本發(fā)明涉及石墨烯光探測器領(lǐng)域，具體涉及一種費(fèi)米能級可調(diào)的PIN結(jié)構(gòu)石墨烯光探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

石墨烯（Grahpene）是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，其具有優(yōu)異的機(jī)械、電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)性能，自2004年Novoselov和Geim的團(tuán)隊用機(jī)械剝離法制備出室溫存在的單層石墨烯以來，其已逐漸成為研究的熱點。在目前已知的材料中，石墨烯無疑是最薄的，單層石墨烯厚度僅為 0.3 納米（一個碳原子厚度），但它也同時是最堅硬的納米材料。石墨烯可吸收2.3 %的白光，遠(yuǎn)高于碳的其他同素異形體。石墨烯在常溫下即可觀察霍爾效應(yīng)。石墨烯是一種半金屬零帶隙材料，這使得它可以通過控制柵極來調(diào)節(jié)石墨烯的傳導(dǎo)率，而且能使得它不可能在低于一定限度的條件下關(guān)閉，開啟禁帶的幾種方法已經(jīng)提出并論證。

石墨烯光探測器大致分為金屬石墨烯接觸式光探測器，等離子體共振型光探測器，量子點石墨烯混合光探測器，石墨烯異質(zhì)結(jié)型光探測器等等。2009年，F(xiàn)engnian Xia、Thomas Mueller等人利用機(jī)械剝離的石墨烯做出了金屬石墨烯接觸式光探測器，也是第一個石墨烯光電探測器，它的出現(xiàn)引起了廣泛的關(guān)注。不足是光響應(yīng)只有0.5mA/W。2010年Echtermeyer研究了不同納米結(jié)構(gòu)對光電響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)改變納米結(jié)構(gòu)尺寸可以調(diào)節(jié)不同波長的光吸收，從而基于石墨烯制備出等離子體共振型光探測器，可惜其光響應(yīng)率并不高。2012年，Gerasimos Konstantatos提出了將量子點和石墨烯混合，從而制備出量子點石墨烯混合光探測器，該器件響應(yīng)度很高，不過存在暗電流太大、響應(yīng)速度慢、響應(yīng)率低等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種費(fèi)米能級可調(diào)的PIN結(jié)構(gòu)石墨烯光探測器及其制備方法，該費(fèi)米能級可調(diào)的PIN結(jié)構(gòu)石墨烯光探測器及其制備方法可以解決石墨烯作為光探測器材料對光的吸收率低、響應(yīng)速度慢的問題。

為達(dá)到上述要求，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：提供一種費(fèi)米能級可調(diào)的PIN結(jié)構(gòu)石墨烯光探測器，從下到上依次為襯底、金屬層、絕緣層、第一石墨烯層、介質(zhì)層及第二石墨烯層；絕緣層上具有源極電極、漏極電極及第一電極，其中源極電極和漏極電極均與第一石墨烯層相連接，第一電極與第二石墨烯層相連接；其中第一石墨烯層和第二石墨烯層中任意一個為P摻雜，另一個為N摻雜，第一石墨烯層、介質(zhì)層及第二石墨烯層構(gòu)成PIN結(jié)構(gòu)；第一石墨烯層、源極電極、漏極電極、絕緣層及金屬層構(gòu)成一個場效應(yīng)晶體管。

提供一種費(fèi)米能級可調(diào)的PIN結(jié)構(gòu)石墨烯光探測器的制備方法，包括以下步驟：

S1、在襯底表面沉積金屬層；

S2、在金屬層表面生長絕緣層；

S3、在絕緣層表面沉積一層金屬電極層，光刻金屬電極層形成源極電極、漏極電極、第一電極及第二電極；

S4、轉(zhuǎn)移一層石墨烯至絕緣層表面形成第一石墨烯層，第一石墨烯層分別與源極電極和漏極電極相連接，并對第一石墨烯層進(jìn)行摻雜；

S5、在第一石墨烯層表面生長介質(zhì)層；

S6、轉(zhuǎn)移一層石墨烯至介質(zhì)層表面形成第二石墨烯層，第二石墨烯層與第一電極相連接，并對第二石墨烯層進(jìn)行摻雜；

S7、刻蝕掉器件表面多余的石墨烯，完成器件的制備

該費(fèi)米能級可調(diào)的PIN結(jié)構(gòu)石墨烯光探測器及其制備方法具有的優(yōu)點如下：

（1）在石墨烯異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，在P摻雜石墨烯和N摻雜石墨烯中間加入一層介質(zhì)層作I層，形成PIN型結(jié)構(gòu)，可以有效降低器件的暗電流，提高器件信噪比，提高本器件作為石墨烯光探測器的響應(yīng)率和響應(yīng)速度；

