本發(fā)明屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電探測(cè)器件結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器及制備方法。

背景技術(shù)：

光學(xué)探測(cè)器在化學(xué)材料分析、醫(yī)療衛(wèi)生、空間技術(shù)等方面具有廣泛的應(yīng)用。光電探測(cè)器具有高靈敏度，高光學(xué)響應(yīng)，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在高速調(diào)制和微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)方面有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)硅基PIN結(jié)型探測(cè)器件需要熱擴(kuò)散或者離子注入工藝，而且對(duì)紅外光幾乎不吸收，因此紅外波段響應(yīng)隨入射光波長(zhǎng)的增加而迅速降低甚至為零。因此，需要提高硅光探測(cè)器件對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光的響應(yīng)。

石墨烯是由單層sp²雜化碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維平面晶體薄膜，具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性能。與普通金屬不同，石墨烯是一種具有透明和柔性的新型二維導(dǎo)電材料。單層石墨烯只吸收2.3％的光，可以作為透明導(dǎo)電薄膜。摻硼硅量子點(diǎn)是通過(guò)冷等離子體法制備的。通過(guò)在等離子體中加入硼原子的前驅(qū)體便可以制備硼摻雜的硅量子點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器及制備方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器，包括：n型硅襯底、二氧化硅隔離層、頂電極、石墨烯薄膜、摻硼硅量子點(diǎn)薄膜和底電極；其中，所述n型硅襯底的上表面覆蓋二氧化硅隔離層，在二氧化硅隔離層上開(kāi)有硅窗口，使二氧化硅隔離層成回形結(jié)構(gòu)，在二氧化硅隔離層的上表面覆蓋頂電極，頂電極的邊界小于二氧化硅隔離層的邊界(頂電極的內(nèi)邊界小于二氧化硅隔離層的內(nèi)邊界，頂電極的外邊界小于二氧化硅隔離層的外邊界)，在硅窗口與n型硅襯底交界處覆蓋摻硼硅量子點(diǎn)薄膜；在頂電極的上表面覆蓋邊界小于頂電極的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的中心部位接觸摻硼硅量子點(diǎn)薄膜；在n型硅襯底下表面設(shè)置底電極。

進(jìn)一步地，所述的二氧化硅隔離層厚度為300nm。

進(jìn)一步地，所述的頂電極是金屬薄膜電極，材料為鉻金合金。

進(jìn)一步地，所述的底電極是金屬薄膜電極，材料為鎵銦合金。

進(jìn)一步地，所述的摻硼硅量子點(diǎn)薄膜厚度為30-40nm。

進(jìn)一步地，所述的摻硼硅量子點(diǎn)薄膜是通過(guò)冷等離子體法制備的，通過(guò)在等離子體中加入硼原子的前驅(qū)體制備硼摻雜的硅量子點(diǎn)，硼原子的前驅(qū)體為乙硼烷(B₂H₆)。摻硼硅量子點(diǎn)在可見(jiàn)光近紅外乃至中紅外都有吸收，尤其是中紅外有較強(qiáng)的吸收峰，存在局部等離子激元效應(yīng)(LSPR)。

一種制備基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器的方法，包括以下步驟：

(1)在n型硅襯底的上表面氧化生長(zhǎng)二氧化硅隔離層，所用n型硅襯底的電阻率為1～10Ω·cm；二氧化硅隔離層的厚度為300nm～500nm，生長(zhǎng)溫度為900～1200℃；

(2)在二氧化硅隔離層表面光刻出回形頂電極圖形，然后采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，首先生長(zhǎng)厚度約為5nm的鉻黏附層，然后生長(zhǎng)60nm的金電極；

(3)在生長(zhǎng)有頂電極的二氧化硅隔離層表面光刻出硅窗口圖形，然后通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，采用八氟環(huán)丁烷等離子體刻蝕二氧化硅隔離層，并用緩沖氧化物刻蝕溶液去除殘留的二氧化硅；其中，所述緩沖氧化物刻蝕溶液由NH₄F、HF和水組成，NH₄F：HF：H₂O＝60g:30ml:100ml；

(4)在硅窗口內(nèi)與n型硅襯底交界處懸涂一層質(zhì)量濃度為40％溶解在甲苯溶液中的摻硼硅量子點(diǎn)，形成摻硼硅量子點(diǎn)薄膜，懸涂條件為2000r/min，30s。

