一种三维硅基宏观石墨烯复合宽光谱探测器及制备方法

本发明属于光电探测，涉及一种三维硅基宏观石墨烯复合宽光谱探测器及制备方法。

背景技术：

1、随着社会的进步和科技的发展，对紫外、可见光以及红外响应的光电探测器在摄像头、医疗、安防、国防军事等领域有着广泛的应用需求。近年来，硅基光电探测器和图像传感器在推动信息时代的快速发展中发挥了至关重要的作用。其中，宽带频谱检测对于信息社会的未来发展至关重要。从紫外到红外，宽带光谱检测不仅提供了有价值的视觉和成像信息，而且有助于分析内部结构和组成。它的应用领域包括机器视觉、无人驾驶、环境监测、空间遥感和文物保护。然而，传统的si光电探测器受到si固有带隙的限制，限制了其光谱响应范围，阻碍了其满足未来基于si的智能认知芯片对宽带频谱检测的迫切需求。因此，将新材料、新结构与硅技术相结合是实现宽带频谱检测的关键。

2、公开号为cn110611010b的中国专利申请公开了一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器及其制备方法，在该专利中提到了通过硅纳米晶层与石墨烯层间的光致开关效应实现信号倍增来实现对紫外、可见及近红外光学频谱范围进行响应，但局限于单层石墨烯对光的有限的吸收率（单层仅为2.3%），电子体系的温度升高有限，热电子在高能区域的分布数量较少，不足以实现对远低于势垒的长波长光的收集和利用，极大的限制了该光电器件对长波长光的利用效率。

3、利用硅基芯片规模异构集成技术相对简单的量产和制备优势，硅基智能宽带频谱认知芯片的开发成为未来半导体技术发展的重点。通过化学气相沉积和宏观自组装制备大面积石墨烯来实现与硅的集成，有助于克服传统硅基器件的检测瓶颈，具有重要的研究意义。

4、公开号为cn111739963b的中国专利申请公开了一种硅基宽光谱光电探测器的制备方法，在该专利中提到了通过在硅基钝化层表面形成n型/p型双层pbs胶体量子点来实现从可见光到红外光的宽光谱探测，但受限于量子点本身的不均匀分布，无法有效实现大面积的片上集成，且单纯地利用两者材料的结合在宽光谱范围内的吸收普遍较弱，其次，处理量子点的溶液具有一定的毒性，不利于健康环保。

5、公开号为cn105720197b的中国专利申请公开了一种自驱动宽光谱响应硅基杂化异质结光电传感器及其制备方法，在该专利中提到了通过将硅纳米线与有机聚合物半导体薄膜构成三维立体的异质结接触来实现宽光谱探测，但由于仅有硅纳米线起主要吸收作用，使得其仅能实现300nm-1100nm范围内的光谱响应，器件整体的探测效率受限。

6、本发明可片上集成，首次实现了宏观组装石墨烯纳米结构和硅纳米结构的复合，解决了现有硅基石墨烯光电探测器在超宽光谱范围内尤其是红外波段探测性能弱的问题，并且无需制冷，在室温条件下即可工作，对于红外波段的探测来说是一个巨大突破。其次，也能在无需偏压的条件下工作，有望带来极低能耗甚至零能耗，具有低能耗的优势。为此，发明人提出了本发明。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的不足，提供了一种三维硅基宏观石墨烯复合宽光谱探测器及制备方法，首次实现了宏观组装石墨烯纳米结构和硅纳米结构的复合，解决了现有硅基石墨烯光电探测器在超宽光谱范围内尤其是红外波段探测性能弱的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三维硅基宏观石墨烯复合宽光谱探测器，该光电探测器包括：

3、硅层，其上设置绝缘介质层，绝缘介质层和硅层具有同心凹槽，绝缘介质层上方设置有顶层电极，硅层下方设置有底层接触电极；

4、三维硅纳米条带，设置于硅层上的凹槽内并与硅层相连；

5、宏观组装石墨烯，设置于顶层电极和绝缘介质层上方且直接接触，并与三维硅纳米条带相接触形成肖特基节；位于绝缘介质层凹槽区域内的部分经过图案化制成宏观组装石墨烯纳米条带。

6、进一步地，所述绝缘介质层的凹槽为穿孔槽，所述顶层电极设置于所述绝缘介质层上方并以所述绝缘介质层的穿孔凹槽为中心进行排布。

7、进一步地，所述绝缘介质层的穿孔凹槽为多边形槽或者圆形槽；所述顶层电极以所述绝缘介质层的穿孔凹槽为中心的分布为呈四角分布、人字形分布或者梅花状分布的任意一种；所述绝缘介质层为二氧化硅、氮化硅、氮化硼、氮氧化硅、氧化铝或者金红石型二氧化钛的任意一种；所述的绝缘介质层的制备工艺为热氧化生长、等离子体增强化学气相沉积pecvd炉生长、原子层沉积ald或者电子束蒸发沉积氧化硅的任意一种。

8、进一步地，所述三维硅纳米条带和所述宏观组装石墨烯纳米条带基于异质超材料复合来实现从深紫外-可见光-近红外波段的超宽光谱高性能探测。

9、进一步地，当辐射光子入射光电探测器时，利用所述宏观组装石墨烯的多层结构和与三维硅纳米条带及宏观组装石墨烯纳米条带的复合结构设计，两个纳米条带均会对光子进行协同吸收激发辐射电子，产生的光生电子-空穴对在外加偏压的作用下进行分离，最终被两端的电极所收集，所激发的辐射电子在所述宏观组装石墨烯纳米条带与所述三维硅纳米条带的层间及垂直传输方向行进过程中撞击束缚的电子，被撞击的电子继续撞击其它束缚电子，收集到的光响应即可反映入射粒子的辐射能量大小；

