[发明专利]一种宽频谱柔性光电探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及柔性探测技术领域，尤其是涉及一种宽频谱柔性光电探测器及其制作方法。

背景技术

对于光电探测器而言，探测频谱宽度和响应速度是衡量其性能的生要参数。传统的硅基和砷化镓基的光探测器的波谱范围和探测带宽受到其能带和载流子迁移率的限制，难以实现超快的宽带吸收的光电探测，即传统的光电探测器不能满足某些对器件性能要求严格的应用场合。

和传统的光电探测器的制备材料相比，石墨烯具有优异的光学及电学特性。在可见光范围内，单层石墨烯能透过约97.7％的入射光；石墨烯具有优异的导电性能，其理论载流子迁移率远高于硅。这些优异的性能促使石墨烯在光电探测领域具有广泛的应用前景。

同时，石墨烯具有独特二维平面结构和狄拉克锥形电子能带结构、以及紫外到近红外的宽谱光吸收特性。石墨烯的狄拉克能带结构将导致光生载流子倍增效应，避免了传统半导体pn结光电转换过程中热电子热能的损失，具有高速高效光电检测性能。同时由于用石墨烯制作的光电探测器可以实现在很宽的波长范围内实现探测。采用石墨烯构建的光电探测器，具有探测波谱范围宽、超快响应速度的工作特性。

另一方面，石墨烯主要是由单层或几层碳原子薄膜支撑，是世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，其具有高达～1.0TPa的杨氏模量，有很好的机械韧性。将大面积生长的石墨烯薄膜转移到任意柔性材料上，可随之弯曲、折叠，对石墨烯的柔性特征的应用可获得可弯曲伸展的柔性光电探测器。与传统光电探测相比，柔性探测技术拥有众多优点：

(1)器件可弯曲与伸展，由此可诞生众多新型应用领域

(2)可以在柔性和大面积衬底上采用大规模印刷技术加工实现，生产成本低廉；

(3)加工设备简单，前期投入成本低；

(4)加工过程属于低温工艺，工艺简单，不会对环境造成污染。

中国专利CN 102473844A公开了一种使用栅极氧化物层上的单层或多层石墨烯作为光子探测层的光探测器。公开了具有源极、漏极和栅极电极的不同配置的多个实施方式。另外，公开了包含多个光探测元件的光探测器阵列，用于诸如成像和监控等应用。在石墨烯层之下的光波导可嵌入衬底或栅极氧化物层内，以将光子引导至石墨烯层。在该发明中，背栅极由硅背栅极(重掺杂或轻掺杂)组成，由于硅材料特性，此发明公开的光探测器不具有柔性特征，发明不可被弯曲折叠，而本发明公开的宽频谱柔性探测器采用柔性衬底及柔性介质层，器件可弯曲与伸展，由此可诞生众多新型应用领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可弯曲折叠、弯折后器件的电学性能保持不变的宽频谱柔性光电探测器及其制作方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种宽频谱柔性光电探测器，自下而上依次包括：

柔性衬底层，

在柔性衬底层上生长的金属电极层，该金属电极层为栅极，

在金属电极层上覆盖生长的介质层，

生长或转移覆盖在介质层上的石墨烯层，

在石墨烯层的两端设置的第一金属电极和第二金属电极，所述的第一金属电极为源电极，所述的第二金属电极为漏电极。

所述的柔性衬底层为超薄玻璃、高分子聚合物或金属箔片，所述的高分子聚合物为聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

所述的金属电极层为通过电子束蒸发生长在柔性衬底层上的金层，厚度在200nm以内。

所述的介质层为有机材料层、透明Al₂O₃层或铁电介质层，厚度在50nm以内，其中，有机材料为聚四乙烯苯酚、聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

石墨烯沟道被转移放置在介质层上。所述石墨烯层为单层或多层石墨烯，其厚度为5nm以内。

所述的第一金属电极和第二金属电极的材料为金、铝或钛，厚度为10-100nm。

在源电极和漏电极之间施加固定偏压，源栅电极之间施加栅极电压；当光波垂直入射衬底时，石墨烯吸收入射光子产生载流子，通过调节栅极电压来调制所述石墨烯层的光电流，进而产生外部信号达到探测的目的。因为石墨烯禁带宽度为零，在室温下具有超高电子迁移率、很低的电阻率，发明能够实现光谱带宽、响应迅速的光电探测。同时因光电探测器采用柔性衬底，发明中使用的主要材料均具有可弯曲特性，故本发明属于柔性电子器件，探测器的形状可弯曲折叠，应用灵活。

宽频谱柔性光电探测器的制作方法，采用以下步骤：