專利名稱：一種異質(zhì)結(jié)型光電探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種P型碲化鎘納米帶與N型石墨烯的異質(zhì)結(jié)型光電探測器及其制備方法。
ニ背景技術(shù)：
光電探測器是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的ー種物理現(xiàn)象。光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、エ業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電探測器能把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。根據(jù)器件對輻射響應(yīng)的方式不同或者說器件工作的機(jī)理不同，光電探測器可分為兩大類ー類是光子探測器；另一類是熱探測器。根據(jù)器件結(jié)構(gòu)可以分為光電導(dǎo)型和結(jié)型(異質(zhì)結(jié))光電探測器。光電導(dǎo)性是由于光子在半導(dǎo)體中被吸收時(shí)，產(chǎn)生可移動(dòng)的載流子所造成的。目前納米半導(dǎo)體光電探測器大多都是基于光電導(dǎo)型結(jié)構(gòu)，由于電極間的載流子傳輸時(shí)間的限制，其速度、響應(yīng)時(shí)間等性能都較差。光電探測器的響應(yīng)速度決定了其跟隨光學(xué)信號快速轉(zhuǎn)換的能力，在光波通訊及光通訊中有著極其重要的作用。較慢的響應(yīng)速度將嚴(yán)重限制了光電探測器在光電器件集成電路中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種異質(zhì)結(jié)型光電探測器及其制備方法，所要解決的技術(shù)問題是提高光電探測器的響應(yīng)速度和性能的穩(wěn)定性，并盡量簡化制備方法使其適于エ業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型光電探測器的異質(zhì)結(jié)是由P碲化鋅納米帶與N型石墨烯構(gòu)成的。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型光電探測器具有如下結(jié)構(gòu)在硅基底I的表面覆有ニ氧化硅層2，在ニ氧化硅層2的表面分散有平鋪的碲化鋅納米帶4，在所述碲化鋅納米帶4的兩端分別設(shè)置有歐姆電極3作為輸出ー極，所述歐姆電極3與所述締化鋅納米帶4呈歐姆接觸；在所述締化鋅納米帶4上交疊覆有石墨烯5,所述石墨烯5位于兩個(gè)歐姆電極3之間且與歐姆電極3隔離；在所述石墨烯5上設(shè)置有歐姆電極6作為另ー輸出極，所述歐姆電極6與所述石墨烯5呈歐姆接觸且與碲化鋅納米帶4和歐姆電極3隔離；所述碲化鋅納米帶4為P型碲化鋅納米帶；所述石墨烯5為N型石墨烯；所述歐姆電極3和歐姆電極6為金電極。本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型光電探測器的制備方法如下將碲化鋅納米帶4分散到硅基底I表面的ニ氧化硅層2上，隨后采用紫外光刻技術(shù)在ニ氧化硅層2上光刻出ー對電極圖案，然后利用電子束鍍膜技術(shù)蒸鍍得到ー對歐姆電極3，所述歐姆電極3與所述碲化鋅納米帶4呈歐姆接觸；將石墨烯5覆于ニ氧化硅層2的表面，利用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層2上光刻出與碲化鋅納米帶4交疊且位于兩個(gè)歐姆電極3之間并與歐姆電極3隔離的電極圖案，然后利用氧等離子轟擊除去電極圖案以外的石墨烯得到石墨烯5，再利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)制備得到歐姆電極6，所述歐姆電極6與石墨烯5形成歐姆接觸且與碲化鋅納米帶4和歐姆電極3隔離。本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型光電探測器具有如下結(jié)構(gòu)在硅基底7的表面覆有二氧化硅層8，在二氧化硅層8的表面平鋪有石墨烯9，在石墨烯9上設(shè)置有絕緣層10，在所述絕緣層10的表面分散有碲化鋅納米帶11且所述碲化鋅納米帶11的一部分與石墨烯9接觸；在絕緣層10上設(shè)置有歐姆電極12，所述歐姆電極 12與碲化鋅納米帶11呈歐姆接觸；在石墨烯9上設(shè)置有歐姆電極13，所述歐姆電極13與絕緣層10、歐姆電極12和碲化鋅納米帶11隔離；所述碲化鋅納米帶11為P型碲化鋅納米帶；所述石墨烯9為N型石墨烯；所述歐姆電極3和歐姆電極6為金電極。