(5)石墨烯薄膜的制備：采用化學(xué)氣相沉積方法在銅箔基底上制備石墨烯薄膜；

(6)在頂電極的上表面覆蓋邊界小于頂電極的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的中心部位接觸摻硼硅量子點(diǎn)薄膜；其中，石墨烯的轉(zhuǎn)移方法為：將石墨烯薄膜表面均勻涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蝕溶液中4h腐蝕去除銅箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撐的石墨烯薄膜；將聚甲基丙烯酸甲酯支撐的石墨烯薄膜用去離子水清洗后整塊轉(zhuǎn)移到頂電極的上表面和摻硼硅量子點(diǎn)薄膜的上表面；最后用丙酮和異丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蝕溶液由CuSO₄、HCl和水組成，CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:50ml:50ml；

(7)在n型硅襯底底部涂覆鎵銦漿料，制備鎵銦底電極，與n型硅襯底形成歐姆接觸。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.入射光照射到本發(fā)明光電探測(cè)器表面，被石墨烯、摻硼硅量子點(diǎn)和硅襯底吸收。加一定的反向偏壓加到器件兩端，產(chǎn)生的光生載流子(空穴電子對(duì))在內(nèi)建電場(chǎng)作用下被分離，空穴在摻硼硅量子點(diǎn)中被缺陷態(tài)捕獲，電荷在電場(chǎng)作用下被快速抽離，被電極引出，形成光電流。

2.石墨烯和硅形成肖特基淺結(jié)，入射光容易被吸收，產(chǎn)生的電子空穴很快被內(nèi)部電場(chǎng)分離，降低表面復(fù)合率，消除死層。

3.石墨烯作為透明電極，增強(qiáng)入射光吸收，提高光生電流，具有很高的光學(xué)響應(yīng)。石墨烯的載流子遷移率很大，可以提高器件的時(shí)間響應(yīng)。

4.摻硼硅量子點(diǎn)在可見(jiàn)光尤其紅外波段有很強(qiáng)的吸收峰，存在局部等離子激元效應(yīng)，在紅外光區(qū)域，量子效率很高。

5.本發(fā)明基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器不但可以擴(kuò)展在紅外部分的響應(yīng)，而且響應(yīng)速度較快。

6.本發(fā)明基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器在加反向偏壓時(shí)除了具有紅外高速探測(cè)功能，還可以在加一定的正向偏壓時(shí)具有發(fā)光作用，可作為無(wú)機(jī)發(fā)光二極管，進(jìn)行深入研究。

7.本發(fā)明光電探測(cè)器所用材料以硅為基本材料，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低，易與現(xiàn)有半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中實(shí)施例所制備的光電探測(cè)器工作在-1V～1V下，在無(wú)光和1315nm紅外光照射下的暗電流和光電流反向偏壓變化曲線(xiàn)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

石墨烯/硅肖特基結(jié)是一種常用的器件結(jié)構(gòu)，在光電子器件的研究已有很多報(bào)道。摻硼硅量子點(diǎn)在可見(jiàn)光近紅外乃至中紅外都有吸收，尤其是中紅外有較強(qiáng)的吸收峰，存在局部等離子激元效應(yīng)(LSPR)，制備工藝簡(jiǎn)單，在光電探測(cè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。由于摻硼硅量子點(diǎn)薄膜與石墨烯接觸，會(huì)向石墨烯轉(zhuǎn)移電荷，同時(shí)也是層增透膜，減少表面復(fù)合，可以解決死層問(wèn)題，提高紅外光學(xué)響應(yīng)。在石墨烯和硅中加入一層較薄的摻硼硅量子點(diǎn)，一方面，可以利用摻硼硅量子點(diǎn)在紅外波段的強(qiáng)吸收作用擴(kuò)展光電探測(cè)器在紅外波段的響應(yīng)，另一方面，在載流子擴(kuò)散運(yùn)輸過(guò)程中起到緩沖層作用，減小表面態(tài)。同時(shí)該探測(cè)器在加較大正向電壓時(shí)，可作為無(wú)機(jī)發(fā)光二極管觀(guān)察其發(fā)光現(xiàn)象。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器，包括：n型硅襯底1、二氧化硅隔離層2、頂電極3、石墨烯薄膜4、摻硼硅量子點(diǎn)薄膜5和底電極6；其中，所述n型硅襯底1的上表面覆蓋二氧化硅隔離層2，在二氧化硅隔離層2上開(kāi)有硅窗口，使二氧化硅隔離層2成回形結(jié)構(gòu)，在二氧化硅隔離層2的上表面覆蓋頂電極3，頂電極3的邊界小于二氧化硅隔離層2的邊界頂電極3的內(nèi)邊界小于二氧化硅隔離層2的內(nèi)邊界，頂電極3的外邊界小于二氧化硅隔離層2的外邊界，在硅窗口與n型硅襯底1交界處覆蓋摻硼硅量子點(diǎn)薄膜5；在頂電極3的上表面覆蓋邊界小于頂電極3的石墨烯薄膜4，石墨烯薄膜4的中心部位接觸摻硼硅量子點(diǎn)薄膜5；在n型硅襯底1下表面設(shè)置底電極6。

