本發(fā)明涉及一種基于石墨烯與硅協(xié)同作用的位置靈敏光探測(cè)器。本發(fā)明屬光電子器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

位置靈敏探測(cè)器是基于橫向光電效應(yīng)的一種光學(xué)位置探測(cè)器，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)，工程，航天和軍工領(lǐng)域。現(xiàn)有的位置靈敏光探測(cè)器多是基于硅材料，具有良好的分辨率和響應(yīng)時(shí)間，但是其響應(yīng)度低，探測(cè)的光強(qiáng)通常在微瓦級(jí)別，不能實(shí)現(xiàn)納瓦級(jí)別弱光位置靈敏探測(cè)，這在實(shí)際應(yīng)用中受到嚴(yán)重的限制。在實(shí)際應(yīng)用中，檢測(cè)的光多為反射光，經(jīng)過長(zhǎng)距離的傳輸和散射，實(shí)際探測(cè)到的光可能十分微弱。比如在激光制導(dǎo)中，位置靈敏探測(cè)組件的最小探測(cè)功率（Pmin）直接決定了導(dǎo)引頭系統(tǒng)的作用距離，Pmin越小，系統(tǒng)的作用距離就越遠(yuǎn)。因此，高精度的快速光學(xué)位置檢測(cè)具有重要的應(yīng)用前景。

石墨烯(graphene)是由碳原子構(gòu)成的一種新型二維半導(dǎo)體材料，它的高遷移率和寬帶吸收使他成為高速光電應(yīng)用領(lǐng)域最有潛力的候選者。盡管石墨烯是單原子層結(jié)構(gòu)，對(duì)光的吸收很弱，但是它可以借助其他光敏材料作為光吸收層，結(jié)合自身的高遷移率實(shí)現(xiàn)很高的光增益，使其在弱光下能夠獲得很高的光響應(yīng)。

基于上述背景，本發(fā)明提出一種基于石墨烯與硅協(xié)同作用的位置靈敏探測(cè)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于石墨烯與硅協(xié)同作用的位置靈敏光探測(cè)器。以解決現(xiàn)有位置靈敏探測(cè)器最小探測(cè)極限功率高的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于石墨烯的位置靈敏探測(cè)器，所述的探測(cè)器器包括Si/SiO₂襯底、設(shè)在Si/SiO₂襯底上的石墨烯和設(shè)在石墨烯上的金屬電極；

所述的Si/SiO₂襯底由底部的Si和Si上方的SiO₂組成；

所述的Si是輕摻雜Si襯底，其電阻率為1-100Ωcm；

所述的SiO₂的厚度為50-500nm；

所述的石墨烯是單層、雙層或3-10層的少層石墨烯；

所述的金屬電極為金、鎳或鉑。

一種基于石墨烯的位置靈敏探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

1）在Si/SiO₂襯底上通過微機(jī)械剝離法制備石墨烯；

2）通過電子束曝光和金屬薄膜沉積技術(shù)在石墨烯上沉積兩個(gè)電極。

本發(fā)明的基于石墨烯與硅協(xié)同作用的位置靈敏探測(cè)器的原理如圖1所示，光穿透二氧化硅（SiO₂）照在輕摻雜硅（Si）表面，使得硅中產(chǎn)生光生載流子，并在濃度梯度的作用下向四周擴(kuò)散。若用恒定的光照射，光致載流子將在硅中形成穩(wěn)定擴(kuò)散分布，擴(kuò)散到石墨烯器件區(qū)域下方的Si/SiO₂界面處的載流子對(duì)石墨烯具有電場(chǎng)調(diào)制作用，并引起石墨烯溝道電流的變化，即光致電流。由于石墨烯具有很高的遷移率，載流子在兩個(gè)電極之間的傳輸時(shí)間極短，導(dǎo)致了石墨烯探測(cè)器具有很高的增益，即使在弱光下也可以獲得可觀的光電流。另外，光電流的大小主要是與擴(kuò)散至石墨烯下方的載流子的濃度或數(shù)量有關(guān)。根據(jù)非平衡載流子擴(kuò)散理論，擴(kuò)散至某處的載流子數(shù)量與光斑到石墨烯器件的距離是負(fù)相關(guān)的，這說明在恒定的光照下，光電流與光斑中心到石墨烯器件的距離存在負(fù)相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以，該探測(cè)器對(duì)弱光具有良好的位置靈敏性。

有益效果：基于本發(fā)明所獲得的基于石墨烯的位置靈敏探測(cè)器，可以解決現(xiàn)有位置靈敏探測(cè)器探測(cè)微弱光的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與原理示意圖。石墨烯兩邊是電極。

