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一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺

阅读：1020发布：2020-07-15

专利汇可以提供一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺。该探测器包括二氧化硅 /硅基底、底层石墨烯、底层金属纳米颗粒、源极、漏极、顶层石墨烯、顶层金属纳米颗粒和背栅。金属电极在两层石墨烯之间的夹层结构，形成双活性层。两层金属纳米颗粒修饰两层石墨烯的结构，实现对双波段、多波段光电响应增强。通过分别调控两层金属纳米颗粒，改变金属纳米颗粒的尺寸、材料及颗粒间距，实现对特定波长入射光选择性吸收增强及多波段的选择性光电探测。背栅电压调控进一步增强光的吸收，提高响应度。该探测器制备工艺简单，实现了室温下的高速、高灵敏、多波段探测，有效解决了双波段、多波段探测的迫切需求。，下面是一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器，其特征在于，包括二氧化硅/硅基底(1)、底层石墨烯(2)、底层金属纳米颗粒(3)、源极(4)、漏极(5)、顶层石墨烯(6)和顶层金属纳米颗粒(7)；其中，
底层石墨烯(2)设置于二氧化硅/硅基底(1)表面上，源极(4)和漏极(5)分别设置于底层石墨烯(2)表面上的两侧，底层金属纳米颗粒(3)设置于源极(4)和漏极(5)之间的底层石墨烯(2)表面上，顶层石墨烯(6)设置于源极(4)、漏极(5)以及底层金属纳米颗粒(3)的表面上，顶层金属纳米颗粒(7)设置于顶层石墨烯(6)表面上；二氧化硅/硅基底(1)上的硅一侧还设置有背栅(8)。
2.根据权利要求1所述的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器，其特征在于，通过在源极(4)和漏极(5)上转移顶层石墨烯(6)，实现由单活性层变为双活性层。
3.根据权利要求1所述的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器，其特征在于，金属纳米颗粒为金、银和铜在内的能够激发局域表面等离激元的金属纳米颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器，其特征在于，通过分别调控两层金属纳米颗粒，改变金属纳米颗粒的尺寸、材料及颗粒间距实现对设定波长入射光选择性吸收增强及多波段的选择性光电探测。
5.权利要求1至4所述的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)在二氧化硅/硅基底(1)上的硅一侧制备背栅(8)；
2)采用化学气相沉积法生长石墨烯并转移到二氧化硅/硅基底(1)上；
3)在步骤2)的石墨烯上利用电子束蒸发沉积一层金属纳米薄膜；
4)将沉积金属纳米薄膜后的样品在氮气氛围下退火，得到底层金属纳米颗粒(3)；
5)在底层金属纳米颗粒(3)两侧的石墨烯两端制备金属电极；
6)在金属电极上转移一层化学气相沉积法生长的石墨烯；
7)在步骤6)转移的石墨烯上利用电子束蒸发沉积一层金属纳米薄膜；
8)将步骤7)沉积金属纳米薄膜后的样品在氮气氛围下退火，得到顶层金属纳米颗粒(7)；
9)利用半导体封装技术进行引线封装，从而制备完成该多层耦合结构多波段石墨烯探测器。
6.根据权利要求5所述的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器的制备工艺，其特征在于，步骤3)和步骤7)中，金属纳米薄膜的厚度均为4-15nm。
7.根据权利要求5所述的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器的制备工艺，其特征在于，步骤5)中，采用紫外光刻技术，并结合电子束蒸发及剥离工艺，在石墨烯两端制备了Cr/Au电极，其中Cr厚20nm，Au厚80nm；Cr作为缓冲材料，增加Au与基底粘合性。
8.根据权利要求5所述的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器的制备工艺，其特征在于，步骤8)中，退火温度350-500℃，退火时间10-90min。

说明书全文

一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺

技术领域

[0001] 本发明属于材料学科、半导体光电器件及微纳制造领域，具体涉及一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺。

