阅读说明：本技术 石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹探测器及其制作方法 (Graphene/aluminum oxide/gallium arsenide terahertz detector and manufacturing method thereof ) 是由 杨冬晓 王畅 林时胜 陆阳华 胡欣怡 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器及其制作方法。在N型砷化镓衬底上自下而上依次有三氧化二铝绝缘层、石墨烯层,并设有第一电极以及边电极；制备方法是先在N型掺杂的砷化镓片上制作边电极及三氧化二铝绝缘层,将石墨烯转移到三氧化二铝上,使得石墨烯/三氧化二铝/砷化镓接触形成隧穿异质结；再在石墨烯上制作第一电极,得到石墨烯/三氧化二铝/砷化镓光电探测器。本发明的太赫兹光电探测器通过异质结的隧穿效应进一步优化了其器件性能,暗态电流低,且对太赫兹波段具有极高的响应度与探测度,器件工艺简单。(The invention discloses a graphene/aluminum oxide/gallium arsenide terahertz photoelectric detector and a manufacturing method thereof. An aluminum oxide insulating layer and a graphene layer are sequentially arranged on the N-type gallium arsenide substrate from bottom to top, and a first electrode and an edge electrode are arranged on the N-type gallium arsenide substrate; the preparation method comprises the steps of firstly manufacturing an edge electrode and an aluminum oxide insulating layer on an N-type doped gallium arsenide chip, and transferring graphene onto aluminum oxide to enable the graphene/the aluminum oxide/the gallium arsenide to be in contact with each other to form a tunneling heterojunction; and manufacturing a first electrode on the graphene to obtain the graphene/aluminum oxide/gallium arsenide photoelectric detector. The terahertz photoelectric detector further optimizes the device performance through the tunneling effect of the heterojunction, has low dark-state current, extremely high responsivity and detectivity to the terahertz waveband, and is simple in device process.)

石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹探测器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹光电探测器及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器及其制备方法，属于光电器件技术领域。

背景技术

近年来，太赫兹探测器作为一种重要的光电器件，引起了研究和产业界的广泛关注。其中，二维材料/半导体异质结结构的光电探测器以其极快的响应以及极高的响应度与探测度性能，吸引了越来越多研究人员的参与，可以广泛应用于航空、军事领域。

石墨烯材料在2004年首次被发现并制备并在2010年取得诺贝尔奖以后，其研究取得了更快的进展。更多的研究表明了石墨烯材料具有及其优异的电学、光学和机械性质，如极高的载流子迁移率、极高的透光率、高的杨氏模量和极强的柔韧性等。这些优异的性质使石墨烯吸引了广泛地的关注并进一步的应用于光电器件技术领域，包括光电探测器、太阳电池、光传感器等等。近年来，不少研究者进行了石墨烯在光电探测器方向的应用研究，它的优势是可以实现超快的响应以及拥有较宽波段的光谱响应，并且作为二维材料应用范围广泛且方便。但同时考虑到石墨烯只有原子尺寸纳米级别的厚度，在可见光波段其吸收的光比较少(～2.3％)，然而在太赫兹波段吸收率较高且与太赫兹频率、温度、石墨烯化学势以及弛豫时间有关。所以通过寻找合适的材料与石墨烯结合或设计新的结构，探测及增强对太赫兹光的吸收及相应，是研究和应用基于石墨烯太赫兹光电探测器的重点。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种响应度极高且制备工艺简单的石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器及其制备方法。本发明研究实验发现通过将石墨烯与半导体块体材料结合成隧穿异质结结构，利用隧穿效应可以有效增加其光吸收率，并取得极高的响应度以及探测度，因此设计了上述太赫兹光电探测器及其制备方法。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器：

