[发明专利]石墨烯光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体而言，涉及一种基于石墨烯薄膜的光电探测器。

背景技术

2004年，石墨烯由曼彻斯特大学Andre Geim教授领导的研究小组最先发现。它是目前已知最薄的一种材料(只有单个碳原子层厚)，并且具备极高的载流子迁移率(本征迁移率～200，000cm²v^-1s^-1)、非常好的低维稳定性、超宽的光谱吸收范围、以及电子浓度的电场可调制性，被认为是极具潜力的电子/光电子材料，因而在多个领域都有极其广泛的应用，如可用于制备高性能场效应晶体管等微电子器件，太阳能电池、光电探测器(尤其是红外光探测)等光电器件等。然而，石墨烯的零带隙能带结构导致了其较低的光学吸收(～2.3％)以及电子空穴对分离效率，进而限制了其光电探测性能(本征石墨烯的响应率只有～6mA W^-1)。

半导体纳米结构(如量子点，纳米管，纳米线/棒等)具有随尺寸可调的光学特性，极高的光学吸收及荧光发射量子效率，以及可靠的光学稳定性，可以用于制备高性能光电器件。然而，半导体纳米结构特别是量子点普遍具有较低的电子迁移率(1×10^-3to 10cm²v^-1s^-1)，这也限制了其光电性能的进一步提高。石墨烯具有非常大的比表面积以及优异的电学性能，将其与半导体纳米材料复合可充分利用石墨烯优异的电学性能以及半导体纳米材料突出的光学特性，有望能极大的提升光电性能。

到目前为止,基于石墨烯与半导体纳米结构的光生伏特、光探测以及发光器件也相继被报道，并指出复合结构的引入能有效的提升光电器件的性能。在该复合结构体系中,采用photo-gating机制，使得该类型的石墨烯光电导探测器(半导体量子点-石墨烯复合结构)具有超高的光增益(10⁸)，从而在光探测灵敏度方面占据相当突出的优势。然而，这种机制存在着很大的局限，即光电转换中存在的电荷转移和/或电荷捕获过程，导致响应速率极低，在毫秒，甚至秒以上。而许多的应用领域，如光学定位、遥感、生物医学成像、都亟需在不同需求的工作波段下实现快速、高灵敏度兼具的光电探测性能。因此，通过避免光吸收材料与石墨烯直接接触，引入电荷转移或电荷捕获过程，研发出在不同工作波段下兼具快速响应和高灵敏度的石墨烯光电探测器，同时满足各个领域的应用需求变得极为需要，也将具有巨大的商业前景。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种石墨烯光电探测器，利用半导体纳米结构层-硅的界面效应，有效地调制石墨烯的载流子浓度，极大地提升石墨烯器件的光电响应。

一种石墨烯光电探测器，其中源极和漏极连接外部电源，1层或1层以上的石墨烯电子传输层设置在绝缘介质层之上；绝缘介质层下方依次设有半导体纳米结构层和栅电极层；所述半导体纳米结构层为1层或1层以上；所述漏极和栅电极层通过栅电源连接。

优选地，源极和漏极采用由50nm厚的金层与5nm厚的镍层组成的复合电极。

优选地，绝缘介质层选用50-200nm的SiO₂，Al₂O₃或HfO₂。

优选地，石墨烯电子传输层为1-10层。

优选地，半导体纳米结构层采用CdSe，CdS或PbS半导体材料，单层厚度为3-8nm。

优选地，半导体纳米结构层为两层以上。

优选地，栅电极层采用Si、Ge或HgCdTe。

本发明提供的石墨烯光电探测器，通过采用特定的结构设置，使其具有极优异的光灵敏度，响应时间快，且在保障这二者光电性能稳定的前提下，依据采用量子点类别，尺寸的不同，工作波段可选择。该探测器成功地突破了石墨烯光电器件在超高速，超灵敏度响应，以及工作波段灵活选择性，三者光电重要性能之间瓶颈。此外，当前的器件结构并不需要复杂的制备工艺，且与现今成熟的硅技术和半导体纳米结构的制备技术完全兼容。

附图说明

图1为本发明的石墨烯光电探测器结构示意图；

其中，1-漏极，2-石墨烯电子传输层，3-源极，4-绝缘介质层，5-半导体纳米结构层，6-栅电极层，7-栅电源，8-外部电源，9-电流表。

具体实施方式