一種寬頻譜柔性光電探測器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種寬頻譜柔性光電探測器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于光電探測器而言，探測頻譜寬度和響應(yīng)速度是衡量其性能的生要參數(shù)。傳統(tǒng)的硅基和砷化鎵基的光探測器的波譜范圍和探測帶寬受到其能帶和載流子迀移率的限制，難以實現(xiàn)超快的寬帶吸收的光電探測，即傳統(tǒng)的光電探測器不能滿足某些對器件性能要求嚴格的應(yīng)用場合。
[0003]和傳統(tǒng)的光電探測器的制備材料相比，石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)及電學(xué)特性。在可見光范圍內(nèi)，單層石墨烯能透過約97.7 %的入射光；石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，其理論載流子迀移率遠高于硅。這些優(yōu)異的性能促使石墨烯在光電探測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]同時，石墨烯具有獨特二維平面結(jié)構(gòu)和狄拉克錐形電子能帶結(jié)構(gòu)、以及紫外到近紅外的寬譜光吸收特性。石墨烯的狄拉克能帶結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致光生載流子倍增效應(yīng)，避免了傳統(tǒng)半導(dǎo)體pn結(jié)光電轉(zhuǎn)換過程中熱電子熱能的損失，具有高速高效光電檢測性能。同時由于用石墨烯制作的光電探測器可以實現(xiàn)在很寬的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)探測。采用石墨烯構(gòu)建的光電探測器，具有探測波譜范圍寬、超快響應(yīng)速度的工作特性。
[0005]另一方面，石墨烯主要是由單層或幾層碳原子薄膜支撐，是世界上最薄卻也是最堅硬的納米材料，其具有高達?1.0TPa的楊氏模量，有很好的機械韌性。將大面積生長的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到任意柔性材料上，可隨之彎曲、折疊，對石墨烯的柔性特征的應(yīng)用可獲得可彎曲伸展的柔性光電探測器。與傳統(tǒng)光電探測相比，柔性探測技術(shù)擁有眾多優(yōu)點:
[0006](I)器件可彎曲與伸展，由此可誕生眾多新型應(yīng)用領(lǐng)域
[0007](2)可以在柔性和大面積襯底上采用大規(guī)模印刷技術(shù)加工實現(xiàn)，生產(chǎn)成本低廉；
[0008](3)加工設(shè)備簡單，前期投入成本低；
[0009](4)加工過程屬于低溫工藝，工藝簡單，不會對環(huán)境造成污染。
[0010]中國專利CN 102473844A公開了一種使用柵極氧化物層上的單層或多層石墨烯作為光子探測層的光探測器。公開了具有源極、漏極和柵極電極的不同配置的多個實施方式。另外，公開了包含多個光探測元件的光探測器陣列，用于諸如成像和監(jiān)控等應(yīng)用。在石墨烯層之下的光波導(dǎo)可嵌入襯底或柵極氧化物層內(nèi)，以將光子引導(dǎo)至石墨烯層。在該發(fā)明中，背柵極由硅背柵極(重摻雜或輕摻雜)組成，由于硅材料特性，此發(fā)明公開的光探測器不具有柔性特征，發(fā)明不可被彎曲折疊，而本發(fā)明公開的寬頻譜柔性探測器采用柔性襯底及柔性介質(zhì)層，器件可彎曲與伸展，由此可誕生眾多新型應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可彎曲折疊、彎折后器件的電學(xué)性能保持不變的寬頻譜柔性光電探測器及其制作方法。
[0012]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0013]一種寬頻譜柔性光電探測器，自下而上依次包括:
[0014]柔性襯底層，
[0015]在柔性襯底層上生長的金屬電極層，該金屬電極層為柵極，
[0016]在金屬電極層上覆蓋生長的介質(zhì)層，
[0017]生長或轉(zhuǎn)移覆蓋在介質(zhì)層上的石墨烯層，
[0018]在石墨烯層的兩端設(shè)置的第一金屬電極和第二金屬電極，所述的第一金屬電極為源電極，所述的第二金屬電極為漏電極。
