[发明专利]一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构及其制备方法

说明书

一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构及其制备方法，属于光电探测器技术领域。该光电探测器的结构从下至上依次是：玻璃作为器件的衬底；垂直石墨烯作为器件的光吸收层和电子传输层；氧化铟锡薄膜作为透明电流辅助扩散层；垂直石墨烯两侧是钛/金电极连接外部电源。由于垂直石墨烯具有宽光谱响应特性，使得该探测器的工作波段从可见光到红外波段，本发明设计的氧化铟锡薄膜层可有效的传输光生载流子，抑制缺陷影响，提升器件的输出光电流。另外，该探测器拥有较高的光吸收率和光响应度，在较低的偏压下就可以进行工作，工艺制备简单可重复，有效提高探测器的探测效率和成品率。

技术领域

本发明属于新型材料光电探测器的结构设计及其制备方法，特别是一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构设计及其制备方法。

背景技术

光电探测器是一种把光信号转为电信号的器件，光探测和光电探测器在现代社会中具有重要的意义，从成像、通讯设备、各种传感器的安全监控，以及显示技术到基本的科学应用，如观察宇宙。一般来说，电子跃迁应该至少有两个能级，只有能量大于这两个能级之间能量差的入射光子才能被吸收。因此，例如基于InGaAs的红外探测器和基于硅基的光电探测器，这些半导体光电探测器，它的探测波长范围很有限。然而，石墨烯的零带隙的结构特征使得其可吸收光的波长范围很广，包括紫外光、可见光、红外光甚至到太赫兹，没有传统探测器的波长限制。石墨烯的超高载流子迁移率也使得石墨烯基光电探测器的响应速度变快。因此，在理论上和实验都对石墨烯探测器进行了广泛的研究。但是当前石墨烯光电探测器的光响应率处于几个mA/W的水平，响应度低的主要原因：单层石墨烯的较弱的光吸收，同时载流子寿命在ps量级。

垂直石墨烯是一种多层石墨烯直立在基底上形成的二维碳纳米结构，每个独立的垂直石墨烯薄片的高度和宽度从10纳米到数十微米可调，但是厚度仅有几纳米，甚至小于1nm，每个石墨烯片包含1到10层石墨烯，每层相距0.34nm到0.37nm。垂直取向石墨烯本质上是石墨烯，但它也具有独特的结构特征。因此，垂直石墨烯不仅具有石墨烯的性质，而且具有定向排列所引起的一些独特的特性。除了石墨烯的一般特性之外，垂直取向石墨烯还有一些独特的性质，使得它们在许多方面与传统的石墨烯薄膜有显著的不同。垂直取向石墨烯具有独特的取向、非堆叠形态以及大的比表面积，由于这些不同寻常的特性，其拥有许多独特的机械、化学、电子、电化学和光电特性，这些特性可以在广泛的应用中发挥其潜在用途。

发明内容

由于垂直石墨烯拥有独特光电特性，以及氧化铟锡薄膜具有良好的透光性和电荷传输性能，本发明提供了一种新型垂直石墨烯光电探测器，以及介绍了探测器的制备方法。这种光电探测器具有较高的光吸收率和光响应度。

该器件的垂直石墨烯是一种多层石墨烯直立在基底上形成的二维碳纳米结构，具有高的比表面积。把垂直石墨烯作为探测器的光吸收层，使探测表面积最大化，极大程度地增加器件的探测区域，进而增加了探测器对光的吸收。

本发明氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器，其特征在于，其结构从下至上依次是：玻璃作为器件的衬底；在衬底上的垂直石墨烯作为器件的光吸收层和电子传输层；在垂直石墨烯上的氧化铟锡薄膜作为透明电流辅助扩散层；垂直石墨烯两侧是钛/金电极连接外部电源。

该器件的垂直石墨烯是由与衬底接触的水平缓冲层和垂直生长在缓冲层上的石墨烯薄片阵列构成。若单独将垂直石墨烯作为探测器的光吸收层时，光源照射在垂直石墨烯表面，石墨烯薄片吸收光能产生非平衡载流子，当载流子流向相应电极时，会流经缓冲层。缓冲层主要由无定形碳或碳化物构成，其厚度低于石墨烯薄片阵列的高度。无定形碳具有较多的缺陷和较大的电阻，影响了载流子的输运，进而增加了探测器的响应速度，降低了探测性能。