基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器，所述探测器由下至上依次包括液态镓铟合金电极层、N型硅片层、二氧化硅层、石墨烯纳米墙电极层，所述石墨烯纳米墙与N型硅片层之间至少有一处接触，接触处即为探测器的有源区域。本实用新型专利技术公开的基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器结合了石墨烯纳米墙的高导电、低电阻率等优良性质，所述探测器主要利用了石墨烯纳米墙层对红外光进行吸收，石墨烯纳米墙层可以在室温下对紫外‑可见‑近、中、远红外光进行宽波段的吸收，石墨烯纳米墙层对近中远红外波段的光吸收后，产生电子‑空穴对，形成空间电场区，从而实现了红外探测器在室温下对红外光的探测。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光电探测器领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器。
技术介绍
光电探测器主要原理是将光信号转变为电信号，当有光照的时候，光激热载流子从顶层运动至底层，使电荷聚集在底层，形成电流。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；红外辐射包含丰富的客观信息，将其用于探测备受关注，主要用于导弹制造、红外热成像、红外遥感等方面。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，并具有良好的透明度和导热性，被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件。石墨烯纳米墙也可以叫做碳墙，碳纳米片，是由垂直于基底生产出纵横交错的石墨烯微片，随着生长时间的增加，电导率得到提高，吸光率得到上升；同时其高度开放的边界结构以及丰富的边缘位点，可以有效防止石墨烯片层间由于π-π键作用引起的团聚，片层的垂直有序排列也可以防止片层堆叠而引起的边缘相互掩盖，暴露更多的缺陷以提供更多的活性位点，厚度一般在几个纳米在几十个纳米之间。把石墨烯纳米墙运用到光电探测器领域将发挥更大的优势。目前，石墨烯对光的吸收小，导致石墨烯光电探测器的响应率低，而石墨烯纳米墙增加了对光的吸收，同时利用石墨烯纳米墙与硅所形成的异质结进行光生载流子的分离，因此利用石墨烯纳米墙来开发新型的硅基异质结光电探测器可有效室温探测红外波段光，是一种极富前景的技术。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的在于提供一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器，该光电探测器具有结构简单、加工方便、光吸收能力强、响应度高、响应速度快等优点。为达到上述目的，本技术具体提供了如下的技术方案：1、一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器，由下至上依次包括液态镓铟合金电极层、N型硅片层、二氧化硅层、石墨烯纳米墙电极层，所述石墨烯纳米墙与N型硅片层之间至少有一处接触，接触处即为探测器的有源区域，所述N型硅片层厚度为10-500μm，二氧化硅层厚度为100-500nm，石墨烯纳米墙电极层厚度为100nm-10μm。优选的，所述N型硅片层采用N型轻掺杂单晶硅片。优选的，所述石墨烯纳米墙电极层横截面积小于二氧化硅层。优选的，所述红外探测器在室温下对红外光进行探测，探测波段为1μm-12μm。优选的，还包括设置在液态镓铟合金电极层下部的下导电基底和设置在石墨烯纳米墙电极层上部的上导电基底。优选的，所述下导电基底为铜胶带基底层，所述上导电基底为银导电胶电极层。优选的，所述上导电基底设置在有源区域外。2、一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器的制备方法，包括如下步骤：S1：选用一块带有二氧化硅层的N型硅片，刻蚀二氧化硅使二氧化硅层与N型硅片的接触面至少有一处裸硅区域，同时刻蚀掉N型硅片另一面由于热氧化产生的二氧化硅；S2：将经过步骤S1处理的N型硅片用丙酮、酒精、去离子水依次清洗，然后用氮气吹干；S3：将经过步骤S2处理的N型硅片放于等离子体增强化学气相沉积反应室，通入甲烷和氢气，在具有二氧化硅的一面生长出石墨烯纳米墙电极层；S4：将长有石墨烯纳米墙电极层的N型硅片的另一面刷上一层液态镓铟合金电极层；S5：通过液态镓铟合金电极层，将经步骤S4处理的N型硅片附着在下导电基底上，下导电基底作为外电路测试的下表面电极；S6：在有缘区域外的石墨烯纳米墙电极层上表面周围涂上上导电基底，上导电基底作为外电路测试的上表面电极。优选的，步骤S3中，甲烷与氢气的体积比为6：4，生长温度为750℃，等离子体增强化学气相沉积反应室的真空度为50Pa。本技术的基本原理为：硅材料仅能吸收波长小于1.2微米的光(即近红外波段就吸收截至)，而石墨烯纳米墙层可以在室温下对紫外-可见-近、中、远红外光进行宽波段的吸收；当石墨烯纳米墙层对红外波段的光吸收后，产生电子-空穴对，通过石墨烯墙/硅之间形成的空间电场区实现电子-空穴对的分离，从而实现红外探测器在室温下对红外光的探测。