[0019]所述的柔性襯底層為超薄玻璃、高分子聚合物或金屬箔片，所述的高分子聚合物為聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚對苯二甲酸乙二醇酯。
[0020]所述的金屬電極層為通過電子束蒸發(fā)生長在柔性襯底層上的金層，厚度在200nm以內(nèi)。
[0021]所述的介質(zhì)層為有機材料層、透明Al2O3層或鐵電介質(zhì)層，厚度在50nm以內(nèi)，其中，有機材料為聚四乙烯苯酚、聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯中的一種。
[0022]石墨烯溝道被轉(zhuǎn)移放置在介質(zhì)層上。所述石墨烯層為單層或多層石墨烯，其厚度為5nm以內(nèi)。
[0023]所述的第一金屬電極和第二金屬電極的材料為金、鋁或鈦，厚度為10-100nm。
[0024]在源電極和漏電極之間施加固定偏壓，源柵電極之間施加?xùn)艠O電壓；當(dāng)光波垂直入射襯底時，石墨烯吸收入射光子產(chǎn)生載流子，通過調(diào)節(jié)柵極電壓來調(diào)制所述石墨烯層的光電流，進而產(chǎn)生外部信號達到探測的目的。因為石墨烯禁帶寬度為零，在室溫下具有超高電子迀移率、很低的電阻率，發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)光譜帶寬、響應(yīng)迅速的光電探測。同時因光電探測器采用柔性襯底，發(fā)明中使用的主要材料均具有可彎曲特性，故本發(fā)明屬于柔性電子器件，探測器的形狀可彎曲折疊，應(yīng)用靈活。
[0025]寬頻譜柔性光電探測器的制造方法，采用以下步驟:
[0026](I)清洗襯底:將柔性襯底層清洗干凈；
[0027](2)制作柵電極:通過電子束蒸發(fā)或磁探測射方法在柔性襯底層上生長一層金屬電極層；
[0028](3)制作介質(zhì)層:通過原子層淀積或旋涂在金屬電極層上方生長介質(zhì)層；
[0029](4)制作石墨烯層:在介質(zhì)層上直接生長或通過轉(zhuǎn)移技術(shù)的方法覆蓋一層石墨烯溝道；
[0030](5)制作電極:用PMMA作為光刻膠，通過電子束光刻在石墨烯層上制作器件的源電極和漏電極。
[0031 ] 所述的石墨烯層為單層或數(shù)層。
[0032]石墨烯溝道采用CVD法生長或機械剝離后轉(zhuǎn)移到介質(zhì)層上。
[0033]與現(xiàn)有光電探測技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0034](I)為了解決傳統(tǒng)硅基襯底無法滿足便攜，耐磨損，可伸縮，以及較高透明度的技術(shù)特點，故本發(fā)明采用的材料均有可彎曲可伸展的柔性特征，發(fā)明具有可彎曲折疊的優(yōu)點，在彎折后器件的電學(xué)性能保持不變。相對傳統(tǒng)的硅基光電探測器，本發(fā)明可實現(xiàn)柔性探測，便于攜帶，可伸縮，塑性強，可應(yīng)用在眾多新型領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0035](2)由于石墨烯的零禁帶的能帶特征，故本發(fā)明可以在很寬的波長范圍(紫外到太赫茲)實現(xiàn)探測。
[0036](3)由于石墨烯的載流子迀移率遠高于硅材料載流子迀移率，本發(fā)明具有很高的光電響應(yīng)速度。
[0037](4)相對于中國專利CN 102473844A中背柵極由硅背柵極(重摻雜或輕摻雜)組成，由于硅材料特性，CN 102473844A公開的光探測器不具有柔性特征，發(fā)明不可被彎曲折疊，而本發(fā)明公開的寬頻譜柔性探測將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到柔性材料上，可隨之彎曲、折疊，對石墨烯的柔性特征的應(yīng)用可獲得可彎曲伸展的柔性光電探測器，產(chǎn)生了眾多的新型應(yīng)用領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖2為石墨烯光電流響應(yīng)曲線。
[0040]圖中，1-柔性襯底層、2-金屬電極層、3-介質(zhì)層、4-石墨稀層、5-第一金屬電極、6-第二金屬電極。
【具體實施方式】
[0041]下文結(jié)合特定實例說明的實施