背景技术

[0002] 光电探测器不仅在军事、国防和国民经济的各个领域有广泛用途，更是已经渗透到许多学科领域，并得到迅猛发展。如：夜视侦查、武器瞄具、材料缺陷的检测、设备状态热诊断、生产过程监控、减灾防灾等诸多方面。石墨烯作为一种新兴的二维材料，应用在光电探测领域能够探测从紫外到可见光再到红外的整个光谱。石墨烯光电探测器克服了第三代探测器如碲镉汞(HgCdTe)等需低温制冷、探测频段范围窄的缺陷，使在室温下的超快、全波段的光电探测成为可能。然而，单层石墨烯光吸收率仅为2.3％，导致石墨烯探测器的响应度低。近年来，对多波段探测的需求，也迫切需要改进及研制出一种新型探测器。提高石墨烯与光相互作用并充分发挥石墨烯宽光谱探测的优点，实现双色、多色、宽光谱探测，对现有石墨烯光电探测器的性能提升及应用具有重要意义。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺，以解决现有石墨烯光电探测器响应度低、量子效应低、不能多波段高响应探测的问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0005] 一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器，包括二氧化硅/硅基底、底层石墨烯、底层金属纳米颗粒、源极、漏极、顶层石墨烯和顶层金属纳米颗粒；其中，底层石墨烯设置于二氧化硅/硅基底表面上，源极和漏极分别设置于底层石墨烯表面上的两侧，底层金属纳米颗粒设置于源极和漏极之间的底层石墨烯表面上，顶层石墨烯设置于源极、漏极以及底层金属纳米颗粒的表面上，顶层金属纳米颗粒设置于顶层石墨烯表面上；二氧化硅/硅基底上的硅一侧还设置有背栅。

[0006] 本发明进一步的改进在于，通过在源极和漏极上转移顶层石墨烯，实现由单活性层变为双活性层。

[0007] 本发明进一步的改进在于，金属纳米颗粒为金、银和铜在内的能够激发局域表面等离激元的金属纳米颗粒。

[0008] 本发明进一步的改进在于，通过分别调控两层金属纳米颗粒，改变金属纳米颗粒的尺寸、材料及颗粒间距实现对设定波长入射光选择性吸收增强及多波段的选择性光电探测。

[0009] 一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

[0010] 1)在二氧化硅/硅基底上的硅一侧制备背栅；

[0011] 2)采用化学气相沉积法生长石墨烯并转移到二氧化硅/硅基底上；

[0012] 3)在步骤2)的石墨烯上利用电子束蒸发沉积一层金属纳米薄膜；

[0013] 4)将沉积金属纳米薄膜后的样品在氮气氛围下退火，得到底层金属纳米颗粒；

[0014] 5)在底层金属纳米颗粒两侧的石墨烯两端制备金属电极；

[0015] 6)在金属电极上转移一层化学气相沉积法生长的石墨烯；

[0016] 7)在步骤6)转移的石墨烯上利用电子束蒸发沉积一层金属纳米薄膜；

[0017] 8)将步骤7)沉积金属纳米薄膜后的样品在氮气氛围下退火，得到顶层金属纳米颗粒；

[0018] 9)利用半导体封装技术进行引线封装，从而制备完成该多层耦合结构多波段石墨烯探测器。

[0019] 本发明进一步的改进在于，步骤3)和步骤7)中，金属纳米薄膜的厚度均为4-15nm。

[0020] 本发明进一步的改进在于，步骤5)中，采用紫外光刻技术，并结合电子束蒸发及剥离工艺，在石墨烯两端制备了Cr/Au电极，其中Cr厚20nm，Au厚80nm；Cr作为缓冲材料，增加Au与基底粘合性。

[0021] 本发明进一步的改进在于，步骤8)中，退火温度350-500℃，退火时间10-90min。

[0022] 本发明至少具有以下有益的技术效果：

[0023] 本发明提供的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器，金属电极在两层石墨烯之间的夹层结构，形成双活性层。利用金属纳米颗粒修饰石墨烯，光照射在金属纳米颗粒上激发局域表面等离激元，产生局域场增强，并诱导热电子产生、提高耦合结构的导电性，实现金属纳米颗粒与石墨烯耦合结构中的特定波段的光吸收增强。通过两层金属纳米颗粒修饰石墨烯的耦合结构，利用金属纳米颗粒修饰石墨烯的特定波段光吸收增强作用及两层金属纳米颗粒修饰石墨烯结构的耦合增强吸收作用，提高双波段、多波段的光吸收，实现对双波段、多波段光电响应增强。通过背栅电压调控石墨烯的费米能级，进一步增强光的吸收，提高响应度。本发明提供的光电探测器结构可以在双波段、多波段同时提高光电响应，且有效解决了双波段、多波段探测的迫切需求。

[0024] 进一步，通过在源极和漏极上转移顶层石墨烯，实现由单活性层变为双活性层，提高载流子传输效率，提高光吸收率，增强光电响应。

[0025] 进一步，通过分别调控两层金属纳米颗粒，改变金属纳米颗粒的尺寸、材料及颗粒间距，实现对特定波长入射光选择性吸收增强及多波段的选择性光电探测。

[0026] 本发明提供的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器的制备工艺，采用化学气相沉积法生长的石墨烯，并通过两次石墨烯的转移、金属电极的制备、两次电子束蒸发及退火实现了多层耦合结构多波段石墨烯探测器的制备。

