一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器制造技术

一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，属于中红外光探测技术领域。本实用新型专利技术包括包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、石墨烯微纳阵列和介质层；所述石墨烯微纳阵列和介质层位于二氧化硅层中间位置；所述二氧化硅层和介质层表面覆盖有石墨烯层；所述石墨烯层两侧分别设置有电极一和电极二。使用该结构制造的红外探测器，光电转换效率大大提升，制备方法简单，与现有硅工艺相兼容，克服传统以碲镉汞、锑化铟等红外探测器持续低温制冷、能耗高和信号弱等问题，运行性价比大幅提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器
本技术属于中红外光探测
，具体涉及一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器。
技术介绍
高性能红外光电探测器是光谱学、遥感、成像以及光通信等多样化光电应用的核心，能够在室温下实现有效的红外光探测，在电子通讯、安防监控、生物医疗、光谱成像等领域具有不可替代的作用；随着光电子技术的发展和对红外探测的日益增长需求，当前红外探测器的重要发展趋势之一是将红外传感材料与传统成熟的硅基芯片电路相互结合，进而实现复杂的信号处理功能；传统的铟镓砷、砷化镓/铝镓砷量子阱和砷化铟/锑化镓超晶格红外探测器存在高质量薄膜制备难度大，与传统的硅基半导体工艺不兼容等问题；以碲镉汞、锑化铟为代表的制冷型红外探测器则由于需要持续低温制冷而导致使用不便，而以热敏电阻式微辐射热计为代表的非制冷型红外探测器响应时间慢，难以满足某些对探测性能要求高的应用场合；因此，无论从基础科学研究以及应用技术的角度，实现兼具高灵敏度、响应速度快、可室温工作、与硅基工艺相兼容的红外光电探测器都具有重要的意义，目前逐渐成为重要的研究领域和科研热点，研究者们逐渐将目光转向新型材料来满足商业应用需求。等离激元现象是材料中费米能级附近导带上的自由电子在外加电磁场(光)的驱动下，在材料表面发生了集体震荡，产生极化现象，并且将共振状态电磁场的能量有效地转变为局域在材料表面自由电子的集体振动能；常见的贵金属材料的等离激元在可见光波段；石墨烯作为一种新型光电子材料，本身的表面等离激元具有极高的场局域特性，且激发波长集中在红外区域，可以通过控制石墨烯图案的尺寸来调节石墨烯极化激元的局域模式，可以通过局域的表面光场增强光与物质的相互作用。考虑到单层石墨烯单光吸收率(～2.3％)低，制备的中红外光探测器普遍存在暗电流较大、信噪比较低等不足；利用石墨烯微纳阵列做等离激元增强材料来提高石墨烯薄膜在中红外波段吸收，设计一种新型结构的基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，具有重要的实际应用前景。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本技术的目的是提出一种成本较低、与硅工艺相兼容的、基于石墨烯等离激元增强的具有中红外探测功能的光探测器以及制备方法。本技术提供一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、石墨烯微纳阵列和介质层；所述石墨烯微纳阵列和介质层位于二氧化硅层中间位置；所述二氧化硅层和介质层表面覆盖有石墨烯层；所述石墨烯层两侧分别设置有电极一和电极二。按照本技术的中红外光探测器的一优选实施例，较佳地，所述硅衬底的背面上涂覆有金属层作为背栅。较佳地，所述石墨烯微纳阵列为周期性排列的纳米带、纳米环或纳米圆盘中的一种。较佳地，所述石墨烯层的层数为单层。较佳地，所述石墨烯微纳阵列可以通过化学掺杂来调节石墨烯微纳结构的化学势从而调制其等离子共振吸收的光谱范围。较佳地，所述介质层为良好绝缘性的材料，阻挡电荷泄露，如六方氮化硼或其他高介电常数金属氧化物材料。较佳地，所述电极一和电极二为蝴蝶形天线电极，电极一和电极二由金、钛、铬、镍中单种金属电极或两种或多种金属复合构成。本技术采用上述技术方案，与现有技术相比具有以下优点：1、利用石墨烯微纳阵列产生的等离激元共振，增强石墨烯在中红外光波段的吸收，谐振因子高，耦合损耗小，克服了当前贵金属材料表面等离激元难以增强中红外波段的光响应的难题；2、利用石墨烯微纳阵列的周期与形貌的可调性，易于实现石墨烯在中红外光波段的共振吸收谱带的可调谐，从而获得宽波段可调的宽带中红外光探测；3、本技术的基于等离激元增强的光电探测器在中红外光波段具有增强的光电转换效率，制备方法简单、运行成本低，与现有硅工艺相兼容。