以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器及制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器及制備方法，所述紫外雪崩光電探測(cè)器包括襯底、金屬電極、石墨烯叉指電極和氟化石墨烯；氟化石墨烯是一種寬禁帶的二維半導(dǎo)體材料，可探測(cè)波長(zhǎng)小于415nm的光。本發(fā)明以氟化石墨烯作為感光材料，石墨烯作為透明叉指電極，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光的探測(cè)。氟化石墨烯的電阻可達(dá)1TΩ以上，利用氟化石墨烯制作的光電探測(cè)器具有非常低的暗電流噪聲。本發(fā)明以石墨烯和氟化石墨烯兩種二維材料為主，可以實(shí)現(xiàn)柔性的光電探測(cè)器。
【專(zhuān)利說(shuō)明】以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)，尤其涉及一種以氟化石墨烯為感光材料，石墨烯/氟化石墨烯/石墨烯(MSM)結(jié)構(gòu)的紫外雪崩光電探測(cè)器(APD)及制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]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。石墨烯和半導(dǎo)體接觸可以形成肖特基結(jié)，制備工藝簡(jiǎn)單，在光電探測(cè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
[0003]氟化石墨烯是石墨烯的衍生物，利用氟化氙(XeF2)，六氟化硫(SF6)和八氟環(huán)丁烷(C4F8)等含氟氣體對(duì)石墨烯進(jìn)行氟化，可以制備氟化石墨烯。通過(guò)改變石墨烯的氟化率，可以將石墨烯由導(dǎo)體變?yōu)榘雽?dǎo)體或者絕緣體。石墨烯氟化后禁帶寬度可從0.0eV增加到3.0eV0氟化石墨烯是一種寬禁帶半導(dǎo)體，可以吸收紫外光而透過(guò)可光，適合作為紫外光電探測(cè)器的感光材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器及制備方法。
[0005]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:一種以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器，包括襯底、金屬電極、石墨烯叉指電極和氟化石墨烯；其中，所述襯底的上表面兩側(cè)分別覆蓋一金屬電極；在兩個(gè)金屬電極之間的襯底的上表面、兩個(gè)金屬電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋石墨烯叉指電極，金屬電極上表面的石墨烯叉指電極的兩翼的覆蓋范圍小于金屬電極的邊界；在兩個(gè)金屬電極之間的襯底和石墨烯叉指電極的上表面覆蓋氟化石墨烯。
[0006]進(jìn)一步地，所述的襯底為絕緣材料，選自二氧化硅、云母、PDMS或PI。
[0007]進(jìn)一步地，所述的金屬電極是金屬薄膜電極，材料為鋁、金或金鉻合金。
[0008]進(jìn)一步地，所述的石墨烯叉指電極為單層或多層石墨烯，形狀為叉指。
[0009]進(jìn)一步地，所述的氟化石墨烯為單層或多層氟化石墨烯。
[0010]制備上述以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器的方法，包括以下步驟:
[0011](I)采用二氧化硅或云母作為絕緣的襯底，或者在硅襯底上旋涂PDMS或PI形成均勻的薄膜，加熱讓其固化，形成柔性的襯底；
[0012](2)在襯底表面光刻出金屬電極圖形，然后采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，首先生長(zhǎng)厚度約為5nm和的Cr黏附層，然后生長(zhǎng)50nm的Au電極；
[0013](3)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；
[0014](4)在兩個(gè)金屬電極之間的襯底的上表面、兩個(gè)金屬電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋石墨烯薄膜；其中，石墨烯的轉(zhuǎn)移方法為:將帶有銅箔基底的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薄膜支撐的石墨烯薄膜；將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撐的石墨烯薄膜用去離子水清洗后轉(zhuǎn)移到兩個(gè)金屬電極之間的襯底的上表面、兩個(gè)金屬電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁上；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CuS04、HCl和水組成，CuSO4:HCl:H20 = 10g:50ml:50ml ；
[0015](5)對(duì)步驟(4)中轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜光刻出叉指電極圖形，將光刻好的石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)真空腔室，通入氧氣對(duì)石墨烯薄膜進(jìn)行刻蝕，獲得石墨烯叉指電極；
[0016](6)氟化石墨烯的制備和轉(zhuǎn)移方法，具體方法如下:
[0017](a)將帶有銅箔基底的石墨烯薄膜進(jìn)行氟化:將石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)的真空腔室中，采用六氟化硫等離子體對(duì)石墨烯薄膜表面進(jìn)行氟化，形成氟化石墨烯；
[0018](b)將步驟(a)中形成的氟化石墨烯轉(zhuǎn)移至兩個(gè)金屬電極之間的襯底和叉指電極的上表面；其中，氟化石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法與步驟(4)中石墨烯的轉(zhuǎn)移方法相同。
[0019](7)當(dāng)采用柔性的襯底時(shí)，揭下制備有氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器的PDMS或者PI。