衬底采用砷化镓衬底，在N型砷化镓衬底上表面上自下而上依次有三氧化二铝绝缘层和石墨烯层，砷化镓层、三氧化二铝绝缘层与石墨烯层依次接触形成隧穿异质结；还包括第一电极和边电极，第一电极设置于石墨烯层上表面，第一电极为环形结构，边电极设置于砷化镓层底面；三氧化二铝绝缘层面积大于砷化镓衬底面积的10％且不大于砷化镓层面积的100％，边电极面积占砷化镓衬底面积的1％-10％，第一电极面积小于石墨烯层的面积，石墨烯层面积不大于砷化镓衬底面积。

本发明太赫兹光电探测器中设置隧穿异质结结构，能够帮助提高太赫兹光电探测率。

所述的石墨烯层的层数为1层至10层，并且采用P型掺杂。

所述的三氧化二铝绝缘层采用10-20nm厚的三氧化二铝材料。

所述的第一电极与边电极均选自金、银、钛中的一种或几种的复合电极，厚度为1-500nm。

所述的砷化镓衬底采用N型掺杂。

二、一种石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器的方法，其特征在于：

N型掺杂的砷化镓片作为砷化镓衬底，在N型掺杂的砷化镓片底面制作一定面积的边电极，边电极面积占砷化镓片面积的1％-10％，然后放入化学清洗液中浸泡1-30分钟进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

然后在砷化镓片顶面生长三氧化二铝形成三氧化二铝绝缘层，三氧化二铝绝缘层面积大于砷化镓片面积的10％但不大于砷化镓片面积的100％，将石墨烯片层转移到三氧化二铝绝缘层顶面，石墨烯占据的面积不大于砷化镓片的面积；最后石墨烯片层顶面制作第一电极，得到石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器。

将多层石墨烯片层转移到三氧化二铝绝缘层顶面。

本发明将石墨烯与半导体材料结合，若两者的费米能级存在较大差异，可形成肖特基结。太赫兹光照下，石墨烯吸收光子能量，其内部电子发生带内跃迁，在结势垒电场的作用下，砷化镓内的电子将会注入石墨烯内。石墨烯内载流子浓度随之发生变化，其电阻率也会改变。外界光强发生变化，注入的电子或空穴浓度也改变。石墨烯的电阻值变化即可反映对外界光照的探测响应情况，在外加电压情况下其肖特基结两边的电流在有无光照的情况下也会改变从而反映外界光照情况。

此外，本发明的石墨烯的费米能级可通过量子点光掺杂调节，肖特基的势垒也相应改变，器件的光电探测性能也可进行调节。而在半导体与石墨烯之间嵌入的三氧化二铝层，作为绝缘层一方面可以抑制半导体与石墨烯之间的载流子流动，从而大大地降低其在暗态下的电流大小，而在光照情况下，载流子流动大大加强，其抑制作用可以忽略不计，不会影响光电流的大小；另一方面可以提供载流子产生隧穿效应的条件，从而使大量载流子在石墨烯与砷化镓之间流动，提高探测器的响应度。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

与传统的太赫兹光电探测器相比，本发明的石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器利用石墨烯的高载流子迁移率和良好的光电响应及砷化镓优异光电性质，以及异质结隧穿效应具有更好的光吸收及光探测响应性能；且其制备工艺简单，易于实现。同时利用三氧化二铝的界面特性降低了暗态电流并提供产生隧穿的条件，从而得到极高的响应度与探测度。

附图说明

图1为石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器的结构示意图；

图2为石墨烯/三氧化二铝/砷化镓异质结的能带示意图。

图3为石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器在有无太赫兹光照情况下的I-V特性曲线图。

图4为实施例制得的光电探测器在不同太赫兹功率下的电流变化情况图。

图中：N型砷化镓衬底上1、绝缘层2、三氧化二铝石墨烯层3、第一电极 4、边电极5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器，是在N 型砷化镓衬底1顶面自下而上依次有绝缘层2、石墨烯层3，还有第一电极4与边电极5，边电极5设置在N型掺杂砷化镓层1底面，第一电极4设置在石墨烯层3顶面，由此能够形成石墨烯/三氧化二铝/砷化镓异质结，异质结的能带结构示意图如图2所示。