[0027] 综上所述，本发明提供的多层耦合结构多波段石墨烯探测器有效的在双波段、多波段提高了光电响应。本发明有效解决了双波段、多波段探测的迫切需求，且制备工艺简单，成本低，实用性强。附图说明

[0028] 图1是多层耦合结构多波段石墨烯探测器及其制备工艺示意图；

[0029] 附图标记说明：

[0030] 1、二氧化硅/硅基底，2、底层石墨烯，3、底层金属纳米颗粒，4、源极、5，漏极，6、顶层石墨烯，7、顶层金属纳米颗粒，8、背栅。

具体实施方式

[0031] 为使本发明的目的、技术方案及优势更加清楚明了，下面结合附图和实施例对本发明原理及实验过程作进一步说明。

[0032] 如图1所示，本发明提供的一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器，包括二氧化硅/硅基底1、底层石墨烯2、底层金属纳米颗粒3、源极4、漏极5、顶层石墨烯6和顶层金属纳米颗粒7。其中，底层石墨烯2设置于二氧化硅/硅基底1表面上，源极4和漏极5分别设置于底层石墨烯2表面上的两侧，底层金属纳米颗粒3设置于源极4和漏极5之间的底层石墨烯2表面上，顶层石墨烯6设置于源极4、漏极5以及底层金属纳米颗粒3的表面上，顶层金属纳米颗粒7设置于顶层石墨烯6表面上。二氧化硅/硅基底1上的硅一侧还设置有背栅8。

[0033] 为解决现有石墨烯光电探测器响应度低、量子效应低的问题，同时提高双波段、多波段的探测器响应度，本发明基于多层耦合结构的耦合作用及局域表面等离激元效应实现光电响应增强，工作原理为：

[0034] 通过底层金属纳米颗粒3激发局域表面等离激元，实现局域场增强，调控金属纳米颗粒3实现特定波长光选择性增强吸收及光电响应。通过在源极4和漏极5上转移顶层石墨烯6，实现了由单活性层变为双活性层，提高载流子传输效率，提高光吸收率，增强光电响应。通过在不同于底层金属纳米颗粒3制备条件下，制备的顶层金属纳米颗粒7，实现另一特定波长光选择性增强吸收及光电响应。底层金属纳米颗粒3、顶层金属纳米颗粒7、底层石墨烯3和顶层石墨烯6之间的耦合作用激发额外的共振峰，实现增强波段的扩展。背栅电压调控石墨烯的费米能级，进一步增强光的吸收，提高响应度。整体形成一种多层耦合结构多波段石墨烯探测器。

[0035] 实施例

[0036] 为了实现上述多层耦合结构多波段石墨烯探测器，本发明提供了一种可靠高效的制备工艺流程。如图1所示，包括如下步骤：

[0037] 1)在二氧化硅/硅基底上的硅一侧电子束蒸发制备100nm厚Au背栅；

[0038] 2)采用化学气相沉积法生长石墨烯并转移到二氧化硅/硅基底上；

[0039] 3)在步骤2)的石墨烯上利用电子束蒸发沉积一层15nm厚金属纳米薄膜；

[0040] 4)将沉积金属纳米薄膜后的样品在氮气氛围下500℃退火90min，得到底层金属纳米颗粒；

[0041] 5)在石墨烯两端制备金属电极；

[0042] 6)在金属电极上转移一层化学气相沉积法生长的石墨烯；

[0043] 7)在步骤6)转移的石墨烯上利用电子束蒸发沉积一层4nm厚金属纳米薄膜；

[0044] 8)将步骤7)沉积金属纳米薄膜后的样品在氮气氛围下350℃退火10min，得到顶层金属纳米颗粒；

[0045] 9)利用现有的半导体封装技术进行引线封装，从而制备完成该多层耦合结构多波段石墨烯探测器。其中：

[0046] 步骤2)和步骤6)中所述化学气相沉积法生长石墨烯以及转移方法为本领域技术人员所熟知常用方法，不作赘述；

[0047] 步骤3)、步骤4)、步骤7)和步骤8)通过控制沉积薄膜厚度、退火温度、退火时间不同来控制颗粒尺寸及分布；

[0048] 步骤5)采用紫外光刻技术，并结合电子束蒸发及剥离工艺，在石墨烯两端制备了Cr/Au电极，其中Cr厚20nm，Au厚80nm。Cr作为缓冲材料，增加Au与基底粘合性。

[0049] 本实施例中，金属纳米颗粒为金、银和铜在内的能够激发局域表面等离激元的金属纳米颗粒。

[0050] 以上结合附图对本发明的具体实施方法作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

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