基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測(cè)器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光探測(cè)器領(lǐng)域，具體的涉及一種基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測(cè)器及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)光探測(cè)器而言，光探測(cè)器的探測(cè)帶寬和響應(yīng)速度是衡量其性能的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的基于IV族和II1-V族半導(dǎo)體(例如硅和砷化鎵)的光探測(cè)器的波譜范圍和探測(cè)帶寬受到其能帶和載流子渡越時(shí)間的限制，因此難以實(shí)現(xiàn)超快寬帶吸收的光探測(cè)器，不適用于某些對(duì)器件性能要求更加嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，如超快寬帶數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。另一方面，隨著對(duì)器件集成度的要求的提高，器件尺寸需要不斷減小，傳統(tǒng)基于IV族和II1-V族半導(dǎo)體的器件尺寸已經(jīng)接近其極限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測(cè)器及制備方法，旨在保證器件具有快速寬帶響應(yīng)特性，同時(shí)采用橫向光電導(dǎo)探測(cè)結(jié)構(gòu)，可以提高器件的單片集成度。
[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測(cè)器，包括一覆蓋有二氧化硅的硅襯底，所述硅襯底可以充當(dāng)柵電極，也可以由其覆蓋的二氧化硅充當(dāng)柵介質(zhì)層，所述硅襯底上表面的中部設(shè)有石墨烯導(dǎo)電層，所述石墨烯導(dǎo)電層上表面的中部分布有若干納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層，所述石墨烯導(dǎo)電層與所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述石墨烯導(dǎo)電層上表面的左右兩端分別設(shè)有第一電極層和第二電極層；所述硅襯底的最上方設(shè)有一鈍化層，所述鈍化層將所述石墨烯導(dǎo)電層、所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層、所述第一電極層和所述第二電極層全部覆蓋；位于所述第一電極層和所述第二電極層上方的所述鈍化層上經(jīng)光刻和刻蝕分別形成電極的第一接觸孔和第二接觸孔，所述第一接觸孔和所述第二接觸孔上分別淀積有第一金屬引出電極和第二金屬引出電極。
[0005]進(jìn)一步的，所述石墨烯導(dǎo)電層為單層或數(shù)層石墨烯。
[0006]進(jìn)一步的，所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層為CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI(3-X)ClX的感光層；所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層的厚度為5-300納米；所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物媽鈦礦材料層的納米結(jié)構(gòu)包括納米顆粒、納米線(xiàn)或納米片。
[0007]進(jìn)一步的，所述第一電極層和所述第二電極層的厚度為100-300納米，其形狀為條狀或叉指狀。
[0008]進(jìn)一步的，所述第一電極層和所述第二電極層為金屬材料，所述的金屬材料包括鉻、鈦、鋁或金；或所述第一電極層和所述第二電極層為透明導(dǎo)電材料，所述的透明導(dǎo)電材料包括氧化銦錫(ITO)或氧化鋅鋁(AZO);所述第一電極層和所述第二電極層可以為相同材料，也可以為不同材料。
[0009]進(jìn)一步的，所述鈍化層為六方氮化硼(hBN)層，其厚度為100-300納米。
[0010]本發(fā)明還提供了一種基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測(cè)器制備方法，包括以下步驟:
步驟I)選用二氧化硅覆蓋的硅襯底作為襯底，在所述硅襯底上覆蓋一層石墨烯導(dǎo)電層，所述石墨烯導(dǎo)電層為單層或數(shù)層石墨烯；
步驟2)在所述石墨烯導(dǎo)電層的中部制備一層厚度為5-300納米的納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層，此時(shí)，所述石墨烯導(dǎo)電層與所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；
步驟3)在所述石墨烯導(dǎo)電層的兩端各淀積一層100?300納米厚的第一電極層和第二電極層，此時(shí)所述第一電極層和所述第二電極層與所述石墨烯導(dǎo)電層有一定的交疊；步驟4)在所述石墨烯導(dǎo)電層上用化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長(zhǎng)一層100-300納米厚度的透明的鈍化層，所述鈍化層將所述石墨烯導(dǎo)電層、所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層、所述第一電極層和所述第二電極層全部覆蓋；
步驟5)在所述第一電極層和所述第二電極層上方的所述鈍化層上光刻和刻蝕形成電極的第一接觸孔和第二接觸孔；
步驟6)在所述第一接觸孔和所述第二接觸孔上分別用磁控濺射方法淀積一層100-300納米厚的金屬導(dǎo)電膜，然后通過(guò)光刻和刻蝕的方法制成電極層的第一金屬引出電極、第二金屬引出電極及相應(yīng)的互連線(xiàn)。
[0011]進(jìn)一步的，步驟I中，所述石墨烯導(dǎo)電層通過(guò)機(jī)械剝離法或化學(xué)氣相沉積法(CVD)直接生長(zhǎng)到所述硅襯底上，或通過(guò)轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到所述硅襯底的目標(biāo)區(qū)域上，然后通過(guò)光刻和刻蝕形成石墨烯的納米帶狀結(jié)構(gòu)。
[0012]進(jìn)一步的，步驟2中，所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層通過(guò)溶液旋涂法、溶液自組裝法或化學(xué)氣相沉積法(CVD)直接在所述石墨烯導(dǎo)電層上制備。
