[发明专利]基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器及制备方法，该光电探测器包括n型硅衬底、顶电极、石墨烯薄膜、掺硼硅量子点薄膜和底电极；本发明光电探测器可以进行宽光谱探测，解决了传统硅基PIN结对红外探测响应低的问题；该探测器以石墨烯作为有源层和透明电极，消除死层，增强入射光的吸收；掺硼硅量子点薄膜在中间减少了硅表面态的影响，同时抑制了反向饱和电流；在一定的反向偏压作用下，光生载流子与硅晶格产生碰撞离子化，获得较高的光电响应；本发明采用的制备工艺简单，成本低廉，具有响应度高，响应速度快，内部增益大，开关比小，易于集成的特点。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器及制备方法。

背景技术

光学探测器在化学材料分析、医疗卫生、空间技术等方面具有广泛的应用。光电探测器具有高灵敏度，高光学响应，响应速度快等优点，在高速调制和微弱信号监测方面有重要应用。传统硅基PIN结型探测器件需要热扩散或者离子注入工艺，而且对红外光几乎不吸收，因此红外波段响应随入射光波长的增加而迅速降低甚至为零。因此，需要提高硅光探测器件对长波长红外光的响应。

石墨烯是由单层sp²杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。单层石墨烯只吸收2.3％的光，可以作为透明导电薄膜。掺硼硅量子点是通过冷等离子体法制备的。通过在等离子体中加入硼原子的前驱体便可以制备硼掺杂的硅量子点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器及制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器，包括：n型硅衬底、二氧化硅隔离层、顶电极、石墨烯薄膜、掺硼硅量子点薄膜和底电极；其中，所述n型硅衬底的上表面覆盖二氧化硅隔离层，在二氧化硅隔离层上开有硅窗口，使二氧化硅隔离层成回形结构，在二氧化硅隔离层的上表面覆盖顶电极，顶电极的边界小于二氧化硅隔离层的边界(顶电极的内边界小于二氧化硅隔离层的内边界，顶电极的外边界小于二氧化硅隔离层的外边界)，在硅窗口与n型硅衬底交界处覆盖掺硼硅量子点薄膜；在顶电极的上表面覆盖边界小于顶电极的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的中心部位接触掺硼硅量子点薄膜；在n型硅衬底下表面设置底电极。

进一步地，所述的二氧化硅隔离层厚度为300nm。

进一步地，所述的顶电极是金属薄膜电极，材料为铬金合金。

进一步地，所述的底电极是金属薄膜电极，材料为镓铟合金。

进一步地，所述的掺硼硅量子点薄膜厚度为30-40nm。

进一步地，所述的掺硼硅量子点薄膜是通过冷等离子体法制备的，通过在等离子体中加入硼原子的前驱体制备硼掺杂的硅量子点，硼原子的前驱体为乙硼烷(B₂H₆)。掺硼硅量子点在可见光近红外乃至中红外都有吸收，尤其是中红外有较强的吸收峰，存在局部等离子激元效应(LSPR)。

一种制备基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器的方法，包括以下步骤：

(1)在n型硅衬底的上表面氧化生长二氧化硅隔离层，所用n型硅衬底的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层的厚度为300nm～500nm，生长温度为900～1200℃；

(2)在二氧化硅隔离层表面光刻出回形顶电极图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长60nm的金电极；