[0020]本發(fā)明采用寬禁帶的氟化石墨烯作為感光材料，吸收紫外光，過(guò)濾可見(jiàn)光，實(shí)現(xiàn)紫外探測(cè)；石墨烯作為柔性透明電極和有源層，石墨烯與氟化石墨烯接觸可以形成肖特基結(jié)，石墨烯電極是透明的，可以增強(qiáng)氟化石墨烯對(duì)紫外光的吸收；氟化石墨烯的電阻可達(dá)1ΤΩ以上，大大降低暗電流。以氟化石墨烯為吸收層，石墨烯為透明電極的二維紫外雪崩光電探測(cè)器將在柔性器件中有廣泛應(yīng)用。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0022]1、紫外光入射到以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器表面，被石墨烯和氟化石墨烯吸收。較大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APD
光二極管表面高電場(chǎng)作用下高速運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)碰撞電離效應(yīng)，產(chǎn)生數(shù)量為初始電子空穴對(duì)的幾十倍二次、三次新空穴電子對(duì)，從而形成很大的光信號(hào)電流，具有很高的增.、
Mo
[0023]2、石墨烯和氟化石墨烯形成肖特基淺結(jié)，入射紫外光容易被吸收，產(chǎn)生的電子空穴很快被內(nèi)部電場(chǎng)分離。在紫外光區(qū)域，量子效率很高。
[0024]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)。
[0025]4、叉指狀的石墨烯電極之間可以形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，更容易產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，降低能耗；相鄰電極之間距離小，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)。
[0026]5、氣化石墨稀的電阻很聞，大大降低暗電流，具有很聞的開(kāi)關(guān)比。
[0027]6、本發(fā)明提供的以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器所用材料以石墨烯為基本材料，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)柔性光電探測(cè)器。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1示出了以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2示出了本發(fā)明中實(shí)施例所制備的MSM APD紫光電探測(cè)器的石墨烯叉指電極光學(xué)顯微鏡圖；
[0030]圖中，襯底1、金屬電極2、石墨烯叉指電極3、氟化石墨烯4。

【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明提供的以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器的工作原理如下:
[0032]石墨烯與氟化石墨烯接觸形成肖特基結(jié)，相鄰石墨烯叉指電極與氟化石墨烯形成兩個(gè)背靠背的肖特基結(jié)。兩端電極加偏壓后，一個(gè)肖特基結(jié)正向偏置，另一個(gè)肖特基結(jié)反向偏置。當(dāng)入射紫外光照射到石墨烯/氟化石墨烯界面，石墨烯和氟化石墨烯吸收入射紫外光并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下，空穴流向正電極，電子流向負(fù)電極，形成光生電流。叉指狀的石墨烯電極之間可以形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，光生載流子高速運(yùn)動(dòng)，與氟化石墨烯中的原子產(chǎn)生碰撞離子化，更容易產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部增益，降低能耗。
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方法作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器，包括襯底1、金屬電極2、石墨烯叉指電極3和氟化石墨烯4 ;其中，所述襯底I的上表面兩側(cè)分別覆蓋一金屬電極2 ;在兩個(gè)金屬電極2之間的襯底I的上表面、兩個(gè)金屬電極2的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋石墨烯叉指電極3，金屬電極2上表面的石墨烯叉指電極3的兩翼的覆蓋范圍小于金屬電極2的邊界；在兩個(gè)金屬電極2之間的襯底I和石墨烯叉指電極3的上表面覆蓋氟化石墨烯4。
[0035]制作以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器的方法，包括以下步驟:
[0036](I)采用二氧化硅或云母作為絕緣的襯底I，或者在硅襯底上旋涂PDMS或PI形成均勻的薄膜，加熱讓其固化，形成柔性的襯底I ;
[0037](2)在襯底I表面光刻出金屬電極2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和的Cr黏附層,然后生長(zhǎng)50nm的Au電極；
[0038](3)石墨烯薄膜的制備: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；
[0039](4)在兩個(gè)金屬電極2之間的襯底I的上表面、兩個(gè)金屬電極2的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋石墨烯薄膜；其中，石墨烯的轉(zhuǎn)移方法為:將帶有銅箔基底的石墨烯薄膜表面均勻涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后放入刻蝕溶液中4h腐蝕去除銅箔，留下由PMMA支撐的石墨烯薄膜；將PMMA支撐的石墨烯薄膜用去離子水清洗后轉(zhuǎn)移到兩個(gè)金屬電極2之間的襯底I的上表面、兩個(gè)金屬電極2的上表面和內(nèi)側(cè)壁上；最后用丙酮和異丙醇去除 PMMA ;其中，所述刻蝕溶液由 CuS04、HC1 和水組成，CuSO4:HC1 =H2O = 10g:50ml:50ml ；