本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型光電探測器的制備方法如下將石墨烯9平鋪到硅基底7表面的二氧化硅層8上，采用紫外光刻和磁控濺射鍍膜技術(shù)在石墨烯9的表面制備絕緣層10，將碲化鋅納米帶11分散到絕緣層10上的邊緣位置使所述碲化鋅納米帶11有部分與石墨烯9交疊接觸，利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在絕緣層10上制備歐姆電極12，所述歐姆電極12與所述碲化鋅納米帶11呈歐姆接觸； 再次利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在石墨烯9上制備歐姆電極13，所述歐姆電極13 與絕緣層10、歐姆電極12和碲化鋅納米帶11隔離。所述絕緣層10選自氮化硅(Si3N4)、氧化哈(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3) 或二氧化硅(SiO2)，絕緣層10的厚度為10納米至10微米。本發(fā)明金電極的厚度為lOOnm。本發(fā)明使用的P型碲化鋅納米帶4和N型石墨烯5是按照現(xiàn)有技術(shù)采用化學(xué)氣相沉積方法在水平管式石英爐中合成[1][2]。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明涉及了一種工藝較為簡單，成本低廉的的方法制備了 P型碲化鋅與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型光電探測器。由于結(jié)區(qū)其內(nèi)在電場的加速作用，異質(zhì)結(jié)結(jié)型光電探測器探測速度明顯優(yōu)于光電導(dǎo)型探測器。此外，石墨烯具有柔性、透明以及高電導(dǎo)率等特點(diǎn)，使探測器具備了較好的接收被探測光的能力，因此具備了較高的響應(yīng)度和增益。所以，利用碲化鋅納米帶和石墨烯構(gòu)筑成異質(zhì)結(jié)型光電探測器具備了較高的探測率、較高的響應(yīng)度、增益以及較快的探測速度，有利于光電探測器在快速光電集成電路中的應(yīng)用。[I]Di ffu, Yang Jiang, Yugang Zhang, Junwei Li, Yongqiang Yu, Yuping Zhang, Zhifeng Zhu, Li Wang, Chunyan ffu, Linbao Luo and Jiansheng Jie ' Device structure-dependent field-effect and photoresponse performances of p-type ZnTe :Sb nanoribbons' , J. Mater. Chem. ,2012,22,6206.[2]Shan Ying Li, Yang Jiang, Di ffu, Li Wang, Hong Hai Zhong, Bo ffu, Xin Zheng Lan,Yong Qiang Yu,Zhuang Bing Wang and Jian Sheng Jie ' Enhanced p-Type Conductivity of ZnTe Nanoribbons by Nitrogen Doping' , The Journal of Physical Chemistry C,2010,114,7980.四

圖I為本發(fā)明P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號1為硅基底；2為二氧化硅層；3為歐姆電極；4為碲化鋅納米帶；5為石墨稀;6為歐姆電極。圖2為本發(fā)明P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號7為娃基底；8為_■氧化娃層；9為石墨??；10為絕緣層；11為締化鋒納米帶；12為歐姆電極；13為歐姆電極。圖3為實(shí)施例I制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型光電探測器在黑暗下和在光照下的電流-電壓曲線。圖4為實(shí)施例I制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型光電探測器光響應(yīng)-時(shí)間曲線。圖5為實(shí)施例2制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型光電探測器在黑暗下和在光照下的電流-電壓曲線。圖6為實(shí)施例2制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型光電探測器光響應(yīng)-時(shí)間曲線。
五具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :本實(shí)施例P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型光電探測器具有如下結(jié)構(gòu)參見圖I，在覆有二氧化硅層2的硅基底I的表面分散有平鋪的碲化鋅納米帶4， 在所述碲化鋅納米帶4的兩端分別設(shè)置有100納米厚的金電極3作為輸出一極，所述金電極3與所述締化鋅納米帶4呈歐姆接觸；在所述締化鋅納米帶4上交疊覆有石墨烯5,所述石墨烯5位于兩個(gè)金電極3之間且與金電極3隔離；在所述石墨烯5上設(shè)置有100納米厚的金電極6作為另一輸出極，所述金電極6與所述石墨烯5呈歐姆接觸且與碲化鋅納米帶 4和金電極3隔離；其中碲化鋅納米帶4為P型碲化鋅納米帶；所述石墨烯5為N型石墨烯。