[发明专利]光检测元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种光检测元件，更具体地，涉及一种使用将p型石墨烯和n型石墨烯垂直均质接合的光检测层的光检测元件。

背景技术

近来，检测出光来将其转换为电信号的光检测元件的研究，被不断地报道。已经商业化的Si、Ge和InGaAs光检测元件分别被广泛应用于紫外线、可见光线、红外线区域的光检测。但是，由于Si和Ge可以在室温下运作，但光检测范围有限，而InGaAs只有冷却至4.2K才可以发挥高灵敏度的性能。此外，最近最大限度地提高便携性且透明、可弯曲的元件，一直希望作为下一代光电元件。为了实现这一点，需要使用透明、可弯曲的基板来进行元件工艺，但是这种基板不耐热，要想使用在高温下生长的Si、Ge、InGaAs等材料来制作可弯曲的元件，存在很多困难。即使可以制作，其制作工艺也很复杂，并且随之发生的很多费用也无可避免，要想将其商业化存在很多制约。由此，需要探索出工艺简单、费用较少、不仅可应用于弯曲或透明的基板上、而且还可以检测到较宽区域的光、可发挥高灵敏度、高效率的光检测元件制作中适合的材料和结构。

2010年获得诺贝尔物理学奖的石墨烯，作为碳原子形成六角形的蜂窝形状且具有1个原子的厚度的结构，由于其高载流子迁移率、高透明度增加、即便弯曲也不改变的电特性等新特征，到目前为止已被许多研究报道，且被称作是梦想的纳米材料。特别是，由于石墨烯是没有带隙的结构，可以吸收从紫外线到红外线的较宽区域的光来产生电子-空穴对(electron-hole pair)，是有希望成为下一代光电子元件的材料，到目前为止已有基于石墨烯的光检测元件的研究报道。

但是，到目前为止报道的石墨烯光检测元件结构，以栅极电压来调节电荷种类及浓度，以在栅极附近形成的石墨烯p-n水平结构，或以与PbS或CdSe之类的高效率的光检测能力被证明的材料的复合结构，或以石墨烯-金属接合等制作发明。但是，光检测能力降低或结构上实质上的元件应用中有很多困难。因此，在使用石墨烯的优异性能的同时，开发可以以低费用容易实现的高性能元件，是首要重要的。

发明内容

技术问题

石墨烯的p-n接合结构，不存在由于克莱恩隧道(Klein tunneling)效果造成的典型的二极管整流特性，由于因其发生高的暗电流(dark current)，因此在高效率的光检测元件领域的应用中是很困难的。因此，为进行高效率的石墨烯光检测元件开发，应降低暗电流，并增加光电流。另外，石墨烯或n型石墨烯还必须同时克服一个问题，就是当暴露于大气中时其电特性会变成p型。

本发明要解决的课题是，根据掺杂量制造的石墨烯，评价p-n垂直接合的光检测特性，由此来提供包含石墨烯p-n垂直均质接合二极管的光检测元件。

通过本发明要解决的课题，不限于上述课题，未提及的其他课题，本领域技术人员可以从下面的说明中清楚地理解。

解决问题的方案

用于解决上述课题的本发明的光检测元件的一个方面，包括：基板；光检测层，其作为形成在所述基板上的光检测层，包括p-n垂直均质接合的石墨烯，具有在350nm至1100nm范围内超过10E11(Jones)的检测能；和形成在所述光检测层上的第一电极和第二电极。

在本发明的几个实施例中，所述光检测层包括依次叠层的第一石墨烯和第二石墨烯，所述第一石墨烯是n型石墨烯，第二石墨烯是p型石墨烯。

在本发明的几个实施例中，所述第一石墨烯和所述第二石墨烯分别是单层的石墨烯。

在本发明的几个实施例中，所述第一石墨烯和所述第二石墨烯接触形成。

在本发明的几个实施例中，所述第一石墨烯，包括形成在所述第一石墨烯和所述第二石墨烯的边界面处的高电阻层。

在本发明的几个实施例中，所述光检测层，进一步包括形成在所述第一石墨烯和第二石墨烯之间的插入层。

在本发明的几个实施例中，所述插入层包括半导体层和绝缘层中的一个。

在本发明的几个实施例中，被施加至所述第一电极和所述第二电极上的电压在2(V)至5(V)之间，所述光检测层具有在350nm至1100nm范围内超过10E11(Jones)的检测能。

本发明的更具体的细节包括在以下的详细说明及附图中。

有益效果