窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器，属于光电技术领域。该器件包括衬底、石墨烯纳米线阵列、金电极，通过改变石墨烯纳米线的宽度、周期和器件费米能级，从而调控探测器的吸收率和吸收波段；该器件的制备方法首先在衬底上制备石墨烯薄膜，然后采用EBL刻蚀工艺、电子束蒸镀机完成电极加工；最后结合EBL刻蚀和ICP刻蚀，制备得到石墨烯纳米线阵列红外探测器。本发明专利技术提出的窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器，具有吸收率高、探测范围广、光谱可调谐等特点，对长波、甚长波红外波段具有较好的探测性能。探测性能。探测性能。

【技术实现步骤摘要】
窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器


[0001]本专利技术属于光电
，具体涉及一种窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器的制备方法。

技术介绍

[0002]长波红外(LWIR,8～14μm)、甚长波红外(ULWIR,14～30μm)是一种通过探测物体所发出的红外辐射来识别物体的技术，红外探测器通过将有差异的红外辐射按照一定规律转换成电信号，以获得背景和环境的信息。近年来，面向极地冰圈、高空云层、深空行星等多种低温对象辐射特性探测，要求红外探测器具备更高灵敏度、更低暗电流、甚长波红外、宽谱等方向发展。
[0003]目前，以碲镉汞、锑化铟、铟镓砷为代表的传统红外光电探测器，在军事、遥感、通信、宇宙探索等领域一直发挥着重要的作用，在短波红外、中波红外和长波红外三个大气窗口都可以做到接近背景限的水平。但以光电效应为代表的传统红外探测器通过提高材料质量、形成更好的结区、能带调控等手段来满足红外探测性能需求的技术途径在当前技术条件下已趋于瓶颈。此外，由于红外光子能量小且存在背景噪声干扰，探测器一般需要在低温环境下抑制噪声获得高探测灵敏度。特别地，在长波、甚长波的红外光子能量更小，对应的红外探测材料带隙更窄，探测器的噪声电流更难抑制，亟需寻找新的方法提升长波及甚长波红外探测器关键性能指标，以满足当前人们对红外光电探测性能不同提升的要求。
[0004]近十年来，石墨烯材料器件在红外光电探测器件领域的新应用展现出巨大潜力，受到世界研究人员越来越多的关注。石墨烯是一种由sp2杂化碳原子构成的二维材料，因其具有二维单层、线性能谱、高的载流子迁移率等特性，被证明是一种有效的光电探测材料，在长波、甚长波宽带红外光探测、传感成像、能量转换与存储、电/光/化学催化、柔性器件和生物诊断等领域具有重要应用。石墨烯基红外探测器依靠石墨烯来吸收光并产生电信号，运用的原理主要包括光伏效应(Photovoltaic Effect,PV)、光诱导局域场调控效应(Photogating Effect,PG)、光热电效应(Photothermoelectric Effect,PTE)、测辐射热效应(Bolometer Effect,BE)、光致热电子激发效应(Photo
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thermionic effect,PTI)等，利用入射光在石墨烯表面形成电荷移动，形成内在电场，光生电子空穴对借助内建电场分离形成光电信号。然而，由于单层石墨烯的吸光度只有2.3％，这极大地限制了石墨烯基红外探测器的性能，提高器件响应度的途径包括提高石墨烯的吸收效率、提高光生电子的寿命、局域等离激元激发等。2011年，Long Ju等人研究了石墨烯纳米线阵列中的等离子体激发，以硅和二氧化硅做衬底，在上面沉积了条带与间隙宽度比为1:1的石墨烯线阵列，通过改变条带的宽度和静电掺杂，测量证明了石墨烯等离子体共振可以在较宽的太赫兹频率范围内调谐。当线条宽度从4μm减小到1μm时，等离子体共振频率从3THz增大到6THz。2012年，Marcus Freitag等人研究了等离子体激元控制石墨烯器件中的光电流，结果表明，石墨烯线条阵列在中远红外波段具有良好的探测效果，并且可以通过改变栅极电压调控吸收光谱范围。当石墨烯被纳米阵列化后，具有红外吸收光谱增强的特性，可提高红外光谱的检测灵
敏度。特别地，在石墨烯纳米结构中，局域等离子体激元可以被入射光激发，并且表现出中红外等离子体共振，具有良好的光学增强效果。根据石墨烯纳米结构大小和掺杂情况，共振频率位于红外范围内发生蓝移或红移。因此，石墨烯纳米结构可以实现红外光与表面等离子体模式的耦合，且可以通过对纳米阵列的周期、尺寸、掺杂情况的改变进而改变共振峰位置。因此许多石墨烯光电器件被制作出来，在光电探测与传感中发挥了重要作用。然而，目前的石墨烯基红外探测器虽然在长波、甚长波具有一定的探测效果，但存在吸收率低、光谱范围窄的缺点。