附图说明图1是本技术中的结构示意图；图2是本技术的工作原理图；其中，1、硅衬底，2、二氧化硅层，3、石墨烯微纳阵列，4、介质层，5、石墨烯层，6、电极一，7、电极二。具体实施方式下面结合附图和参考实施例，进一步描述本技术。本技术提供优选实施例，但不该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚表示，放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本技术的理想化实施例的示意图，本技术所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如石墨烯微纳结构制备引起的偏差。但在本技术实施例图示中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本技术的范围。如图1所示，一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，包括自下而上依次层叠设置的硅衬底1、二氧化硅层2、石墨烯微纳阵列3和介质层4；所述石墨烯微纳阵列3和介质层4位于二氧化硅层2中间位置；所述二氧化硅层2和介质层4表面覆盖有石墨烯层5；所述石墨烯层5两侧分别设置有电极一6和电极二7。所述硅衬底1的背面上涂覆有金属层作为背栅，在硅衬底1上施加背栅能够实现对石墨烯微纳阵列3的费米能级调控；所述二氧化硅层2作为栅介质，起绝缘和隔离的作用；在本技术中，考虑到石墨烯微纳阵列3的激发波长不仅与阵列尺寸形貌等相关，与其栅压调控的费米能级也息息相关，金属层易于实现石墨烯在中红外光波段的共振吸收谱带的可调谐，从而获得宽波段可调的窄带中红外光探测；此外，该金属层还可以作为反射层将穿透的红外光信号反射到石墨烯和图案化的石墨烯工作层中以与其相互作用。所述石墨烯微纳阵列3作为等离激元材料表面局域电磁场，局域的电磁场在红外光激发时进一步增强石墨烯层5光与物质的相互作用，增强石墨烯层5在中红外的吸收，进而增强光电效应，其中，红外线的波长范围根据所述石墨烯微纳阵列3的几何形状与尺寸和化学势来确定，波长覆盖红外、中红外及远红外波段；而介质层4防止石墨烯微纳阵列3产生电子空穴对传输到石墨烯层5中；本技术中的光电流增强源自石墨烯层5的吸收。所述介质层4很好的贴敷在石墨烯微纳阵列4上，所述介质层4采用红外透明材料，红外透明材料吸收及反射红外光极低，也即红外光可以透过该介质层4。在本实施例中，所述介质层6采用氮化硼，这是由于氮化硼作为宽禁带半导体，具有很强绝缘性，能很好的阻挡石墨烯微纳阵列3与石墨烯层5间载流子传输；此外，氮化硼与石墨烯层5具有基本相同的晶体结构，同样表面没有悬挂键，也没有表面电荷，对上下两层的石墨烯影响均较小，氮化硼可以通过原子沉积或化学气相沉积形成。所述石墨烯层5为单层，带隙为0eV，采用单层石墨烯可以防止多层石墨烯增加禁带宽度对石墨烯层5吸收波长的限制。如图2所示，所述电极一6和电极二7用于外加偏压，促进载流子传输，直接与石墨烯层5接触，但不与石墨烯微纳阵列3接触；具体的，本技术的电极图案为蝴蝶形天线状电极，能更好的与中红外光波长进行耦合，同时削弱光热效应，防止晶格振动热效应引起光响应速度降低；在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于：包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、石墨烯微纳阵列和介质层；所述石墨烯微纳阵列和介质层位于二氧化硅层中间位置；所述二氧化硅层和介质层表面覆盖有石墨烯层；所述石墨烯层两侧分别设置有电极一和电极二。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于：包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、石墨烯微纳阵列和介质层；所述石墨烯微纳阵列和介质层位于二氧化硅层中间位置；所述二氧化硅层和介质层表面覆盖有石墨烯层；所述石墨烯层两侧分别设置有电极一和电极二。


2.根据权利要求1所述的一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于：所述硅衬底的背面上涂覆有金属层。


3.根据权利要求1所述的一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于：所述石墨烯微纳阵列为周期性排列的纳米带、纳米环或纳米圆盘中的一种。


4.根据权利要求1所述的一种基于等离激元增强的石墨烯中红...

【专利技术属性】
技术研发人员：满锦梦，
申请(专利权)人：深圳激子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44