本實(shí)施例中P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器的制備方法如下首先，利用化學(xué)氣相沉積方法在水平管式石英爐中合成碲化鋅納米帶4和石墨烯 5，將碲化鋅納米帶4分散到覆有二氧化硅層2的硅基底I的表面，二氧化硅層2的厚度為 300納米，隨后采用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層2上光刻出一對電極圖案，然后利用電子束鍍膜技術(shù)蒸鍍得到一對100納米厚的金電極3，所述金電極3與所述碲化鋅納米帶4呈歐姆接觸；將石墨烯5覆于二氧化硅層2的表面，利用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層2上光刻出與碲化鋅納米帶4交疊且位于兩個(gè)金電極3之間并與金電極3隔離的電極圖案，然后利用氧等離子轟擊除去電極圖案以外的石墨烯得到石墨烯5，再利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)制備得到100納米厚的金電極6，所述金電極6與石墨烯5形成歐姆接觸且與碲化鋅納米帶4和金電極3隔離，由締化鋅納米帶4與石墨烯5形成異質(zhì)結(jié)。
本實(shí)施例制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器在黑暗中和光照下測得的電流與電壓關(guān)系曲線如圖3所示，從圖中看出制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器對光有明顯的響應(yīng)，電導(dǎo)從暗場下的32nS(納西門子)上升到196nS， 提高了 6. 125倍，響應(yīng)度為1.79X 104A/WjfSS4X104。本實(shí)施例制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器在對光開關(guān)轉(zhuǎn)換隨時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示，其中I區(qū)是在光照下，2區(qū)是在暗場中。從圖中可以看出制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器具有很快的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，其下降沿和上升沿時(shí)間分別為O. 72毫秒，O. 32毫秒。實(shí)施例2:如圖2所不，本實(shí)施例P型締化鋒納米帶與N型石墨稀異質(zhì)結(jié)型光電探測器具有如下結(jié)構(gòu)在覆有_■氧化娃層8的娃基底7的表面平鋪有石墨稀9,在石墨稀9上設(shè)直有30 納米厚的絕緣層10，在所述絕緣層10的表面分散有碲化鋅納米帶11且所述碲化鋅納米帶 11的一部分與石墨烯9接觸；在絕緣層10上設(shè)置有100納米厚的金電極12，所述金電極12 與碲化鋅納米帶11呈歐姆接觸；在石墨烯9上設(shè)置有100納米厚的金電極13，所述金電極 13與絕緣層10、金電極12和碲化鋅納米帶11隔離；所述碲化鋅納米帶11為P型碲化鋅納米帶；所述石墨烯9為N型石墨烯。本實(shí)施例中所述絕緣層10為氮化硅。本實(shí)施例中P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器的制備方法如下首先，利用化學(xué)氣相沉積方法在水平管式石英爐中合成碲化鋅納米帶11和石墨烯9，將石墨烯9平鋪到覆有二氧化硅層8的硅基底7的表面，采用紫外光刻和磁控濺射鍍膜技術(shù)在石墨烯9的表面制備30納米厚的絕緣層10，將碲化鋅納米帶11分散到絕緣層10 上的邊緣位置使所述碲化鋅納米帶11有部分與石墨烯9交疊接觸，利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在絕緣層10上制備100納米厚的金電極12，所述金電極12與所述碲化鋅納米帶11呈歐姆接觸；再次利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在石墨烯9上制備100納米厚的金電極13，所述金電極13與絕緣層10、金電極12和碲化鋅納米帶11隔離。本實(shí)施例制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器在黑暗中和光照下測得的電流與電壓關(guān)系曲線如圖5所示，從圖中看出制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器對光有明顯的響應(yīng)，電導(dǎo)從暗場下的70nS(納西門子)上升到250nS， 提高了 3. 57倍，響應(yīng)度為2. 3X 104A/W，增益為5. 2X 104。本實(shí)施例制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器在對光開關(guān)轉(zhuǎn)換隨時(shí)間關(guān)系曲線如圖6所示，其中I區(qū)是在光照下，2區(qū)是在暗場中。從圖中可以看出制備的P型碲化鋅納米帶與N型石墨烯結(jié)型光電探測器具有很快的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，其下降沿和上升沿時(shí)間分別為O. 94毫秒，O. 48毫秒。
