[发明专利]石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构及其制备方法

权利要求书

1.一种石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构，其特征在于，包括n型硅片(5)，所述硅片(5)的正面中部设有等离子激元黑硅(4)，所述硅片(5)的正面周侧设置有二氧化硅层(3)，所述二氧化硅层(3)上设有正面电极(2)，所述等离子激元黑硅(4)上设有石墨烯层(1)，所述石墨烯层(1)的周侧延伸并与所述正面电极(2)接触；所述硅片(5)的背面有背电极(6)。

2.根据权利要求1所述的石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构，其特征在于，所述正面电极(2)和背电极(6)均为金属薄膜电极，材料为金、铝或铟镓合金。

3.一种如权利要求1或2所述的石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：

1)选取n型单晶硅片(5)；

2)硅片(5)双面氧化形成二氧化硅层(3)；

3)硅片(5)正面第一次光刻形成光敏区，通过黑硅制备工艺形成陷光结构；

4)硅片(5)正面整体沉积超薄金属层并进行热处理形成纳米金属结构，与黑硅形成等离子激元黑硅(4)；

5)硅片(5)正面第二次光刻形成环形电极区，制备正面电极(2)；

6)硅片(5)背面去除二氧化硅层(3)蒸镀背电极(6)；

7)通过化学气相沉积法制备石墨烯层(1)并将石墨烯层(1)转移至等离子激元黑硅(4)表面；

8)硅片(5)正面第三次光刻，干法刻蚀多余石墨烯层(1)。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中的超薄金属为具备在可见光至近红外波段有明显等离子激元效应的金属材料；其中超薄金属的厚度控制在1～50nm范围内，确保制备薄膜处于成岛阶段，未形成连续薄膜。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤7)中的石墨烯通过化学气相沉积法制备后，通过聚甲基丙烯酸甲酯转移至等离子激元黑硅(4)上。

6.根据权利要求3或4或5所述的制备方法，其特征在于，等离子激元黑硅(4)制备过程为：采用简单的碱刻蚀法合成金字塔状黑硅配合热处理超薄金膜形成LSPR-B-Si，具体为：

将n型轻掺杂硅晶圆去除衬底表面的微尘；

然后通过光刻法形成窗口，之后将基底浸入在蚀刻液中去除窗口内绝缘层，刻蚀好之后取出，冲洗残余蚀刻液；

然后放入混合溶液中，刻蚀一定时间，在暴露的硅窗口区通过各向异性蚀刻形成硅棱锥阵列；

随后在黑硅表面制备超薄金薄膜，随后真空热处理，最终获得等离子激元黑硅(4)。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液为氢氧化钠5～30克、异丙醇5～50毫升和去离子水95毫升的混合溶液。

8.根据权利要求3或4或5所述的制备方法，其特征在于，石墨烯层(1)的制备过程为：

采用化学气相沉积法，以气体CH₄和H₂，以25μm厚铜箔为催化剂，在900～1000℃下制备大面积石墨烯薄膜；

生长后，将表面生长有石墨烯薄膜的铜箔的上表面以转速2000～3000rpm旋涂质量浓度为5％的PMMA，然后将铜箔放入CuSO₄溶液中；

待石墨烯薄膜完全与铜箔基底剥离之后，将附着在PMMA表面的石墨烯薄膜置入去离子水中数次清洗，得到可转移石墨烯薄膜。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述CuSO₄溶液试剂溶液配比为：CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:50ml:50ml。

10.根据权利要求3或4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的黑硅制备工艺包括常规的湿法腐蚀黑硅工艺或干法刻蚀黑硅工艺。