石墨烯与砷化镓形成肖特基结，在太赫兹光照情况下，石墨烯中的电子吸收能量产生跃迁从而改变石墨烯的载流子密度，在结势垒的电场作用下，砷化镓中的电子隧穿进入石墨烯，通过调节石墨烯的费米能级，使得肖特基的势垒也相应改变；在砷化镓与石墨烯之间嵌入三氧化二铝层，作为绝缘层可以抑制半导体与石墨烯之间的载流子流动，从而可以大大地降低其在暗态下的电流大小。

本发明的实施例如下：

实施例1：

1)在N型掺杂的砷化镓片上的背面一侧制作一定区域的边电极，材质为 100nm钛/金电极，面积约占整个正面砷化镓衬底的5％左右，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

2)将所得砷化镓片在正面长一层10nm三氧化二铝(Al₂O₃)绝缘层，面积约为整个砷化镓衬底的80％，绝缘层的中间区域一定面积(2mm*2mm)作为探测器的有效区域；

3)将石墨烯转移到上述的三氧化二铝绝缘层上，为并要求石墨烯覆盖绝缘层中间的有效区域且边缘不超出绝缘层区域；

4)在石墨烯上制作第一电极，材质为100nm的银电极，得到石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器。

在两个电极间加电压，通过测试光电探测器在不同光照下电流的变化，可反应出其对不同光强的响应。图3即对本例制得的光电探测器在无光照和0.3THz 光照下电流值变化曲线，可以看出在暗态下，该光电探测器的暗态电流较小，这是由于在砷化镓及石墨烯层之间设置了较薄的三氧化二铝层，该绝缘层抑制了砷化镓与石墨烯之间的载流子流动，从而大大地降低其在暗态下的电流大小；在太赫兹光照下，砷化镓中的电子大量隧穿进入石墨烯，石墨烯中载流子浓度大幅提高。图4即对本例制得的光电探测器在不同太赫兹功率下的电流变化情况图，计算得到该光电探测器的响应度可达580A/W，探测度达10¹²Jones以上。表1是近年来常用的太赫兹探测器结构。

表1

通过上表对比可以看出石墨烯/三氧化二铝/砷化镓异质结结构可以明显提高探测器的响应度。

实施例2：

1)在N型砷化镓片上的背面一侧制作一定区域的边电极，材质为100nm钛 /金电极，面积约占整个正面砷化镓衬底的5％左右，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

2)将所得砷化镓片在正面区域上长一层20nm三氧化二铝(Al₂O₃)绝缘层，面积约为整个砷化镓衬底的90％，绝缘层的中间区域一定面积(1mm*1mm)作为探测器的有效区域；

3)将5层石墨烯转移到上述的三氧化二铝绝缘层上，并要求石墨烯覆盖绝缘层中间的有效区域且边缘不超出绝缘层区域；

4)在石墨烯上制作第一电极，材质为100nm的金电极，得到石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器。

实施例3：

1)在N型掺杂的蓝宝石衬底氮化镓片上的正面一侧制作一定区域的边电极，材质为200nm钛/金电极，面积约占整个正面氮化镓衬底的5％左右，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

2)将所得氮化镓片在正面长一层10nm三氧化二铝(Al₂O₃)绝缘层，面积约为整个砷化镓衬底的90％，绝缘层的中间区域一定面积(2mm*2mm)作为探测器的有效区域；

3)将10层石墨烯转移到上述的三氧化二铝绝缘层上，并要求石墨烯覆盖绝缘层中间的有效区域且边缘不超出绝缘层区域；

5)在石墨烯上制作第一电极，材质为200nm的银电极，得到石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹光电探测器。

由此上述实施可见，本发明的太赫兹光电探测器通过异质结的隧穿效应与其他利用热电子效应、高速电子迁移率晶体管等结构的太赫兹探测器相比进一步优化了其器件性能，暗态电流低，且对太赫兹波段具有极高的响应度与探测度，器件工艺简单。