本發(fā)明屬于光電探測(cè)器領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

光電探測(cè)器主要原理是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，當(dāng)有光照的時(shí)候，光激熱載流子從頂層運(yùn)動(dòng)至底層，使電荷聚集在底層，形成電流。光電探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途?？梢?jiàn)光或近紅外波段主要用于射線測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等；紅外輻射包含豐富的客觀信息，將其用于探測(cè)備受關(guān)注，主要用于導(dǎo)彈制造、紅外熱成像、紅外遙感等方面。

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，并具有良好的透明度和導(dǎo)熱性，被期待可用來(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件。石墨烯納米墻也可以叫做碳?jí)?，碳納米片，是由垂直于基底生產(chǎn)出縱橫交錯(cuò)的石墨烯微片，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，電導(dǎo)率得到提高，吸光率得到上升；同時(shí)其高度開(kāi)放的邊界結(jié)構(gòu)以及豐富的邊緣位點(diǎn)，可以有效防止石墨烯片層間由于π-π鍵作用引起的團(tuán)聚，片層的垂直有序排列也可以防止片層堆疊而引起的邊緣相互掩蓋，暴露更多的缺陷以提供更多的活性位點(diǎn)，厚度一般在幾個(gè)納米在幾十個(gè)納米之間。把石墨烯納米墻運(yùn)用到光電探測(cè)器領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

目前，石墨烯對(duì)光的吸收小，導(dǎo)致石墨烯光電探測(cè)器的響應(yīng)率低，而石墨烯納米墻增加了對(duì)光的吸收，同時(shí)利用石墨烯納米墻與硅所形成的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行光生載流子的分離，因此利用石墨烯納米墻來(lái)開(kāi)發(fā)新型的硅基異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器可有效室溫探測(cè)紅外波段光，是一種極富前景的技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器及其制備方法，該光電探測(cè)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、光吸收能力強(qiáng)、響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明具體提供了如下的技術(shù)方案：

1、一種基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器，由下至上依次包括液態(tài)鎵銦合金電極層、N型硅片層、二氧化硅層、石墨烯納米墻電極層，所述石墨烯納米墻與N型硅片層之間至少有一處接觸，接觸處即為探測(cè)器的有源區(qū)域，所述N型硅片層厚度為10-500μm，二氧化硅層厚度為100-500nm，石墨烯納米墻電極層厚度為100nm-10μm。

優(yōu)選的，所述N型硅片層采用N型輕摻雜單晶硅片。

優(yōu)選的，所述石墨烯納米墻電極層橫截面積小于二氧化硅層。

優(yōu)選的，所述紅外探測(cè)器在室溫下對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)波段為1μm-12μm。

優(yōu)選的，還包括設(shè)置在液態(tài)鎵銦合金電極層下部的下導(dǎo)電基底和設(shè)置在石墨烯納米墻電極層上部的上導(dǎo)電基底。

優(yōu)選的，所述下導(dǎo)電基底為銅膠帶基底層，所述上導(dǎo)電基底為銀導(dǎo)電膠電極層。

優(yōu)選的，所述上導(dǎo)電基底設(shè)置在有源區(qū)域外。

2、一種基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

S1：選用一塊帶有二氧化硅層的N型硅片，刻蝕二氧化硅使二氧化硅層與N型硅片的接觸面至少有一處裸硅區(qū)域，同時(shí)刻蝕掉N型硅片另一面由于熱氧化產(chǎn)生的二氧化硅；

S2：將經(jīng)過(guò)步驟S1處理的N型硅片用丙酮、酒精、去離子水依次清洗，然后用氮?dú)獯蹈桑?/p>

S3：將經(jīng)過(guò)步驟S2處理的N型硅片放于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室，通入甲烷和氫氣，在具有二氧化硅的一面生長(zhǎng)出石墨烯納米墻電極層；

S4：將長(zhǎng)有石墨烯納米墻電極層的N型硅片的另一面刷上一層液態(tài)鎵銦合金電極層；

S5：通過(guò)液態(tài)鎵銦合金電極層，將經(jīng)步驟S4處理的N型硅片附著在下導(dǎo)電基底上，下導(dǎo)電基底作為外電路測(cè)試的下表面電極；

S6：在有緣區(qū)域外的石墨烯納米墻電極層上表面周圍涂上上導(dǎo)電基底，上導(dǎo)電基底作為外電路測(cè)試的上表面電極。

優(yōu)選的，步驟S3中，甲烷與氫氣的體積比為6：4，生長(zhǎng)溫度為750℃，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室的真空度為50Pa。

