒸发沉积一层金属纳米薄膜；

8)将步骤7)沉积金属纳米薄膜后的样品在氮气氛围下退火，得到顶层金属纳米颗粒；