[0005]为了解决单层石墨烯吸光度低的难题，提升石墨烯基红外探测器的光电流、响应度、光谱范围、光吸收率等性能，国内外各课题组相继提出石墨烯纳米阵列、等离激元量子点/纳米材料增强、金属阵列增强、天线增强、波导、孔洞等异质结构的器件。通过谐振腔和等离激元共振可以增强吸光率，但光谱范围较窄；利用金属与石墨烯材料掺杂，可大幅提高探测器在近红外波段的响应度。有研究表明，将石墨烯加工成线阵列或点阵列结构，对其引入中间能级和电子束缚中心，可实现宽光谱、高响应的探测性能。为了更好的发展石墨烯纳米阵列结构器件红外探测器，实现精确的对石墨烯纳米阵列的红外增强光谱进行调控和应用，人们对石墨烯纳米阵列的光学特性展开了许多研究。同时，因为石墨烯纳米阵列在吸收光谱增强表现出优异的性能，对石墨烯纳米图案化的制备和加工提出了更高的要求，由于石墨烯纳米阵列的能带特性受单元结构和粗糙度的影响很大，如何制备出精确尺寸、高质量的石墨烯纳米阵列也成为近几年研究的热点。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对长波、甚长波红外探测需求，本专利技术提供了一种窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器。通过进一步减小石墨烯纳米线条的线宽和间距，增加总通道面积，从而增加载流子数量，最终大幅提升器件光增益和吸收率。此外，依据共振频率与器件费米能关系，器件费米能越小，共振频率越小，从而调控器件探测波段至长波、甚长波范围。本专利技术提出的窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器，器件具有吸收率高、探测范围广、光谱可调谐等特点，对长波、甚长波红外波段具有较好的探测性能。
[0007]本专利技术具体采用的技术方案如下：
[0008]一种窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器，包括衬底，设置于衬底上方的石墨烯纳米线阵列，两个导电电极。
[0009]所述石墨烯纳米线阵列由若干平行排布的石墨烯纳米线构成；两个所述导电电极设置于石墨烯纳米线的两端。
[0010]其特征在于，所述石墨烯纳米线的线宽为25～90nm，相邻石墨烯纳米线的间距为10～100nm，厚度为1nm。
[0011]进一步地，所述衬底为P型掺杂硅片。
[0012]进一步地，所述导电电极的厚度为6～10nm。
[0013]进一步地，所述石墨烯纳米线阵列红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1.在衬底上表面制备石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜表面旋涂一层光刻胶，烘干。
[0015]步骤2.采用电子束刻蚀(EBL)光刻工艺对步骤1得到的样品进行曝光，形成导电电
极图案。
[0016]步骤3.用MIBK/IPA显影液对步骤2得到的样品进行显影，然后酒精清洗，烘干；
[0017]步骤4.采用电子束蒸镀机在步骤3得到的样品表面蒸镀金属层，用丙酮去除光刻胶及其表面的金属层，在石墨烯薄膜表面形成两个金属电极。
[0018]步骤5.在步骤4得到的样品上旋涂光刻胶，烘干。
[0019]步骤6.使用EBL进行套刻和拼场曝光，形成石墨烯纳米线阵列图案。
[0020]步骤7.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器，包括衬底，设置于衬底上方的石墨烯纳米线阵列，两个导电电极；所述石墨烯纳米线阵列由若干平行排布的石墨烯纳米线构成；两个所述导电电极设置于石墨烯纳米线的两端；其特征在于，所述石墨烯纳米线的线宽为25～90nm，相邻石墨烯纳米线的间距为10～100nm，厚度为1nm。2.如权利要求1所述的一种窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器，其特征在于，所述衬底为P型掺杂硅片。3.如权利要求2所述的一种窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器，其特征在于，所述导电电极的厚度为6～10nm。4.如权利要求1所述的一种窄线宽小周期高吸收率的石墨烯纳米线阵列红外探测器，其特征在于，所述石墨烯纳米线阵列红外探测器的制备方法，包括以下步骤：步骤1.在衬底上表面制备石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜表面旋涂一层光刻胶，烘干；步骤2.采用电子束刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小平，陈若童，王宇成，赵青，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：