本技术的有益效果在于：本技术公开的基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器结合了石墨烯纳米墙的高导电、低电阻率等优良性质，所述探测器主要利用了石墨烯纳米墙层对红外光进行吸收，石墨烯纳米墙层可以在室温下对紫外-可见-近、中、远红外光进行宽波段的吸收，石墨烯纳米墙层对近中远红外波段的光吸收后，产生电子-空穴对，形成空间电场区，从而实现了红外探测器在室温下对红外光的探测。该光电探测器结构简单，加工方便，可通过生长石墨烯纳米墙材料后直接得到，为以后产业化发展提供了方向。附图说明为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本技术提供如下附图：图1为基于PECVD法制备石墨烯纳米墙材料的原理图；图2为基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器的结构示意图；图3为石墨烯纳米墙的拉曼光谱图；图4为为基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器的测量结果，测试波段为中、远红外。具体实施方式下面将结合附图对本技术的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。所述基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器按如下方法制备：S1：选择一块电阻率为2-4Ω·cm，晶向<100>，厚度为525μm的N型硅片层，其中表面带有厚300nm的二氧化硅层；S2：通过氢氟酸刻蚀正面的二氧化硅，露出3mm*3mm的裸硅区域作为光电探测器的有源区域，同时刻蚀N硅片层的背面由于热氧化产生的二氧化硅层；S3：将N型硅片层置于丙酮中超声清洗10-15min，然后置于酒精中超声清洗10-15min，然后置于纯水中超声清洗10-15min，最后用氮气吹干；S4：将N型硅片层放于等离子体增强化学气相沉积反应室(PECVD)，先用机械泵将反应室内的压强抽到3Pa以下，然后通入氢气，待气体流量和压强稳定后关闭氢气，再等机械泵把反应室的压强抽到3Pa以下，如此重复3次去除腔体里的杂质气体；然后打开氢气升温至750℃，氢气流量调为4sccm，通入甲烷气体6sccm并打开射频等离子体增强源，其功率设置为200W，气压维持在50Pa，使石墨烯纳米墙电极层生长20min-50min(10min的间隔，共4个样品)；S5：将长有石墨烯纳米墙电极层的N型硅片层的背面刷上一层液态镓铟合金电极层与之形成欧姆接触；S6:将石墨烯纳米墙/硅的红外探测器通过液态镓铟合金电极层附着到铜胶带基底层上，铜胶带作为外电路测试的下表面电极；S7：在有源区外的石墨烯纳米墙电极层的周围均匀涂上一层银导电胶层并用银线引出作为外电路测试的上表面电极。图1为基于PECVD法制备石墨烯纳米墙材料的原理图，其中，1为PECVD管式炉加热体系；2为射频等离子体增强源；3为PECVD管式炉的温控腔体；4为N型硅片基底；5为二氧化硅层；6为石墨烯纳米墙；7为PECVD管式炉体系的真空泵，配有真空表。图2为实施例1制备的基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器的结构示意图，其中，1为铜胶带基底层；2为液态镓铟合金电极层；3为N型硅片层；4为二氧化硅层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器，其特征在于，由下至上依次包括液态镓铟合金电极层、N型硅片层、二氧化硅层、石墨烯纳米墙电极层，所述石墨烯纳米墙与N型硅片层之间至少有一处接触，接触处即为探测器的有源区域，所述N型硅片层厚度为10‑500μm，二氧化硅层厚度为100‑500nm，石墨烯纳米墙电极层厚度为100nm‑10μm。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器，其特征在于，由下至上依次包括液态镓铟合金电极层、N型硅片层、二氧化硅层、石墨烯纳米墙电极层，所述石墨烯纳米墙与N型硅片层之间至少有一处接触，接触处即为探测器的有源区域，所述N型硅片层厚度为10-500μm，二氧化硅层厚度为100-500nm，石墨烯纳米墙电极层厚度为100nm-10μm。2.根据权利要求1所述一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器，其特征在于，所述N型硅片层采用N型轻掺杂单晶硅片。3.根据权利要求1所述一种基于石墨烯纳米墙/硅的室温红外探测器，其特征在于，所述石墨烯纳米墙电极层横截面积小于二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏大鹏，刘相志，申钧，杨俊，孙泰，于乐泳，史浩飞，杜春雷，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：新型
国别省市：重庆;50