[发明专利]基于硅/石墨烯纳米膜/锗的垂直光电探测器及制备方法

权利要求书

1.一种基于硅/石墨烯纳米膜/锗的垂直光电探测器，其特征在于，包括单晶锗衬底，所述单晶锗衬底上生长氧化铝介质层，所述氧化铝介质层上生长二氧化硅氧化层，所述二氧化硅氧化层上开有贯穿至所述氧化铝介质层的锗窗口；所述锗窗口上覆盖条带状的石墨烯纳米膜，所述石墨烯纳米膜的两端引出两个生长在所述二氧化硅氧化层上的金属电极，并形成欧姆接触；所述石墨烯纳米膜上覆盖条带状的SOI顶硅，所述SOI顶硅的两端引出两个生长在所述二氧化硅氧化层上的金属电极，并形成欧姆接触；所述单晶锗衬底背面设置金属背电极，并形成欧姆接触；所述SOI顶硅、石墨烯纳米膜和单晶锗衬底的交叠区域形成SOI顶硅/石墨烯纳米膜肖特基结，以及石墨烯纳米膜/单晶锗衬底肖特基结，肖特基结产生的信号通过四个金属电极及一个金属背电极引出；

所述氧化铝介质层是在清洗干净单晶锗衬底上表面态后生长的；

所述石墨烯纳米膜为氧化石墨烯经还原后在温度2000℃以上烧结得到的；

当通过与SOI顶硅连接的金属电极和与单晶锗衬底连接的金属背电极施加不同方向的偏压时，所述交叠区域形成的SOI顶硅/石墨烯纳米膜以及石墨烯纳米膜/单晶锗衬底两个肖特基结处于相反的偏置状态，使得石墨烯纳米膜中光生电子和空穴分别有效分离至SOI顶硅和单晶锗衬底中，避免载流子的复合，提高量子效率；

当继续通过与石墨烯纳米膜连接的金属电极施加不同方向和大小的偏压时，可调节石墨烯纳米膜的费米能级，从而改变两个肖特基结的势垒高度，使得不同能量的光生载流子能够越过势垒，实现从可见光至中红外光范围的宽光谱探测。

2.根据权利要求1所述的基于硅/石墨烯纳米膜/锗的垂直光电探测器，其特征在于，所述SOI顶硅的厚度为1 - 2 μm，所述石墨烯纳米膜的厚度为20 - 50 nm，所述二氧化硅氧化层的厚度为100 - 300 nm，所述氧化铝介质层的厚度为1 - 3 nm，所述金属电极的厚度为60 - 100 nm。

3.一种如权利要求1所述的基于硅/石墨烯纳米膜/锗的垂直光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将单晶锗衬底进行表面态清洗，清洗后立即在表面生长氧化铝介质层；

S2：在氧化铝介质层上生长二氧化硅氧化层；

S3：在二氧化硅氧化层上光刻显影锗窗口图案，刻蚀锗窗口内的二氧化硅，得到能够与石墨烯纳米膜形成肖特基结的锗窗口；

S4：在二氧化硅氧化层上光刻显影四个金属电极图案，生长金属层，剥离除四个金属电极图案外的金属层，洗去光刻胶，得到四个金属电极；

S5：在阳极氧化铝基底上抽滤得到氧化石墨烯薄膜，化学还原氧化石墨烯薄膜，将还原后的氧化石墨烯薄膜从阳极氧化铝基底上剥离，经过2000℃以上高温烧结后得到石墨烯纳米膜；

S6：转移条带状的石墨烯纳米膜至锗窗口处，并使石墨烯纳米膜与两个相对的金属电极形成欧姆接触，对此刻形成的器件进行退火处理，退火环境为氮气氛围，退火温度为500℃，持续时间为5 - 10 min；

S7：转移条带状的SOI顶硅至锗窗口处，与石墨烯纳米膜相交叠，并使SOI顶硅与其余两个相对的金属电极形成欧姆接触；

S8：在单晶锗衬底背面设置金属背电极，并形成欧姆接触，对此刻形成的器件进行退火处理，退火环境为氮气氛围，退火温度为500 ℃，持续时间为5 - 10 min，最终得到垂直光电探测器。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述单晶锗衬底用去离子水、质量分数为5 %的稀氢氟酸溶液、质量分数为5 %的稀盐酸溶液、丙酮、异丙醇进行表面态清洗处理后，立即放入原子层沉积设备内进行氧化铝介质层的生长。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S5中，在阳极氧化铝基底上抽滤得到20 - 50 nm厚度的氧化石墨烯薄膜，用氢碘酸化学还原氧化石墨烯薄膜，将樟脑均匀铺设于还原后的氧化石墨烯薄膜表面，加热融化，冷却凝固，室温升华，剥离得到还原后的氧化石墨烯薄膜，以30 ℃/min以下的升温速率，将剥离得到的薄膜升温至2000 ℃以上，保持1 - 16 h，得到石墨烯纳米膜。