阅读说明：本技术 一种基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法 (Photoelectric detector based on graphene wall/silicon composite heterojunction and preparation method thereof ) 是由 王怀昌 付永启 杨俊� 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法。在本发明中中,为了研究石墨烯墙/硅复合的光电探测器,用n掺杂的硅衬底制造了石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器,并采用两层光刻胶进行光刻,然后进行反应离子刻蚀(RIE)工艺,以实现基于石墨烯墙/硅复合的高质量石墨烯墙沟道和光电导探测器。石墨烯墙和硅形成肖特基势垒,将光生电子-空穴对分开。空穴进入石墨烯墙道,利用光致栅控效应,可以实现高的光响应增益。(The invention discloses a photoelectric detector based on a graphene wall/silicon composite heterojunction and a preparation method thereof. In the invention, in order to research a graphene wall/silicon composite photoelectric detector, the photoelectric detector of the graphene wall/silicon composite heterojunction is manufactured by using an n-doped silicon substrate, two layers of photoresist are adopted for photoetching, and then a Reactive Ion Etching (RIE) process is carried out, so that a high-quality graphene wall channel and a photoconductive detector based on graphene wall/silicon composite are realized. The graphene walls and silicon form schottky barriers that separate the photo-generated electron-hole pairs. The holes enter the graphene wall channel, and high optical response gain can be realized by utilizing a photo-induced gate control effect.)

一种基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器及其制备 方法

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法。

背景技术

现阶段的光子型探测器均为光伏型光电探测，而基于石墨烯墙/硅异质结的光电导探测器未曾报道，原因之一就是由于光电导器件制备工艺相对复杂，因此现阶段也缺乏石墨烯墙/硅异质结的光电探测机制的研究。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法，制备方法具体的为：

使用RF-PECVD在一定压力下生长了石墨烯墙。(在生长之前，将硅衬底在H2中进行高温退火，以使石墨烯纳米壁生长得更好。接下来，当流动的混合气体中的氢气与甲烷的比值达到一定比例时，在硅衬底上生长石墨烯墙。与此同时，打开射频，设置射频功率)。

石墨烯墙生长完成后，将两层光刻胶旋涂到石墨烯墙上，并使用光刻法曝光电极图案。然后，使用电子束蒸发将Cr和Au膜依次沉积到石墨烯墙上。之后，通过剥离工艺对器件进行图形化，即将样品依次置于丙酮和AZ400中，以去除用过的两层光刻胶。最后，对RIE刻蚀机设置射频功率和气体流量对样品进行图行化。

本发明的有益效果是：本发明基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器的制备，避免了材料的转移过程，防止其他化学杂质的进入。同时攻克了石墨烯墙光电导沟道图形化工艺。最后还揭示了光电导石墨烯墙/硅异质结的光致栅控效应，为石墨烯墙/半导体异质结提供了新的发展机遇。

附图说明

图1为光电探测器的SEM图；

图2为器件的平面截面图；

图3为n-si能带图；

图4为施加外部偏置V_DS的情况下，器件的工作过程；

图5为器件内部的电流变化情况；

图6为器件的光电增益现象；

图7为器件空穴和电子的重新结合过程。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一：制备基于石墨烯墙/硅复合异质结的光电探测器

使用RF-PECVD在一定压力下生长了石墨烯墙。(在生长之前，将硅衬底在H2中进行高温退火，以使石墨烯纳米壁生长得更好。接下来，当流动的混合气体中的氢气与甲烷的比值达到一定比例时，在硅衬底上生长石墨烯墙。与此同时，打开射频，设置射频功率)。

石墨烯墙生长完成后，将两层光刻胶旋涂到石墨烯墙上，并使用光刻法曝光电极图案。然后，使用电子束蒸发将Cr和Au膜依次沉积到石墨烯墙上。之后，通过剥离工艺对器件进行图形化，即将样品依次置于丙酮和AZ400中，以去除用过的两层光刻胶。最后，对RIE刻蚀机设置射频功率和气体流量对样品进行图行化。

实施例二：结果分析

基于石墨烯墙/硅异质结复合的光电探测器的制备解决了石墨烯墙的图形化工艺，本发明对其通道图形进行SEM成像。如图1所示，金属电极，石墨烯墙通道和硅基底清晰可见。同时，可以采用双层胶工艺和刻蚀工艺获得干净的无残留的石墨烯墙，刻蚀后沟道的边界线明显，去除了非沟道区域的石墨烯墙，沟道区中的石墨烯墙的结构保持完整。

为了研究具有GNW/Si异质结光电探测器的机理，设计出了基本器件结构，肖特基结区的能带图并且分析了石墨烯墙/硅异质结的光致栅控效应。图2是器件的平面截面图。它包含一层石墨烯墙，其中心部分物理覆盖在裸硅表面的顶部，在裸硅表面上，石墨烯墙与外部电极相连。图3显示了n-si能带图，石墨烯墙的费米能级低于硅的费米能级。当石墨烯墙与硅接触时，一些电子从硅流向石墨烯墙，直到末端的费米能级相同。由于电子的移动，在石墨烯墙和硅之间形成了从硅到石墨烯墙的空间电荷区域和内置电场。当将光照射到器件上时，在内置电场的作用下，在硅和载流子中产生的电子-空穴对被分离到空间电荷区中。电子流向硅，空穴流向石墨烯墙，从而导致石墨烯墙和硅之间的光电压差很大。

在施加外部偏置VDS的情况下，如图4在黑暗中，由于石墨烯墙中的固有载流子，暗电流Idark流经外部电路，当它被照亮时，在硅中产生电子-空穴对。由于在结处形成的肖特基势垒的性质，电子移到硅内，空穴将穿过结区并注入到石墨烯墙的导电通道中，注入到石墨烯墙中。这些额外的孔会导致电流的变化，如图5。如果载流子在石墨烯墙通道中的传输速度非常快，则在硅中电子复合之前，石墨烯墙中注入的载流子将被替换多次，从而获得较大的光电增益，如图6。显然，光电增益性能取决于沟道的长度，载流子迁移率和硅中电子的寿命。通道越短，载流子迁移率越高，硅中的电子寿命越长，从而导致量子增益越大并且检测器的光电响应越大。当黑暗时，载流子寿命结束，空穴反向流回到硅中，并且空穴和电子重新结合，如图7。最终，光电响应结束。

虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。