[0013]所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層可以選擇不同的納米結(jié)構(gòu)以及納米結(jié)構(gòu)的分布方式來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的量子效率，還可以通過(guò)選擇合適的鈣鈦礦組份來(lái)調(diào)控光譜響應(yīng)范圍以及器件的穩(wěn)定性，來(lái)滿(mǎn)足不同的實(shí)用要求。同時(shí)，還可以通過(guò)在所述硅襯底上施加電壓控制異質(zhì)結(jié)內(nèi)的能帶特性，大大提高光探測(cè)器的響應(yīng)度。
[0014]進(jìn)一步的，步驟3中，所述金屬鉻膜通過(guò)磁控濺射、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)的方法淀積在所述石墨烯導(dǎo)電層上。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明采用石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦作為溝道材料，制備出平面結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)型光探測(cè)器。二維層狀原子晶體材料通常體現(xiàn)出其相應(yīng)的晶體材料中所沒(méi)有的性質(zhì)。以石墨烯為代表，其體現(xiàn)出獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)和近彈道輸運(yùn)的電學(xué)性質(zhì)，直接采用石墨烯構(gòu)建的光電探測(cè)器與傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電探測(cè)器相比，具有探測(cè)波譜范圍寬、超快響應(yīng)速度和高截止頻率的工作特性，然而其缺陷在于器件的光響應(yīng)度低，光生載流子的提取難。而有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料，典型的代表如CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3，為直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有一定的能帶帶隙和很高的載流子迀移率，并且在可見(jiàn)光區(qū)具有很強(qiáng)的光吸收特性，據(jù)研宄300納米厚的CH3NH3PbI3可以吸收95%以上的可見(jiàn)光。
[0016]此外，鈣鈦礦層可以采用溶液法制備，通過(guò)控制不同條件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦吸光層。由于納米材料特具有特殊的量子效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦層能夠極大的提高光探測(cè)的量子效率。因此，采用石墨烯/納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠充分結(jié)合石墨烯高電子迀移率和半導(dǎo)體鈣鈦礦材料高吸光性。本發(fā)明的光電導(dǎo)型光探測(cè)器，一方面可以大幅度地提高光生載流子產(chǎn)生，分離以及提取，另一方面利用鈣鈦礦材料強(qiáng)的光吸收特性可以大幅度提高器件響應(yīng)度，同時(shí)，還可以采用不同組分以及不同納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料，調(diào)控探測(cè)器的探測(cè)波譜范圍，增加探測(cè)器的量子效率。
[0017]從應(yīng)用角度而言，本發(fā)明的制備方法構(gòu)建光探測(cè)器件的技術(shù)與當(dāng)前的硅電子工藝平臺(tái)相比具有良好的兼容性，并且制備工藝簡(jiǎn)單，器件成功率高，因此具有實(shí)現(xiàn)快速、寬帶響應(yīng)、寬光譜光探測(cè)的極大潛力。其納米尺度的器件尺寸，還有有利于提高器件的集成度。
[0018]上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。
【附圖說(shuō)明】
[0019]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1是本發(fā)明硅襯底上覆蓋墨烯導(dǎo)電層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明墨烯導(dǎo)電層上覆蓋納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明墨烯導(dǎo)電層上覆蓋電極層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明硅襯底最上方覆蓋鈍化層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明鈍化層上形成電極的接觸孔后的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明接觸孔上積淀金屬引出電極后的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層為鈣鈦礦納米顆粒時(shí)的掃描電子顯微鏡照片；
圖8是本發(fā)明納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層為鈣鈦礦納米線(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)的光學(xué)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0021]參見(jiàn)圖1-6所示，一種基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測(cè)器，包括一覆蓋有二氧化硅的硅襯底I，所述硅襯底I可以充當(dāng)柵電極，也可以由其覆蓋的二氧化硅充當(dāng)柵介質(zhì)層，所述硅襯底I上表面的中部設(shè)有石墨烯導(dǎo)電層2，所述石墨烯導(dǎo)電層2上表面的中部分布有若干納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層3，所述石墨烯導(dǎo)電層2與所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層3形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述石墨烯導(dǎo)電層2上表面的左右兩端分別設(shè)有第一電極層4和第二電極層5 ;所述硅襯底I最上方設(shè)有一鈍化層6，所述鈍化層6將所述石墨烯導(dǎo)電層2、所述納米結(jié)構(gòu)有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦材料層3、所述第一電極層4和所述第二電極層5全部覆蓋；位于所述第一電極層4和所述第二電極層5上方的所述鈍化層6上經(jīng)光刻和刻蝕分別形成電極的第一接觸孔7和第二接觸孔8，所述第一接觸孔7和所述第二接觸孔8上分別淀積有第一金屬引出電極9和第二金屬引出電極10。
[0022]進(jìn)一步的，所述石墨烯導(dǎo)電層2為單層或數(shù)層石墨