本發(fā)明屬于光探測領(lǐng)域，涉及一種短溝道半導體/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器的構(gòu)筑方法。

背景技術(shù)：

由于在包括通信、傳感、環(huán)境保護和成像等商業(yè)和軍事方面的應用，近年來光探測器已經(jīng)引起了各界廣泛的研究。當光敏材料被大于其半導體帶隙的光激發(fā)后，會產(chǎn)生電子-空穴對，從而外電路的電流會增加，此信號可以被用作光電導器件的光探測。在此過程中，一部分光生電子-空穴對將不可避免地復合。如果縮短溝道長度，更多的光生載流子可以快速遷移到外電路電極中，從而減少電子-空穴對的復合。所以，有理由認為，在短溝道光探測器中，光探測器中包括光電流即靈敏度在內(nèi)的性能可以得到很好的改進。然而，到目前為止，除了少數(shù)幾個研究工作之外，很少有人開展通過減小溝道長度來增強光探測器性能方面的研究。這可能歸因于構(gòu)筑長度為100納米尺度的短溝道器件仍然是一件極具挑戰(zhàn)的事情。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

實驗結(jié)果表明，具有超高載流子遷移率石墨烯與半導體薄膜的結(jié)合，為光敏材料在光照下所產(chǎn)生的光生載流子提供了一個快速的傳輸通道，能夠獲得高靈敏度的光探測器。在此，本發(fā)明提供了一種短溝道半導體/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器的構(gòu)筑方法，通過將溝道長度減小至100納米以下來進一步增強II-VI半導體/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器的靈敏度。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種短溝道半導體/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器的構(gòu)筑方法，其特征在于包括以下步驟：

(1) 石墨烯的生長和轉(zhuǎn)移：利用CVD法在1050°C~1100°C環(huán)境下通入20 sccm CH₄和100 sccmH₂ 40分鐘，在銅箔表面生長單層連續(xù)石墨烯；隨后使用PMMA作為載體將石墨烯轉(zhuǎn)移至300納米SiO₂/Si基底上；再通過在400℃環(huán)境下通入10 sccm H₂和20 sccm Ar低壓退火1.5~2小時，除去用于石墨烯轉(zhuǎn)移的PMMA載體，完成石墨烯的無縫轉(zhuǎn)移；

(2) ZnS納米線的生長：ZnS納米線通過氣-液-固機制生長機制，使用物理氣相沉積法進行生長，具體為：將裝有ZnS粉末的陶瓷舟放置在石英管的中心位置，將覆蓋著很薄的Au薄膜的硅基底放置在位于石英管下游的另一陶瓷舟上，將爐加熱至1050°C~1150°C，通入200sccm Ar并在該溫度下保持90~100分鐘；

(3) ZnS納米線與石墨烯條帶交叉結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑：在將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到300納米SiO₂/Si基底上之后，利用O₂等離子體蝕刻在通過光刻技術(shù)圖案化的石墨烯上制備寬度為5微米的石墨烯條帶陣列；之后，將ZnS納米線以接近90°的角度轉(zhuǎn)移到石墨烯條帶上；

(4) 器件構(gòu)筑：通過光刻技術(shù)選定所需區(qū)域，將厚度為18~20納米Au薄膜鍍在覆有單根ZnS納米線與石墨烯條帶交叉的區(qū)域上；在去除光刻膠之后，用稀H₂SO₄去除被Au薄膜覆蓋著的ZnS納米線；最后，在通過光刻技術(shù)固定該區(qū)域之后，將ZnSe薄膜鍍在位于Au縫隙中的石墨烯條帶上。

本發(fā)明的原理是：

首先，將平均直徑為100納米的ZnS納米線以接近90°的角度轉(zhuǎn)移到石墨烯條帶上，構(gòu)建由石墨烯條帶與單根ZnS納米線交叉的結(jié)構(gòu)；之后，使用光刻技術(shù)，在與單根ZnS納米線交叉的石墨烯條帶上鍍Au薄膜并隨后除去ZnS納米線掩膜來制作有著低于100納米間隙的Au電極；最后，將ZnSe薄膜鍍在位于Au電極間隙中的石墨烯條帶上，低于100納米溝道ZnSe/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器就構(gòu)筑完成了。所構(gòu)筑的低于100納米溝道ZnSe/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器具有高達10⁹ A/W的超高靈敏度以及50毫秒的響應時間。這個結(jié)果是所有已經(jīng)被公開的研究中靈敏度最高的，并且它要比5微米溝道ZnSe/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器高3個數(shù)量級。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

(1) 本發(fā)明方法縮短溝道長度至100納米，更多的光生載流子可以快速遷移到外電路電極中，從而減少電子-空穴對復合并提高光探測器的靈敏度；

(2) 石墨烯具有超高的載流子遷移率，為光敏材料在光激發(fā)后所產(chǎn)生的載流子提供快速的傳輸通道，從而獲得高性能光探測器；

(3) 工藝簡單，成本低廉，具有較好的實用價值。

具體實施方式

一種短溝道半導體/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器的構(gòu)筑方法，包括以下步驟：

(1) 石墨烯的生長和轉(zhuǎn)移：利用CVD法在1050°C環(huán)境下通入20 sccm CH₄和100 sccmH₂40分鐘，在銅箔表面生長單層連續(xù)石墨烯；隨后使用PMMA作為載體將石墨烯轉(zhuǎn)移至300納米SiO₂/Si基底上；再通過在400℃環(huán)境下通入10 sccm H₂和20 sccm Ar低壓退火2小時，除去用于石墨烯轉(zhuǎn)移的PMMA載體，完成石墨烯的無縫轉(zhuǎn)移；

(2) ZnS納米線的生長：ZnS納米線通過氣-液-固機制生長機制，使用物理氣相沉積法進行生長，具體為：將裝有ZnS粉末的陶瓷舟放置在石英管的中心位置，將覆蓋著很薄的Au薄膜的硅基底放置在位于石英管下游的另一陶瓷舟上，將爐加熱至1100 ℃，通入200sccm Ar并在該溫度下保持90分鐘；

(3) ZnS納米線與石墨烯條帶交叉結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑：在將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到300納米SiO₂/Si基底上之后，利用O₂等離子體蝕刻在通過光刻技術(shù)圖案化的石墨烯上制備寬度為5微米的石墨烯條帶陣列；之后，將ZnS納米線以接近90°的角度轉(zhuǎn)移到石墨烯條帶上；

(4) 器件構(gòu)筑：通過光刻技術(shù)選定所需區(qū)域，將厚度為20納米Au薄膜鍍在覆有單根ZnS納米線與石墨烯條帶交叉的區(qū)域上；在去除光刻膠之后，用稀H₂SO₄去除被Au薄膜覆蓋著的ZnS納米線；最后，在通過光刻技術(shù)固定該區(qū)域之后，將ZnSe薄膜鍍在位于Au縫隙中的石墨烯條帶上；

(5) 測試方法：在室溫下使用氙燈通過半導體參數(shù)分析儀系統(tǒng)（Keithley 2636B）對ZnSe/石墨烯異質(zhì)結(jié)光探測器進行光響應測試。