[发明专利]基于双栅压调控的高增益石墨烯光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于双栅压调控的高增益石墨烯光电探测器及其制备方法。其中，该探测器包括从上至下地结构为顶层半导体、中间层绝缘介质、底层半导体的衬底；还包括漏极电极、源极电极、顶栅电极和底栅电极，漏极电极与源极电极分别设置在所述顶层半导体上方两端处；还包括在漏极电极与源级电极之间的器件沟道，覆盖在器件沟道上方的离子绝缘层；顶栅电极、底栅电极分别与漏极电极、源极电极连接，还分别与离子绝缘层、底层半导体连接。该探测器利用底栅极调控半导体薄膜内载流子的浓度和分布，同时顶栅通过离子凝胶调控石墨烯内载流子的浓度和类型，将响应波段从可见光拓展至近红外波段，在响应度增大的同时响应时间也得到加快。

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体为一种基于双栅压调控的高增益石墨烯光电探测器及其制备方法。

背景技术

随着光电子器件小型化，集成化，高性能的发展需求增加，石墨烯由于其优异的光电性能被认为是极具潜力的材料。

低的石墨烯光吸收率(2.3％)和短的载流子寿命(1ps)导致了石墨烯极低的量子效率，对于其应用在光电子器件一直是一项挑战。利用石墨烯本身作为吸光材料的光电探测器量子效率很低。

基于光栅压机理的石墨烯复合结构光电探测器为器件提供了增益，使其得到高的光响应度。然而增益的提升是基于陷阱效应，即以牺牲器件响应时间为代价。

由于石墨烯掺杂的不可控和界面接触的不稳定性，复合结构光电探测器性能通常难以达到可控，其界面耦合效果也难以达到最佳。

本发明的特点在于其结构和双栅调控机制，在保持其结构的条件下衬底材料可依据响应波段进行改变，且在任意的石墨烯掺杂情况下都可以达到很好的调控效果。

总的来说，响应度与响应时间的矛盾问题一直制约着石墨烯复合结构光电探测器的进一步发展，本发明提出的基于双栅压调控的高增益石墨烯光电探测器为问题的解决提供了参考方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于双栅压调控的高增益石墨烯光电探测器及其制备方法，为基于光栅压模式下的石墨烯复合结构光电探测器性能的优化提供了有效的方法。

本发明的技术方案为：

一种基于双栅压调控的高增益石墨烯光电探测器，包括衬底、金属电极、离子绝缘层、器件沟道。

其中，衬底从上至下地包括顶层半导体、中间层绝缘介质、底层半导体。金属电极包括漏极电极、源极电极、顶栅电极和底栅电极，漏极电极与源极电极设置在顶层半导体上方两端处。器件沟道在漏极电极与源级电极之间，且漏极电极与源极电极通过器件沟道相连接。离子绝缘层覆盖在器件沟道上方，顶栅电极、底栅电极分别与漏极电极、源极电极连接，还分别与离子绝缘层、底层半导体连接。

进一步的，顶层半导体厚度为220nm，中间层绝缘介质厚度为2μm，底层半导体厚度为450μm。

进一步的，顶层半导体和底层半导体材质为硅，或锗，或锗硅，或氮化镓，或铟镓砷，可根据探测波段进行选择。

进一步的，源极电极与漏极电极由3nm的铬和50nm的金组成，且二者之间间距为30μm。

进一步的，离子绝缘层为离子凝胶，厚度为50nm。离子凝胶为顶栅电极的绝缘介质，对离子聚合物施加偏压作为顶栅电压时，在与石墨烯的界面处形成了稳定的双电层，而没有发生化学反应，这养就能够通过电荷载流子密度来操纵石墨烯的性质。

进一步的，器件沟道为石墨烯条带，所述石墨烯条带为单晶石墨烯，经霍尔测试仪表征测得迁移率为11218cm²V^-1s^-1、载流子浓度为7×10¹¹/cm²，掺杂类型为P型。