制備上述基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器的方法，包括以下步驟：

(1)在n型硅襯底1的上表面氧化生長(zhǎng)二氧化硅隔離層2，所用n型硅襯底1的電阻率為1～10Ω·cm；二氧化硅隔離層2的厚度為300nm～500nm，生長(zhǎng)溫度為900～1200℃；

(2)在二氧化硅隔離層2表面光刻出頂電極3圖形，然后采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，首先生長(zhǎng)厚度約為5nm的鉻黏附層，然后生長(zhǎng)60nm的金電極；

(3)在生長(zhǎng)有頂電極5的二氧化硅隔離層2表面光刻出回形硅窗口圖形，然后通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，采用C₄F₈等離子體刻蝕二氧化硅隔離層2并用緩沖氧化物刻蝕(BOE)溶液去除殘留的二氧化硅；其中，所述BOE溶液由氟化氨(NH₄F)、氫氟酸(HF)和水組成，NH₄F：HF：H₂O＝60g:30ml:100ml；

(4)在硅窗口內(nèi)與n型硅襯底交界處懸涂一層濃度為40％溶解在甲苯溶液中的摻硼硅量子點(diǎn)，形成摻硼硅量子點(diǎn)薄膜5，懸涂條件為2000r/min，30s；

(5)石墨烯薄膜4的制備：采用化學(xué)氣相沉積方法(CVD)在銅箔基底上制備石墨烯薄膜4；

(6)在頂電極3的上表面覆蓋邊界小于頂電極3的石墨烯薄膜4，石墨烯薄膜4的中心部位接觸摻硼硅量子點(diǎn)薄膜5；其中，石墨烯的轉(zhuǎn)移方法為：將石墨烯薄膜4表面均勻涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蝕溶液中4h腐蝕去除銅箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撐的石墨烯薄膜4；將聚甲基丙烯酸甲酯支撐的石墨烯薄膜4用去離子水清洗后整塊轉(zhuǎn)移到頂電極3的上表面和摻硼硅量子點(diǎn)薄膜5的上表面；最后用丙酮和異丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蝕溶液由CuSO₄、HCl和水組成，CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:50ml:50ml；

(7)在n型硅襯底1底部涂覆鎵銦漿料，制備鎵銦底電極6，與n型硅襯底1形成歐姆接觸。

對(duì)上述基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器，在可見(jiàn)光和紅外光照下加較小的反向偏壓，即可使其可以得到光電流，有一定的光電響應(yīng)。其中電壓的正極連接在如圖1所示器件的底電極6上，電壓的負(fù)電極連接在器件的頂電極3上。

本實(shí)例所制備的基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器工作在-1V～1V下，在無(wú)光和1315nm紅外光照射下的暗電流和光電流反向偏壓變化曲線(xiàn)如圖2所示。其中電壓的正極連接在器件的底電極6上，電壓的負(fù)電極連接在器件的頂電極3上。從圖2可以看出，所制備的有量子點(diǎn)器件和無(wú)量子點(diǎn)器件在無(wú)光條件下，暗電流均很小；當(dāng)波長(zhǎng)為1315nm、光能量為8mW/cm²的紅外光照射時(shí)兩種器件均能產(chǎn)生明顯的光電流，不同點(diǎn)在于，圖中所示的gra-BSQD-si器件即本發(fā)明的基于石墨烯/摻硼硅量子點(diǎn)/硅的光電探測(cè)器器件在紅外光照下的光電響應(yīng)要大于圖中的graphene-si即傳統(tǒng)的石墨烯/硅的光電探測(cè)器，證實(shí)該器件對(duì)普通的石墨烯/硅肖特基結(jié)光電探測(cè)器的紅外響應(yīng)有明顯的改善作用。且該器件在可見(jiàn)脈沖光下測(cè)得時(shí)間響應(yīng)為上升沿10ns左右，具有高速響應(yīng)的特點(diǎn)，有利于高速成像等作用。

由于發(fā)明中的摻硼硅量子點(diǎn)本身具有電致發(fā)光的特性，在石墨烯和硅之間，將石墨烯作為透明導(dǎo)電膜，給器件施加大于8V的正向偏壓，可以觀(guān)察到微弱的發(fā)光現(xiàn)象，即該器件也可用于LED的電致發(fā)光研究，具有多功能用途。