一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器，该光电探测器包括自下而上依次堆叠的P型高掺硅片(1)、金属反射镜(2)、绝缘层(3)、光敏层和漏源电极(4)、介质保护层(5)和介质布拉格反射镜(6)，所述的光敏层(4)为二维材料或有机光电薄膜，包括石墨烯、二硫化钼、黑磷等、钙钛矿、量子点薄膜。本发明专利技术利用光学Tamm态将石墨烯的光吸收能力提升了26倍(从2.3％提升至60％)，解决了纯石墨烯光电探测器光响应率低的问题(从0.6mA/W提升至30mA/W)；通过改变结构参数(金属反射镜材料，介质布拉格反射镜参数)可以实现不同响应频率和带宽的光电探测，以满足不同的应用需求。以满足不同的应用需求。以满足不同的应用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器及其制备方法

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[0001]本专利技术涉及光电探测
，尤其是涉及一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光探测技术无论在商用，民用(光通信系统)还是军用(侦察，制导，通讯)领域都发挥着至关重要的作用。目前，传统的半导体(例如：硅，锗，硫化镉)等仍是主流的应用于光电探测器的材料，然而一方面这种半导体光电探测器的探测频率范围，响应速度等受到材料本身固有能隙，迁移率的限制，另一方面大面积高品质少缺陷的半导体薄膜制备也非常困难，因此急需开发一种新型光电探测器。
[0003]石墨烯是一种新型光电材料，得益于其独特的能带结构和材料特性，石墨烯光电探测器具有工作范围宽，响应速度快等优异特性。然而单层石墨烯的光吸收率很弱，仅为2.3％，导致其光电转换效率很低。据报道，纯石墨烯光电探测器的光响应率仅为0.6mA/W，这严重制约了石墨烯光电探测器的实际应用。目前，有两类方法来解决这一问题：一类是通过光学模式耦合的方法来增强光与石墨烯的相互作用，例如表面等离激元模式，共振腔模式，波导模式等；还有一类是构建石墨烯半导体异质结，通过半导体实现光电转换，石墨烯起到收集和传输光电子的作用，通过这类方法制备的光电探测器本质上仍属于半导体光电探测器。纯石墨烯光电探测器的光响应率受到了石墨烯吸收率的限制，难以真正被实际应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光响应率高、响应速度快、工作波长和带宽可调控的光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器及其制备方法。
[0005]本专利技术利用光学Tamm态的场束缚特性(如图3所示)来增强光与石墨烯的相互作用，从而实现了石墨烯的光吸收增强，提升了石墨烯光电探测器的光响应率。光学Tamm态是一种能够将光场束缚在金属和布拉格反射镜界面处的局域态，具有场增强，可直接激发，与偏振无关的优点，可以用于提升光敏层和光之间的相互作用，增强吸收。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器，该光电探测器包括自下而上依次堆叠的P型高掺硅片、金属反射镜、绝缘层、光敏层和漏源电极、介质保护层和介质布拉格反射镜，所述的光敏层为二维材料或有机光电薄膜，包括石墨烯、二硫化钼、黑磷等、钙钛矿、量子点薄膜。
[0008]优选地，所述的金属反射镜材料包括银或铝。
[0009]优选地，所述的漏源电极的材料为银。
[0010]优选地，所述的绝缘层和介质保护层均为氧化铌薄膜。
[0011]优选地，所述的介质布拉格反射镜是由多层高折射率介质以及低折射率介质交替
堆叠而成。
[0012]优选地，所述高折射率介质为氧化铌薄膜，折射率为2.3，所述低折射率介质为氧化硅薄膜，折射率为1.45。
[0013]优选地，所述金属反射镜的厚度大于100nm。
[0014]一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0015](1)利用RCA流程清洗衬底P型高掺硅片；
[0016](2)利用射频磁控在P型高掺硅片上溅射金属反射镜；
[0017](3)利用离子源辅助电子束蒸发在金属反射镜上沉积绝缘层；
[0018](4)采用鼓泡法转移光敏层至绝缘层衬底上并去胶；
[0019](5)利用射频磁控在光敏层上溅射制备漏源电极；
[0020](6)利用电子束蒸发制备保护层，并对石墨烯进行拉曼光谱表征，确保没有对石墨烯结构造成严重破坏(如图4所示)；
[0021](7)根据预先设计制备特定厚度与周期数的氧化硅/氧化铌交叠介质布拉格反射镜。
[0022]步骤(6)中所述保护层应在120℃低腔温，0.2nm/s的低沉积速率条件下制备。
