[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

说明书

本发明公开了一种基于硅/石墨烯纳米膜/锗的垂直光电探测器及制备方法，该光电探测器包括单晶锗衬底、氧化铝介质层、二氧化硅氧化层、石墨烯纳米膜、金属电极和SOI顶硅。本发明在石墨烯/锗近红外光电探测器优异性能的基础上，使用厚度可调的石墨烯纳米膜，增加了器件的光吸收及响应波段，在石墨烯纳米膜上垂直堆叠微米级尺度SOI顶硅，形成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，在SOI顶硅和锗上施加两种不同方向偏压的条件下，既能实现对可见光的高响应度探测，又能实现对近红外、中红外光的宽光谱有效探测，将多/宽光谱探测功能集于单个器件，大大缩小了探测器的尺寸，提高了传统硅基器件能效极限。

技术领域

本发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种基于硅/石墨烯纳米膜/锗的垂直光电探测器及制备方法。

背景技术

在探测技术中，探测器就是“火眼金睛”，是人们探索未知世界的重要工具。光电探测器这种必不可缺的技术手段的发展和应用，推动着科学技术的发展和人类世界的进步。光电探测的原理是将光信号转变为电信号，基于传统材料的光电探测器，如硅、锗、碲镉汞、铟镓砷等，已经被广泛地应用于军事国防、国民生活中，且基于硅材料的CMOS工艺已经发展得相当成熟。但由于带隙的限制，硅/锗基探测器仅能实现近红外波段的探测，碲镉汞基探测器需要工作于低温条件下，因此大大限制了目前器件的响应波段范围和量子效率。将传统材料和新兴的二维材料相结合是一种比较好的方式，一方面拓宽了传统材料的能效极限，另一方面也为二维材料的发展提供了应用场景。石墨烯因其优异的光学和电学性能，在光电探测器领域的研究中脱颖而出，但单层石墨烯较低的光吸收率（2.3%），使得石墨烯器件的响应度较低。因此，如何将传统材料和二维材料相结合，制备高响应度、宽光谱、高速的室温光电探测器是目前研究的重点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于硅/石墨烯纳米膜/锗的垂直光电探测器及制备方法，该光电探测器能够有效探测可见光至中红外光波段，整体器件具有高光吸收、高探测率、高量子效率、室温工作能力等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本说明书的第一方面，提供一种基于硅/石墨烯纳米膜/锗的垂直光电探测器，包括单晶锗衬底、氧化铝介质层、二氧化硅氧化层、石墨烯纳米膜、金属电极以及SOI顶硅，其中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。

进一步地，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 - 50nm，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。

进一步地，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。

进一步地，所述石墨烯纳米膜为氧化石墨烯经还原后在温度2000℃以上烧结得到的高结晶度、低缺陷度薄膜。

进一步地，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。