[发明专利]一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器及其制备方法

说明书

本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器及其制备方法，该光电探测器结构为：绝缘衬底、金属电极、石墨烯导电沟道和半导体吸光层。发明提出的基于超短沟道石墨烯的光电探测器，利用聚焦氦离子束加工亚10纳米石墨烯导电沟道，可提高石墨烯载流子迁移率，实现超短的渡越时间；同时，石墨烯/半导体复合结构有效地提升载流子分离效率，增大载流子的寿命。通过充分发挥石墨烯高迁移率和复合结构有效分离载流子的优势，实现高增益的光电探测器。本发明提供的光电探测器具有轻薄、增益高、响应度大、工艺重复性佳、易集成等优点，可应用于微弱光探测，是一种极具实用性的光电探测器结构。

技术领域

本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器是一种把光信号转换为电信号的器件。根据器件对光辐射响应方式的不同，光电探测器可分为光电导型、内建电场光伏型、光热电型和测辐射热计型。根据可探测光波段的不同，光电探测器可分为紫外光电探测器、可见光电探测器以及红外光电探测器。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途，紫外光电探测器主要用于紫外通讯、臭氧监测、明火探测、生物医药分析等方面，可见光电探测器可用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等方面，红外光电探测器则主要用于导弹预警及制导、红外遥感和红外热成像等方面。

硫化镉、钙钛矿、硫化铅、硒化铅等半导体纳米材料由于高的光吸收效率，而被广泛用作光电导型光电探测器的吸光材料。然而，该种光电探测器无法实现电子和空穴的有效分离和电荷的稳定捕获，在吸光层中光诱导产生的电子空穴对在几皮秒内快速复合，导致载流子寿命低，器件增益小。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维材料，碳原子以sp2杂化轨道组成六角型蜂窝状晶格结构。石墨烯薄膜具有电阻率低、载流子迁移率大、吸收光谱宽、响应时间快等优良特性。研究人员将石墨烯与半导体吸光材料相结合，形成复合结构，石墨烯中的电子转移至近端吸光层，填充由光子吸收产生的吸光材料价带中的空态，使得吸光层中光激发产生的电子空穴对复合受到抑制，吸光材料中的电子保留在导带中而不会衰减。同时，石墨烯与半导体吸光材料所形成的异质结可实现光生载流子的有效分离，使得载流子寿命增大，进而导致器件增益和响应度的协同增加。

石墨烯与半导体吸光材料相复合，可有效抑制电子空穴对复合，但渡越时间仍然较长，限制了光电探测器性能。因此，寻找新的解决方法来缩短载流子渡越时间，对复合结构光电探测器的发展显得至关重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器及其制备方法，通过构筑亚10纳米石墨烯导电沟道，激发石墨烯的高载流子迁移率特性，降低载流子渡越时间，从而获得高增益、高响应度的光电探测器。

本发明提供一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器，该器件从下往上依次包括：绝缘衬底；建立在所述绝缘衬底上的金属电极，该金属电极包括金属大电极和沟道电极，用于测试时探针接触的金属大电极与决定沟道线宽的沟道电极相连接；覆盖所述沟道电极的石墨烯导电沟道层；位于所述导电沟道上方的半导体吸光层。

进一步，所述绝缘衬底包括：带有二氧化硅层的硅片。

进一步，所述金属电极中的金属大电极包括：铬/金、铬/银、铬/铝，其中，铬位于绝缘衬底之上，金、银、铝薄膜位于铬之上。

进一步，所述铬的厚度为10nm，金、银、铝薄膜的厚度为100-150nm。

进一步，所述金属电极中的沟道电极材料包括：金、银。由于决定沟道线宽的电极间距在纳米尺度，从沟道加工的深宽比考虑，沟道电极的厚度需远小于外围金属大电极，同时考虑超薄金属膜的连续性问题，金、银的厚度为5-10nm。对此沟道电极进行图形化，实现亚10纳米的电极间距。

进一步，所述石墨烯导电沟道层的层数为1-3。