一种石墨烯/黑硅复合结构光电探测器结构

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种石墨烯/黑硅光电探测器结构。

背景技术

近年来，随着光电探测器研究与开发的不断成熟,以硅、锗等半导体材料为基础的传统光电探测器在响应波段拓展等方面的发展开始遭遇瓶颈,因此为光电探测技术寻找新的材料或者结构就显得尤为迫切。其中，石墨烯由于其基平面内的Π电子可以自由移动，具有远高于硅的电子迁移率，且单层石墨烯对光的吸收率只有2.3%，因此其常被作为透明导电薄膜用于光电探测器件中。石墨烯作为探测器材料时，对弱光响应度高，而随着探测光功率增大，石墨烯探测器极容易饱和，响应度极大降低。为了解决这些问题，石墨烯与其他材料复合结构的光电探测器也逐渐被开发出来,利用基底进行光吸收，其中石墨烯/硅光电探测器光电转化效率最高，故具有良好的潜力。而黑硅由于对250 nm～2500 nm范围的光吸收率高达90%以上，几乎覆盖了整个可见光波段和近红外波段，在光电探测领域具有极其重要的潜在应用价值而被广泛的应用于硅基红外探测领域研究，并取得了一系列突出的研究成果。更进一步地，通过表面钝化等处理，在同等的工作偏压下黑硅光电探测器实现了与商用锗探测器相比拟的红外响应。

通过已有的一些研究可以发现，传统石墨烯/硅光电探测器响应度较高，但硅材料的禁带宽度较大（1.12eV），而传统石墨烯/硅光电探测器主要依靠硅材料进行光吸收，石墨烯仅作为高迁移率的透明电极，对大于1000 nm波长光的响应度很低，一般不能用于红外波段的光探测。而传统黑硅光电探测器探测范围较宽，但黑硅中载流子迁移率低，寿命短，表面载流子复合产生的暗电流大等缺点限制了其响应度的提高。由此可见，通过某些特定的方法在扩展光探测器的探测范围的同时实现高响应度和响应速度，意义十分重大。

为了解决上述问题，本发明提出了一种石墨烯/黑硅光电复合探测器结构，这种光电探测器相比于黑硅探测器和石墨烯/硅光电探测器而言，具有响应范围广且响应度高、响应速度快的优点。

发明内容

本发明的目的是在黑硅光电探测器以及石墨烯/硅光电探测器的基础上提供一种新的石墨烯/黑硅光电复合光电探测器结构，该探测器通过利用石墨烯透过率高，载流子迁移率高的优点，以及黑硅表面掺杂层对红外光的吸收特性，实现光电探测器整体性能的提升。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种石墨烯/黑硅复合光电探测器结构，包括：Si衬底、位于硅衬底表面的重掺杂层、位于重掺杂层上方的石墨烯层、设置在石墨烯层上表面的上端电极以及覆盖整个Si衬底下表面的金属下端电极；所述石墨烯层与上端电极之间形成欧姆接触。

在本发明中，所述重掺杂层是通过飞秒/纳秒激光在含掺杂元素的气氛下辐照硅实现重掺杂，或通过飞秒/纳秒激光辐照表面蒸镀有含掺杂元素材料的硅实现重掺杂，或通过离子注入的方式实现重掺杂，再通过快速热退火的方式激活重掺杂黑硅中的杂质原子从而大幅提高载流子浓度并修复晶格损伤和缺陷后得到的。

在本发明中，所述石墨烯层是通过化学气相沉积法制备后，借助聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）转移到第六族元素重掺杂黑硅的吸光面上的。

在本发明中，所述上端电极和下端电极为金属薄膜电极且应与石墨烯间形成欧姆接触，金属材料为铝（Al）、金 （Au）或金铬合金（Au/Cr）。

本发明的工作原理是：待测光入射到石墨烯/黑硅复合光电探测器表面上，一部分黑硅中的价电子在吸收足够的光子能量后将跃迁至导带上，形成电子-空穴对。电子-空穴对在内建电场的作用下被分离，空穴沿内建电场的同方向运动，电子沿内建电场的反方向运动，分别经由石墨烯层和黑硅内部由上下端电极传输至外电路中，形成光生电流。

本发明同现有技术相比，其有效效果表现在：

1.本发明用石墨烯做透明电极，增大了电极与黑硅表面微结构的接触，有利于光生载流子的收集，部分抵消黑硅载流子迁移率低且寿命短对响应度的影响，从而提高传统黑硅光电探测器的性能。

2.本发明利用黑硅对250nm～2500nm范围的光吸收率高达90%以上，几乎覆盖了整个可见光波段和近红外波段的特性使探测波长范围在石墨烯/硅探测器的基础上得到了拓宽。

附图说明

图1为本发明的石墨烯/黑硅复合光电探测器中的制备流程图。

图2为本发明的石墨烯/黑硅复合光电探测器的立体结构图；

图2中，1是金属上端电极，2是石墨烯层，3是硫元素重掺杂的黑硅层，4是金属下端电极，5是单晶硅衬底。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完善地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，包括N型Si衬底、硫元素重掺杂层、石墨烯层、金属上端电极以及金属下端电极。N型Si衬底可采用高阻Si单晶片；硫元素重掺杂层可通过飞秒激光对在一定压强大小的六氟化硫（SF

以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。