[0040](5)對(duì)步驟(4)中轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜光刻出叉指電極圖形，將光刻好的石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)真空腔室，通入氧氣(O2)對(duì)石墨烯薄膜進(jìn)行刻蝕，獲得石墨烯叉指電極3 ；
[0041](6)氟化石墨烯4的制備和轉(zhuǎn)移方法，具體方法如下:
[0042](a)將帶有銅箔基底的石墨烯薄膜進(jìn)行氟化:將石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)的真空腔室中，采用六氟化硫(SF6)等離子體對(duì)石墨烯薄膜表面進(jìn)行氟化，形成氟化石墨稀4 ；
[0043](b)將步驟(a)中形成的氟化石墨烯4轉(zhuǎn)移至兩個(gè)金屬電極2之間的襯底I和叉指電極3的上表面；其中，氟化石墨烯薄膜4的轉(zhuǎn)移方法與步驟(4)中石墨烯的轉(zhuǎn)移方法相同。
[0044](7)當(dāng)采用柔性的襯底I時(shí)，揭下制備有氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器的PDMS或者PI。
[0045]對(duì)上述以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器加偏壓，使其可以產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)增益。其中電壓的正極和負(fù)極分別連接到兩個(gè)金屬電極2上，如圖1所示。
[0046]圖2為本發(fā)明實(shí)施例所制備的石墨烯叉指電極光學(xué)顯微鏡圖片。每根石墨烯叉指電極是連續(xù)的，相鄰石墨烯叉指電極是斷開(kāi)的。通過(guò)本實(shí)施例可以獲得較高質(zhì)量的石墨烯叉指電極。
【權(quán)利要求】
1.以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器，其特征在于，包括襯底(1)、金屬電極(2)、石墨烯叉指電極(3)和氟化石墨烯(4);其中，所述襯底(1)的上表面兩側(cè)分別覆蓋一金屬電極(2);在兩個(gè)金屬電極(2)之間的襯底(1)的上表面、兩個(gè)金屬電極(2)的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋石墨烯叉指電極(3)，金屬電極(2)上表面的石墨烯叉指電極(3)的兩翼的覆蓋范圍小于金屬電極⑵的邊界；在兩個(gè)金屬電極⑵之間的襯底⑴和石墨烯叉指電極(3)的上表面覆蓋氟化石墨烯(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器，其特征在于，所述的襯底(1)為絕緣材料，選自二氧化硅、云母、PDMS或PI。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器，其特征在于，所述的金屬電極(2)是金屬薄膜電極，材料為鋁、金或金鉻合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器，其特征在于，所述的石墨烯叉指電極(3)為單層或多層石墨烯，形狀為叉指。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器，其特征在于，所述的氟化石墨烯(4)為單層或多層氟化石墨烯。
6.制備如權(quán)利要求1所述的以氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)采用二氧化硅或云母作為絕緣的襯底(1)，或者在硅襯底上旋涂PDMS或PI形成均勻的薄膜，加熱讓其固化，形成柔性的襯底(1); (2)在襯底(1)表面光刻出金屬電極(2)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和的Cr黏附層，然后生長(zhǎng)50nm的Au電極； (3)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； (4)在兩個(gè)金屬電極(2)之間的襯底(1)的上表面、兩個(gè)金屬電極(2)的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋石墨烯薄膜；其中，石墨烯的轉(zhuǎn)移方法為:將帶有銅箔基底的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薄膜支撐的石墨烯薄膜；將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撐的石墨烯薄膜用去離子水清洗后轉(zhuǎn)移到兩個(gè)金屬電極⑵之間的襯底⑴的上表面、兩個(gè)金屬電極⑵的上表面和內(nèi)側(cè)壁上；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CuS04、HC1 和水組成，CuS04:HC1:H20 = 10g: 50ml: 50ml ； (5)對(duì)步驟(4)中轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜光刻出叉指電極圖形，將光刻好的石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)真空腔室，通入氧氣對(duì)石墨烯薄膜進(jìn)行刻蝕，獲得石墨烯叉指電極(3)； (6)氟化石墨烯(4)的制備和轉(zhuǎn)移方法，具體方法如下: (a)將帶有銅箔基底的石墨烯薄膜進(jìn)行氟化:將石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)的真空腔室中，采用六氟化硫等離子體對(duì)石墨烯薄膜表面進(jìn)行氟化，形成氟化石墨烯(4)； (b)將步驟(a)中形成的氟化石墨烯(4)轉(zhuǎn)移至兩個(gè)金屬電極(2)之間的襯底(1)和叉指電極(3)的上表面；其中，氟化石墨烯薄膜(4)的轉(zhuǎn)移方法與步驟(4)中石墨烯的轉(zhuǎn)移方法相同； (7)當(dāng)采用柔性的襯底(1)時(shí)，揭下制備有氟化石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測(cè)器的PDMS或者PI。
【文檔編號(hào)】H01L31/107GK104300028SQ201410390595
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】徐楊, 孟楠, 萬(wàn)霞, 陸薇, 王雪, 郭宏偉, 阿亞茲, 俞濱 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)