本發(fā)明的基本原理為：硅材料僅能吸收波長(zhǎng)小于1.2微米的光(即近紅外波段就吸收截至)，而石墨烯納米墻層可以在室溫下對(duì)紫外-可見(jiàn)-近、中、遠(yuǎn)紅外光進(jìn)行寬波段的吸收；當(dāng)石墨烯納米墻層對(duì)紅外波段的光吸收后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，通過(guò)石墨烯墻/硅之間形成的空間電場(chǎng)區(qū)實(shí)現(xiàn)電子-空穴對(duì)的分離，從而實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器在室溫下對(duì)紅外光的探測(cè)。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明公開(kāi)的基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器結(jié)合了石墨烯納米墻的高導(dǎo)電、低電阻率等優(yōu)良性質(zhì)，所述探測(cè)器主要利用了石墨烯納米墻層對(duì)紅外光進(jìn)行吸收，石墨烯納米墻層可以在室溫下對(duì)紫外-可見(jiàn)-近、中、遠(yuǎn)紅外光進(jìn)行寬波段的吸收，石墨烯納米墻層對(duì)近中遠(yuǎn)紅外波段的光吸收后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，形成空間電場(chǎng)區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)了紅外探測(cè)器在室溫下對(duì)紅外光的探測(cè)。該光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，可通過(guò)生長(zhǎng)石墨烯納米墻材料后直接得到，為以后產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了方向。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖：

圖1為基于PECVD法制備石墨烯納米墻材料的原理圖；

圖2為基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為石墨烯納米墻的拉曼光譜圖；

圖4為為基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器的測(cè)量結(jié)果，測(cè)試波段為中、遠(yuǎn)紅外。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。

所述基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器按如下方法制備：

S1：選擇一塊電阻率為2-4Ω·cm，晶向<100>，厚度為525um的N型硅片層(3)，其中表面帶有厚300nm的二氧化硅層；

S2：通過(guò)氫氟酸刻蝕正面的二氧化硅，露出3mm*3mm的裸硅區(qū)域作為光電探測(cè)器的有源區(qū)域，同時(shí)刻蝕N硅片層的背面由于熱氧化產(chǎn)生的二氧化硅層；

S3：將N型硅片層置于丙酮中超聲清洗10-15min，然后置于酒精中超聲清洗10-15min，然后置于純水中超聲清洗10-15min，最后用氮?dú)獯蹈桑?/p>

S4：將N型硅片層放于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室(PECVD)，先用機(jī)械泵將反應(yīng)室內(nèi)的壓強(qiáng)抽到3Pa以下，然后通入氫氣，待氣體流量和壓強(qiáng)穩(wěn)定后關(guān)閉氫氣，再等機(jī)械泵把反應(yīng)室的壓強(qiáng)抽到3Pa以下，如此重復(fù)3次去除腔體里的雜質(zhì)氣體；然后打開(kāi)氫氣升溫至750℃，氫氣流量調(diào)為4sccm，通入甲烷氣體6sccm并打開(kāi)射頻等離子體增強(qiáng)源，其功率設(shè)置為200W，氣壓維持在50Pa，使石墨烯納米墻電極層生長(zhǎng)20min-50min(10min的間隔，共4個(gè)樣品)；

S5：將長(zhǎng)有石墨烯納米墻電極層的N型硅片層的背面刷上一層液態(tài)鎵銦合金電極層與之形成歐姆接觸；

S6:將石墨烯納米墻/硅的紅外探測(cè)器通過(guò)液態(tài)鎵銦合金電極層附著到銅膠帶基底層上，銅膠帶作為外電路測(cè)試的下表面電極；

S7：在有源區(qū)外的石墨烯納米墻電極層的周圍均勻涂上一層銀導(dǎo)電膠層并用銀線引出作為外電路測(cè)試的上表面電極。

圖1為基于PECVD法制備石墨烯納米墻材料的原理圖，其中，1為PECVD管式爐加熱體系；2為射頻等離子體增強(qiáng)源；3為PECVD管式爐的溫控腔體；4為N型硅片基底；5為二氧化硅層；6為石墨烯納米墻；7為PECVD管式爐體系的真空泵，配有真空表。

圖2為實(shí)施例1制備的基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為銅膠帶基底層；2為液態(tài)鎵銦合金電極層；3為N型硅片層；4為二氧化硅層；5為石墨烯納米墻電極層；6為銀導(dǎo)電膠電極層。

對(duì)石墨烯納米墻進(jìn)行拉曼光譜分析，譜圖如圖3所示，從圖3可看出表征石墨烯的明顯特征峰。

將基于石墨烯納米墻/硅的室溫紅外探測(cè)器在測(cè)試波段為中、遠(yuǎn)紅外進(jìn)行測(cè)量，得到如圖4所示的測(cè)試結(jié)果，其光電流明顯大于暗電流。

最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。