[发明专利]一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器及其制作方法

说明书

本发明公开一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器，包括单晶硅衬底；形成于单晶硅衬底上的应力层；形成于应力层上的异质结，异质结包括顺序设置的栅电极、第一石墨烯层、介电层、第二石墨烯层、与栅电极平行且等距的源电极和漏电极层结构；应力层使得异质结自组装为微管式三维结构；在上述结构上形成电流测量回路。本发明还公开一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法。通过三维微管结构可以大幅度减小芯片的占用面积，提高单层石墨烯的光吸收率以及光利用率，大幅提高石墨烯光探测器的响应度。

技术领域

本发明涉及光探测器技术领域。更具体地，涉及一种微型超宽带光探测器及其制作方法。

背景技术

光探测器是一种把光信号转换为电信号的光功率测量设备，能检测出入射到其面上的光功率，并把这个光功率的变化转化为相应的电流。其中，超宽带光探测器通过将适用于不同波段的多个探测器集成在一起来实现超宽带光检测，可以同时探测不同波段例如紫外、可见光、红外甚至是太赫兹波的电磁波辐射，在红外成像、遥感、环境监测、天文探测、光谱分析等诸多领域有着非常重要作用。但是，由于超宽带光探测器大多是通过将适用于不同波段的多个探测器集成在一起来实现超宽带光检测的，导致其器件结构和工艺相当复杂。

作为一种二维晶体材料，石墨烯具有优异的电学、力学、热学和光学性能，而且其独特的零带隙能带结构使得超宽带光探测器的实现成为可能。将石墨烯应用在光探测器中的难点在于石墨烯中的光生载流子寿命(亚皮秒)极短。近年来，为实现基于石墨烯的超宽带光探测器，科研工作者通过制作石墨烯-金属结或者石墨烯p-n结，结内的内建电场可以有效的将石墨烯中的光激发电子-空穴(光生载流子)快速分离，从而有效的提取到光电流。2009年，Xia等人首次利用机械剥离石墨烯的方法，制备了金属/石墨烯/金属光电测器，在40GHz的调制频率范围内，光响应无衰退现象。然而，由于光电流只在石墨烯/金属结或者石墨烯p-n结的亚微米范围内产生，石墨烯有效感光面积较小，再加上单层石墨烯对光的吸收率较低(2.3％)，导致石墨烯光探测器的响应度很低。

为提高石墨烯光探测器的响应度，研究人员将石墨烯与量子点或者微腔相结合。2012年Konstantatos等人在背栅石墨烯场效应管器件上旋涂一层PbS量子点，量子点与石墨烯的结合充分发挥了石墨烯高迁移率和量子点光吸收的优势。当光照射在器件上时，量子点中所产生的光生空穴转移到下层的石墨烯沟道层，与此同时量子点中的带负电的光生电子会对石墨烯沟道形成一个很强的负的内建电场进一步增大沟道电导实现高增益(photogating)。然而，由于其探测原理的限制，响应度的增强只发生在与量子点或者微腔产生谐振的波段，即探测光谱范围极为有限，从而严重限制了其在宽带检测领域的应用。

因此，需要提供一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器及其制作方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器及其制作方法，通过三维微管结构可以在大幅度减小芯片的占用面积，提高单层石墨烯的光吸收率以及光利用率，大幅提高石墨烯光探测器的响应度。本发明的一个目的在于提供一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，包括：

制备单晶硅衬底1；

在单晶硅衬底1上形成牺牲层；

在牺牲层上形成应力层3；

在应力层3上制备栅电极8；

在应力层3和栅电极8上形成第一石墨烯层4；

在第一石墨烯层4上形成介电层5；

在介电层5上形成第二石墨烯层6；

在第二石墨烯层6上制备与栅电极8平行且等距的源电极9和漏电极7；