[发明专利]从远红外到太赫兹波段连续可调的双层石墨烯光电探测器

说明书

本发明公开了一种从远红外到太赫兹波段连续可调的双层石墨烯光电探测器，双层石墨烯电子传输层封装在上下两层六角氮化硼之间，构成范德瓦尔斯异质结；所述异质结下方放置了石墨作为背栅，异质结上方放置石墨烯作为顶栅，异质结两侧搭载有源极和漏极。本发明利用BN封装并且石墨烯透明顶栅和石墨背栅构成双栅调控，有效地提高石墨烯的载流子浓度和迁移率，极大地提高了石墨烯器件的光电响应。通过电场调控使双层石墨烯打开带隙，并且能够续调控带隙0‑250meV，从而使单个双层石墨烯光电探测器工作波段从远红外到太赫兹，并且连续可调，且品质因数高，极优异的光灵敏度，响应时间快，此外，器件制备简单，具有大规模推广应用的前景。

技术领域

本发明涉及一种光电探测器，尤其涉及一种从远红外到太赫兹波段连续可调的双层石墨烯光电探测器。

背景技术

光电探测器把光信号转换为电信号，其工作原理基于光电效应。传统半导体领域习惯把光电探测器分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。光电探测器已经被广泛应用于诸多领域。

2004年，石墨烯由曼彻斯特大学Andre Geim教授领导的课题组最先发现和制备。它是目前已知真正的二维材料(只有单个原子层厚)，根据机械剥离法或者气相沉积法制备，具备极高的载流子迁移率(本征迁移率～15000cm2v-1s-1)、非常好的稳定性、以及电子载流子浓度可根据电场可调、机械强度高，被认为是极具潜力的材料，因而在多个领域都有极其广泛的应用。石墨烯的光学性能也非常好，单层石墨烯仅吸收2.3％的可见光，因此可以用来作为透明电极，且吸收电磁波的波长范围很广，吸收波段从可见光到远红外。

通过实验和理论研究发现，双层石墨烯光电探测器有内部建立的电场，可以有效抑制暗电流；载流子在电压调节下，形成定向输运，而且在输运中几乎没有散射，使得噪声被很大程度上抑制了，使得石墨烯探测器质量与传统探测器相比有很大提升。

石墨烯中的电子和空穴可以在外部电场的影响下快速迁移。然而，基于单层石墨烯的晶体管具有明显的缺点，即单层石墨烯没有带隙，因此其不能被有效地关闭。而良好的半导体器件具有良好的打开和关闭的特性。因此单层石墨烯光电探测器的响应率和増益受到了自身能带无带隙结构的极大制约。

然而，石墨烯超薄的厚度会对其吸收光的能力产生极大的限制，尤其是单层石墨烯，厚度只有一个单原子层，阻碍了外部量子效率和探测器的质量，而如果选用双层石墨烯来制作光电探测器的话，那么量子效率和响应度会大大提高；

双层石墨烯具有与单层石墨烯相当的光透射率，响应速度也很快，但具有较低的薄层电阻，其导电性对转移和制造过程中产生的结构缺陷、晶界和裂纹等不太敏感。因此，它在导电性和光传输之间具有良好的平衡。

此外目前有人提出双层石墨烯波导型探测器的设计并测试出结果，工作波段仅为0.3-1.2THZ，制作工艺复杂，难于大规模推广及应用，且工作波段范围不够大。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种能极大地提高石墨烯器件的光电响应，通过电场调控使双层石墨烯打开带隙，并且能够续调控带隙0-250meV的从远红外到太赫兹波段连续可调的双层石墨烯光电探测器。

技术方案：本发明的从远红外到太赫兹波段连续可调的双层石墨烯光电探测器，双层石墨烯电子传输层封装在上下两层六角氮化硼之间，构成范德瓦尔斯异质结；所述异质结下方放置了石墨作为背栅，异质结上方放置石墨烯作为顶栅，异质结两侧搭载有源极和漏极。

进一步地，所述源极和漏极采用由70nm厚的铬/金层。

进一步地，所述源极和漏极通过一维电接触技术搭载在异质结两侧。

进一步地，所述一维电接触技术包括刻蚀和热蒸镀。

进一步地，所述双层石墨烯光电探测器放置在绝缘衬底上。

进一步地，所述绝缘衬底的材质为SiO₂。