[0023]步骤(7)中的介质布拉格反射镜中每一层的厚度和总共层数由器件的工作波长决定。本专利技术利用光学Tamm态增强石墨烯吸收，因此整体器件的探测波长和带宽由光学Tamm态的性质决定，通过合理的设计我们可以任意调控光学Tamm态的吸收，中心波长和带宽。
[0024]具体的调控方法如下：
[0025](1)布拉格反射镜中每一层介质薄膜的光学厚度均为四分之一工作波长，改变每一层的厚度可以调制Tamm态的中心波长位置。
[0026](2)改变布拉格反射镜的膜堆数可以调节整体结构的吸收，中心波长和带宽。如图2(b)所示，以银衬底为例，当膜堆数从3增加到6时，整体结构的吸收从36％上升至97％，中心波长从630nm蓝移至590nm，半高宽从75nm下降至10nm。
[0027](3)改变金属反射镜材料，当两种结构的吸收都达到最大时，铝衬底结构的半高宽要大于银衬底结构的半高宽。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0029](1)光吸收能力强。利用光学Tamm态大幅增强了石墨烯的光吸收能力(如图2(d)所示最大增强26倍)；
[0030](2)光响应率高。如图5所示，在10w的激光照射下，光电流达到270nA，石墨烯光电探测器的光响应率得到了大幅增强(达到30mA/W量级)；
[0031](3)稳定性高。该探测器结构将光敏层(石墨烯)与外界隔绝，在大气氛围下能够稳定运行，不易受到水汽，灰尘的影响；
[0032](4)平面化结构容易制备。
附图说明
[0033]图1为本专利技术光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器的结构示意图。
[0034]图2中(a)图为器件截面扫描电子显微镜照片、(b)图为不同DBR层数下的结构反射光谱、(c)图为使用不同衬底材料(铝/银)的结构反射光谱、(d)为理论上石墨烯的吸收随石
墨烯位置变化关系。
[0035]图3为生长完保护层后的石墨烯拉曼光谱。
[0036]图4为器件的光电响应(光波长600nm，光功率10μw)。
[0037]图5为器件在10μw的激光照射下的光电流。
具体实施方式
[0038]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0039]实施例1
[0040]银衬底，中心波长600nm)，括号中为参考工艺参数。
[0041](1)RCA流程清洗硅片并用氮气吹干；
[0042](2)射频磁控溅射银，厚度大于100nm(溅射功率75W，溅射时间40min)；
[0043](3)使用离子源辅助电子束蒸发沉积绝缘层(氧化铌)30nm(腔温150℃，本底真空5
×
10
‑
4Pa，蒸发速率0.3nm/s)；
[0044](4)采用鼓泡法转移铜基石墨烯至前步衬底上并去胶(鼓泡法电流200mA，电解液为氢氧化钠溶液，转移至目标衬底后放于烘胶台60℃烘干30min，丙酮去除PMMA)；
[0045](5)射频磁控溅射银作为漏源电极(溅射功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器，其特征在于，该光电探测器包括自下而上依次堆叠的P型高掺硅片(1)、金属反射镜(2)、绝缘层(3)、光敏层和漏源电极、介质保护层(5)和介质布拉格反射镜(6)，所述的光敏层(4)为二维材料或有机光电薄膜，包括石墨烯、二硫化钼、黑磷等、钙钛矿、量子点薄膜。2.根据权利要求1所述的一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器，其特征在于，所述的金属反射镜(2)材料包括银或铝。3.根据权利要求1所述的一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器，其特征在于，所述的漏源电极的材料为银。4.根据权利要求1所述的一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器，其特征在于，所述的绝缘层(3)和介质保护层(5)均为氧化铌薄膜。5.根据权利要求1所述的一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器，其特征在于，所述的介质布拉格反射镜(6)是由多层高折射率介质以及低折射率介质交替堆叠而成。6.根据权利要求5所述的一种光学Tamm态增强型石墨烯光电探测器，其特征在于，所述高折射率介质为氧化铌薄膜，折射率为2.3，所述低折射率介质为氧化硅薄膜，折射率为1.45。...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋，赵炎亮，曹峻，石溪，刘德君，何晓勇，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：