10、在施加外部偏压时，辐射电子和被撞击的电子在到达所述宏观组装石墨烯/半导体界面处触发光电效应，通过响应电流的读取，实现对辐射信号及强度的实时读出，通过光照产生开路电压和短路电流而无需外部供能，光照本身能够让器件在室温条件下工作，实现对红外波段进行探测。

11、进一步地，所述三维复合纳米条带结构的制备具体为：利用纳米条带金属掩膜，使用感应耦合等离子干法刻蚀系统icp对宏观组装石墨烯薄膜进行刻蚀，首先制备出图形化的所述宏观组装石墨烯纳米条带；利用纳米条带金属掩膜，再一次进行icp刻蚀，得到所述三维硅纳米条带，200℃条件下，使用氯气去除表面纳米条带金属掩膜，最终得到三维的硅条带纳米结构与宏观组装石墨烯纳米条带组成的三维复合纳米条带结构；所述宏观组装石墨烯纳米条带和所述三维硅纳米条带的结构单元图形设计为：每两个矩形纳米带之间连接有一个方形纳米块结构，结构总体呈轴对称。

12、进一步地，所述宏观组装石墨烯为晶向堆叠角一致的多层石墨烯纳米薄膜，或者是溴、氯化钼、氯化铜或二硫化钼掺杂的宏观组装石墨烯纳米薄膜；所述宏观组装石墨烯通过机械剥离、抽滤烧结法或者化学气相沉积法制备，其厚度为30～60nm。

13、进一步地，所述硅层和所述三维硅纳米条带的材质能够用锗、铟镓砷、砷化镓、碲化镉、磷化铟、碳化硅或者氮化镓中的任意一种替换。

14、进一步地，所述底层接触电极为镓-铟合金、 金属硅化物或者金属铝的任意一种，用作所述硅层与所述顶层电极进行欧姆接触；所述顶层电极的材料为金、铝、铂、钛金合金、铬金合金或者氧化铟锡的任意一种；所述顶层电极的沉积工艺为热蒸发、电子束蒸发或者磁控溅射工艺的任意一种。

15、另一方面，本发明还提供了一种三维硅基宏观石墨烯复合宽光谱探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：

16、（1） 硅衬底的准备：将硅片切至所需尺寸，对其进行表面清洗处理，依次将其放入丙酮、异丙醇、去离子水溶液中进行超声清洗，取出氮气吹干；

17、（2）顶层电极的图形化：将清洗好的硅片进行光刻胶旋涂，使光刻胶均匀覆盖于硅片表面，然后进行前烘、光刻和显影操作，并进行金属的沉积操作，再用丙酮对除电极图形外的其余金属进行剥离，再用异丙醇对丙酮进行清洗，即可得到完整的电极图形；

18、（3）硅窗口的图形化：重复步骤（2）中匀胶-前烘-光刻-显影的步骤，使光刻胶完全固化，实现湿法刻蚀中对光刻胶下层氧化层的保护；然后在缓冲氧化物刻蚀boe溶液中对未被光刻胶保护的窗口区域进行氧化层的刻蚀，从boe溶液中取出器件后，在水中清洗，再用丙酮和异丙醇进行去胶处理，完成硅窗口的图形化制备；

19、（4）宏观组装石墨烯的转移：采用抽滤法在多孔纳米氧化铝模板（aao）上制备氧化还原石墨烯薄膜，烧结后形成宏观组装石墨烯薄膜；宏观组装石墨烯薄膜的转移方法为：在顶层电极和硅窗口处滴加乙醇和去离子水混合液，然后撕取小块宏观组装石墨烯薄膜，将其平整铺在混合液球滴上，然后用氩气将混合液吹走，使宏观组装石墨烯薄膜区域平整的覆盖硅窗口和顶层电极区域，与其紧密接触；

20、（5）纳米条带金属掩膜的制备：对上述工艺后的硅片进行匀胶，旋涂电子束光刻胶并烘干；曝光之后形成倒梯形结构；在旋涂后的薄膜材料上进行电子束光刻；光刻图形的表面电子束蒸镀金属；去除有电子束胶部分的铝，之后进行icp刻蚀，光刻出设计纳米条带图案，通过电子束蒸发进行金属的沉积，丙酮剥离，得到纳米条带金属掩膜；

21、（6）三维复合纳米结构的制备：利用纳米条带金属掩膜，使用icp对宏观组装石墨烯薄膜进行刻蚀，制备出图形化的宏观组装石墨烯纳米条带；利用纳米条带金属掩膜，再一次进行icp刻蚀，得到三维的硅条带纳米结构，使用氯气去除表面纳米条带金属掩膜，最终得到三维的硅条带纳米结构与宏观组装石墨烯纳米条带组成的三维复合纳米结构；

22、（7）底层接触电极的制备：在上述器件的硅的背面制作底层接触电极，用于底层接触电极与顶层电极进行欧姆接触。

23、本发明的有益效果：本发明可片上集成，首次实现了宏观组装石墨烯纳米结构和硅纳米结构的复合，解决了现有硅基石墨烯光电探测器在超宽光谱范围内尤其是红外波段探测性能弱的问题，并且无需制冷，在室温条件下即可工作，对于红外波段的探测来说是一个巨大突破。其次，也能在无需偏压的条件下工作，有望带来极低能耗甚至零能耗，具有低能耗的优势。