圖2為本發(fā)明石墨烯器件的光學(xué)顯微圖片。

圖3為本發(fā)明400nW，532nm光照下的光電流和光斑到石墨烯器件距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

圖4為本發(fā)明400nW，532nm光照下獲得的二維位置靈敏性光探測(cè)圖（石墨烯器件位于坐標(biāo)原點(diǎn)）。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明中：Si/SiO2襯底制備方法屬于常規(guī)技術(shù)，請(qǐng)參考以下文獻(xiàn)：

陳濤，席珍強(qiáng)，楊德仁等，快速熱氧化制備二氧化硅薄膜的紅外研究，材料處理學(xué)報(bào)，28,1（2007）

J, T, Wright et al. Thermal oxidation of silicon in a residual oxygen atmosphere—the RESOX process—for self-limiting growth of thin silicon dioxide films, Semiconductor Science and Technology, 31 (2016).

本發(fā)明中“輕摻雜Si襯底”是指雜質(zhì)濃度比較低的Si襯底,對(duì)應(yīng)電阻率為1-100Ωcm，其摻雜濃度范圍為10¹⁴-10¹⁶ cm^-3。

本發(fā)明中：“微機(jī)械剝離法”“電子束曝光”和“金屬薄膜沉積技術(shù)”屬于本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，請(qǐng)參考以下文獻(xiàn)：

F, Xia et al. Ultrafast graphene photodetector, Nature Nanotechnology 4, 839 (2009).

實(shí)施例1

本實(shí)施例的基于石墨烯的位置靈敏光探測(cè)器，制備過程如下：

1）在帶有輕摻雜Si的Si/SiO₂襯底上通過微機(jī)械剝離法制備單層石墨烯，Si襯底電阻率為10Ωcm，SiO₂厚度為300nm。

2）通過電子束曝光和金屬薄膜沉積技術(shù)在石墨烯上沉積兩個(gè)50 nm厚的金電極（圖2）。

3）在襯底不同位置光照射得到光電流，對(duì)比石墨烯夠到處獲得的光電流大小，得到光斑的位置信息（圖3和圖4）。

圖3 表示的在400nW光照下，隨著光照入射點(diǎn)與石墨烯的距離增加，在石墨烯中檢測(cè)的光電流越來越小，這說明光電流與距離是相關(guān)的，因此我們可以根據(jù)測(cè)量得到的光電流算出入射點(diǎn)與石墨烯的距離，實(shí)現(xiàn)光斑位置的一維探測(cè)。

圖4表示的是將石墨烯器件固定在原點(diǎn)處，入射點(diǎn)在第一象限內(nèi)的引起的光響應(yīng)，這說明該探測(cè)器可以用作二維位置探測(cè)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的基于石墨烯的位置靈敏光探測(cè)器，制備過程如下：

1）在帶有輕摻雜Si的Si/SiO₂襯底上通過微機(jī)械剝離法制備雙層石墨烯，Si襯底電阻率為100Ωcm，SiO₂厚度為50nm。

2）通過電子束曝光和金屬薄膜沉積技術(shù)在石墨烯上沉積兩個(gè)50 nm厚的金電極。

3）在襯底不同位置光照射得到光電流，對(duì)比石墨烯夠到處獲得的光電流大小，得到光斑的位置信息。

當(dāng)光照在襯底的不同位置，石墨烯器件的電流會(huì)隨光照的強(qiáng)度增加而增加，也會(huì)隨光斑離石墨烯器件距離的增加而減少。利用該原理可以實(shí)現(xiàn)襯底上光斑位置的傳感。

實(shí)施例3

本實(shí)施例的基于石墨烯的位置靈敏光探測(cè)器，制備過程如下：

1）在帶有輕摻雜Si的Si/SiO₂襯底上通過微機(jī)械剝離法制備3層的石墨烯，Si襯底電阻率為1 Ωcm，SiO₂厚度為500nm。

2）通過電子束曝光和金屬薄膜沉積技術(shù)在石墨烯上沉積兩個(gè)50 nm厚的金電極。

3）在襯底不同位置光照射得到光電流，對(duì)比石墨烯夠到處獲得的光電流大小，得到光斑的位置信息。

當(dāng)光照在襯底的不同位置，石墨烯器件的電流會(huì)隨光照的強(qiáng)度增加而增加，也會(huì)隨光斑離石墨烯器件距離的增加而減少。利用該原理可以實(shí)現(xiàn)襯底上光斑位置的傳感。

本發(fā)明的基于石墨烯的位置靈敏探測(cè)器對(duì)納瓦級(jí)別的弱光具有位置靈敏性。本發(fā)明所提出的基于石墨烯的位置靈敏探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)nW級(jí)別的微弱光位置探測(cè)。