權(quán)利要求
1.一種異質(zhì)結(jié)型光電探測器，其特征是具有如下結(jié)構(gòu)在硅基底(I)的表面覆有二氧化硅層(2)，在二氧化硅層(2)的表面分散有平鋪的碲化鋅納米帶(4)，在所述碲化鋅納米帶(4)的兩端分別設(shè)置有歐姆電極(3)作為輸出一極， 所述歐姆電極(3)與所述碲化鋅納米帶(4)呈歐姆接觸；在所述碲化鋅納米帶(4)上交疊覆有石墨烯(5)，所述石墨烯(5)位于兩個(gè)歐姆電極(3)之間且與歐姆電極(3)隔離；在所述石墨烯(5)上設(shè)置有歐姆電極(6)作為另一輸出極，所述歐姆電極(6)與所述石墨烯(5) 呈歐姆接觸且與碲化鋅納米帶(4)和歐姆電極(3)隔離；所述碲化鋅納米帶(4)為P型碲化鋅納米帶；所述石墨烯(5)為N型石墨烯；所述歐姆電極⑶和歐姆電極(6)為金電極。
2.—種權(quán)利要求I所述的異質(zhì)結(jié)型光電探測器的制備方法，其特征在于按如下步驟制備將碲化鋅納米帶⑷分散到硅基底⑴表面的二氧化硅層(2)上，隨后采用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層(2)上光刻出一對電極圖案，然后利用電子束鍍膜技術(shù)蒸鍍得到一對歐姆電極(3)，所述歐姆電極(3)與所述碲化鋅納米帶(4)呈歐姆接觸；將石墨烯(5)覆于二氧化硅層(2)的表面，利用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層(2)上光刻出與碲化鋅納米帶(4) 交疊且位于兩個(gè)歐姆電極(3)之間并與歐姆電極(3)隔離的電極圖案，然后利用氧等離子轟擊除去電極圖案以外的石墨烯得到石墨烯(5)，再利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)制備得到歐姆電極￠)，所述歐姆電極￠)與石墨烯(5)形成歐姆接觸且與碲化鋅納米帶 ⑷和歐姆電極(3)隔離。
3.一種異質(zhì)結(jié)型光電探測器，其特征是具有如下結(jié)構(gòu)在硅基底(7)的表面覆有二氧化硅層(8)，在二氧化硅層(8)的表面平鋪有石墨烯(9)，在石墨烯(9)上設(shè)置有絕緣層(10)，在所述絕緣層(10)的表面分散有碲化鋅納米帶(11)且所述碲化鋅納米帶(11)的一部分與石墨烯(9)接觸；在絕緣層(10)上設(shè)置有歐姆電極(12)，所述歐姆電極(12)與碲化鋅納米帶(11)呈歐姆接觸；在石墨烯(9)上設(shè)置有歐姆電極(13)，所述歐姆電極(13)與絕緣層(10)、歐姆電極(12)和碲化鋅納米帶(11)隔離；所述碲化鋅納米帶(11)為P型碲化鋅納米帶；所述石墨烯(9)為N型石墨烯；所述歐姆電極⑶和歐姆電極(6)為金電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的異質(zhì)結(jié)型光電探測器，其特征在于所述絕緣層(10)選自氮化硅、氧化哈、氧化鋯、氧化鋁或二氧化硅。
5.一種權(quán)利要求3或4所述的異質(zhì)結(jié)型光電探測器的制備方法，其特征在于按如下步驟制備將石墨烯(9)平鋪到硅基底(7)表面的二氧化硅層(8)上，采用紫外光刻和磁控濺射鍍膜技術(shù)在石墨烯(9)的表面制備絕緣層(10)，將碲化鋅納米帶(11)分散到絕緣層(10) 上的邊緣位置使所述碲化鋅納米帶(11)有部分與石墨烯(9)交疊接觸，利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在絕緣層(10)上制備歐姆電極(12)，所述歐姆電極(12)與所述碲化鋅納米帶(11)呈歐姆接觸；再次利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在石墨烯(9)上制備歐姆電極(13)，所述歐姆電極(13)與絕緣層(10)、歐姆電極(12)和碲化鋅納米帶(11)隔離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種異質(zhì)結(jié)型光電探測器及其制備方法，是由p型碲化鋅納米帶與n型石墨烯構(gòu)筑成的異質(zhì)結(jié)光電探測器。本發(fā)明光電探測器對可見光非常敏感，響應(yīng)度及增益較高并且響應(yīng)速度較快，為納米材料在光電器件中的應(yīng)用和集成提供了良好的基礎(chǔ)。
文檔編號H01L31/028GK102610672SQ201210081208
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者呂鵬, 吳翟, 張玉剛, 羅林保, 蔣陽, 藍(lán)新正 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)