（2）金屬層和絕緣層形成一個諧振腔，使光在腔內(nèi)不斷反射，從而起到提高光響應(yīng)率的目的，而且諧振腔高度的不同對應(yīng)著不同的吸收波長；

（3）第一石墨烯層、源極電極、漏極電極、絕緣層及金屬層構(gòu)成一個場效應(yīng)晶體管，通過在金屬層上加?xùn)艠O電壓可以調(diào)節(jié)第一石墨烯層的費(fèi)米能級，從而得到第一石墨烯層和第二石墨烯層之間變化的費(fèi)米能級差，有效增強(qiáng)對不同探測波段的響應(yīng)率。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，在這些附圖中使用相同的參考標(biāo)號來表示相同或相似的部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本申請器件的剖面示意圖；

圖2為本申請器件的平面示意圖；

圖3為本申請方法的流程示意圖；

圖4為用SCS4200半導(dǎo)體測試儀測試的器件在632nm的光照變化下的電流變化圖。

具體實施方式

為使本申請的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本申請作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。

為簡單起見，以下描述中省略了本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的某些技術(shù)特征。

根據(jù)本申請的一個實施例，提供一種費(fèi)米能級可調(diào)的PIN結(jié)構(gòu)石墨烯光探測器，如圖1、2所示，從下到上依次為襯底1、金屬層2、絕緣層3、第一石墨烯層5、介質(zhì)層6及第二石墨烯層7，使用時在金屬層2加上柵極電壓；絕緣層3上具有源極電極4a、漏極電極4b及第一電極4c，一般一次性可以完成4個電極的制作，除了源極電極4a、漏極電極4b和第一電極4c之外的第二電極4d，作為備用電極；其中源極電極4a和漏極電極4b分別位于第一石墨烯層5的兩側(cè)，且均與第一石墨烯層5相連接；第一電極4c和第二電極4d分別位于第二石墨烯層7的兩側(cè)，且第一電極4c與第二石墨烯層7相連接；其中第一石墨烯層5為P摻雜，第二石墨烯層7為N摻雜，第一石墨烯層5、介質(zhì)層6及第二石墨烯層7構(gòu)成PIN結(jié)構(gòu)；第一石墨烯層5、源極電極4a、漏極電極4b、絕緣層3及金屬層2構(gòu)成一個場效應(yīng)晶體管。

進(jìn)一步的，金屬層2為Cu、Au、Al、Ni、NiCr或Ag，且金屬層2的厚度為100-1000 nm。

進(jìn)一步的，絕緣層3為SiO₂、Si₃N₄、MnO₂或MgO，絕緣層3的厚度為100-1000 nm。

進(jìn)一步的，介質(zhì)層6為Si₃N₄ 、MgO、SiO₂或未摻雜的石墨烯，介質(zhì)層6的厚度為1-500 nm。

一種費(fèi)米能級可調(diào)的PIN結(jié)構(gòu)石墨烯光探測器的制備方法，如圖3所示，包括以下步驟：

S1、清洗高摻雜的硅襯底1并吹干，在硅襯底1表面沉積一層300nm厚的Cu薄膜作為場效應(yīng)晶體管柵極及整個器件的金屬層2；

S2、以金屬層2為基底，用PECVD的方法在上面生長一層300nm厚的SiO₂作為場效應(yīng)晶體管的絕緣層3；

S3、在絕緣層3表面沉積一層金屬電極層，光刻金屬電極層形成源極電極4a、漏極電極4b、第一電極4c及第二電極4d；

S4、轉(zhuǎn)移一層石墨烯至絕緣層表面形成第一石墨烯層5，第一石墨烯層5分別與源極電極4a和漏極電極4b相連接，并用旋涂Au和甲苯混合溶液的方法對第一石墨烯層5進(jìn)行P型摻雜；

S5、在第一石墨烯層5表面生長介質(zhì)層6；

S6、轉(zhuǎn)移一層石墨烯至介質(zhì)層表面形成第二石墨烯層7，第二石墨烯層7與第一電極4c相連接，并采用滴涂聯(lián)氨溶液或旋涂PEI溶液的方法對第二石墨烯層7進(jìn)行N型摻雜；

S7、刻蝕掉器件表面多余的石墨烯，完成器件的制備。

采用632nm 激光器作為光源進(jìn)行探測器性能測試。設(shè)置柵極電壓為-1V，源極與漏極（接地）之間電壓為0.5V，采用S[1] 半導(dǎo)體測試儀測試漏極電極4b與第一電極4c之間的電學(xué)輸出信號，測試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯鲈摻Y(jié)構(gòu)探測器在632nm光源斬波后照射下有顯著的電學(xué)響應(yīng)信號輸出，響應(yīng)電流約10μA，響應(yīng)速度低于1ms，通過調(diào)節(jié)襯底柵極電壓可以調(diào)節(jié)器件的響應(yīng)電流大小和器件響應(yīng)的優(yōu)化波段。因此通過本發(fā)明中場效應(yīng)晶體管與PIN結(jié)構(gòu)相復(fù)合的探測器結(jié)構(gòu)獲得了高響應(yīng)率、高響應(yīng)速度的性能。

以上所述實施例僅表示本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以所述權(quán)利要求為準(zhǔn)。

原交底書中記載的是“SCS4200”，請確認(rèn)。