[发明专利]一种短沟道半导体/石墨烯异质结光探测器的构筑方法

说明书

技术领域

本发明属于光探测领域，涉及一种短沟道半导体/石墨烯异质结光探测器的构筑方法。

背景技术

由于在包括通信、传感、环境保护和成像等商业和军事方面的应用，近年来光探测器已经引起了各界广泛的研究。当光敏材料被大于其半导体带隙的光激发后，会产生电子-空穴对，从而外电路的电流会增加，此信号可以被用作光电导器件的光探测。在此过程中，一部分光生电子-空穴对将不可避免地复合。如果缩短沟道长度，更多的光生载流子可以快速迁移到外电路电极中，从而减少电子-空穴对的复合。所以，有理由认为，在短沟道光探测器中，光探测器中包括光电流即灵敏度在内的性能可以得到很好的改进。然而，到目前为止，除了少数几个研究工作之外，很少有人开展通过减小沟道长度来增强光探测器性能方面的研究。这可能归因于构筑长度为100纳米尺度的短沟道器件仍然是一件极具挑战的事情。

发明内容

实验结果表明，具有超高载流子迁移率石墨烯与半导体薄膜的结合，为光敏材料在光照下所产生的光生载流子提供了一个快速的传输通道，能够获得高灵敏度的光探测器。在此，本发明提供了一种短沟道半导体/石墨烯异质结光探测器的构筑方法，通过将沟道长度减小至100纳米以下来进一步增强II-VI半导体/石墨烯异质结光探测器的灵敏度。

本发明采用的技术方案是：

一种短沟道半导体/石墨烯异质结光探测器的构筑方法，其特征在于包括以下步骤：

(1) 石墨烯的生长和转移：利用CVD法在1050°C~1100°C环境下通入20 sccm CH₄和100 sccmH₂ 40分钟，在铜箔表面生长单层连续石墨烯；随后使用PMMA作为载体将石墨烯转移至300纳米SiO₂/Si基底上；再通过在400℃环境下通入10 sccm H₂和20 sccm Ar低压退火1.5~2小时，除去用于石墨烯转移的PMMA载体，完成石墨烯的无缝转移；

(2) ZnS纳米线的生长：ZnS纳米线通过气-液-固机制生长机制，使用物理气相沉积法进行生长，具体为：将装有ZnS粉末的陶瓷舟放置在石英管的中心位置，将覆盖着很薄的Au薄膜的硅基底放置在位于石英管下游的另一陶瓷舟上，将炉加热至1050°C~1150°C，通入200sccm Ar并在该温度下保持90~100分钟；

(3) ZnS纳米线与石墨烯条带交叉结构的构筑：在将石墨烯薄膜转移到300纳米SiO₂/Si基底上之后，利用O₂等离子体蚀刻在通过光刻技术图案化的石墨烯上制备宽度为5微米的石墨烯条带阵列；之后，将ZnS纳米线以接近90°的角度转移到石墨烯条带上；

(4) 器件构筑：通过光刻技术选定所需区域，将厚度为18~20纳米Au薄膜镀在覆有单根ZnS纳米线与石墨烯条带交叉的区域上；在去除光刻胶之后，用稀H₂SO₄去除被Au薄膜覆盖着的ZnS纳米线；最后，在通过光刻技术固定该区域之后，将ZnSe薄膜镀在位于Au缝隙中的石墨烯条带上。

本发明的原理是：

首先，将平均直径为100纳米的ZnS纳米线以接近90°的角度转移到石墨烯条带上，构建由石墨烯条带与单根ZnS纳米线交叉的结构；之后，使用光刻技术，在与单根ZnS纳米线交叉的石墨烯条带上镀Au薄膜并随后除去ZnS纳米线掩膜来制作有着低于100纳米间隙的Au电极；最后，将ZnSe薄膜镀在位于Au电极间隙中的石墨烯条带上，低于100纳米沟道ZnSe/石墨烯异质结光探测器就构筑完成了。所构筑的低于100纳米沟道ZnSe/石墨烯异质结光探测器具有高达10⁹ A/W的超高灵敏度以及50毫秒的响应时间。这个结果是所有已经被公开的研究中灵敏度最高的，并且它要比5微米沟道ZnSe/石墨烯异质结光探测器高3个数量级。

本发明的优点是：

(1) 本发明方法缩短沟道长度至100纳米，更多的光生载流子可以快速迁移到外电路电极中，从而减少电子-空穴对复合并提高光探测器的灵敏度；

(2) 石墨烯具有超高的载流子迁移率，为光敏材料在光激发后所产生的载流子提供快速的传输通道，从而获得高性能光探测器；

(3) 工艺简单，成本低廉，具有较好的实用价值。

具体实施方式

一种短沟道半导体/石墨烯异质结光探测器的构筑方法，包括以下步骤：