一種以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的製作方法

2023-10-06 08:02:00

本發明屬於光電探測技術領域，涉及光電探測器件結構，尤其涉及一種以氟化氮摻雜石墨烯為感光材料，氮摻雜石墨烯/氟化氮摻雜石墨烯/氮摻雜石墨烯(msm)結構的紫外雪崩光電探測器(apd)及製備方法。

背景技術：

氮摻雜石墨烯是由單層sp2雜化碳原子構成的蜂窩狀二維平面晶體薄膜，具有優異的力、熱、光、電等性能。與普通金屬不同，氮摻雜石墨烯是一種具有透明和柔性的新型二維導電材料。氮摻雜石墨烯和半導體接觸可以形成肖特基結，製備工藝簡單，在光電探測領域有廣泛應用。

氟化氮摻雜石墨烯是氮摻雜石墨烯的衍生物，利用氟化氙(xef2)，六氟化硫(sf6)和八氟環丁烷(c4f8)等含氟氣體對氮摻雜石墨烯進行氟化，可以製備氟化氮摻雜石墨烯。通過改變氮摻雜石墨烯的氟化率，可以將氮摻雜石墨烯由導體變為半導體或者絕緣體。氮摻雜石墨烯氟化後禁帶寬度可從0.0ev增加到3.0ev。氟化氮摻雜石墨烯是一種寬禁帶半導體，可以吸收紫外光而透過可光，適合作為紫外光電探測器的感光材料。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器及製備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器，包括襯底、金屬電極、氮摻雜石墨烯叉指電極和氟化氮摻雜石墨烯；其中，所述襯底的上表面兩側分別覆蓋一金屬電極；在兩個金屬電極之間的襯底的上表面、兩個金屬電極的上表面和內側壁上覆蓋氮摻雜石墨烯叉指電極，金屬電極上表面的氮摻雜石墨烯 叉指電極的兩翼的覆蓋範圍小於金屬電極的邊界；在兩個金屬電極之間的襯底和氮摻雜石墨烯叉指電極的上表面覆蓋氟化氮摻雜石墨烯。

進一步地，所述的襯底為絕緣材料，選自二氧化矽、雲母、pdms或pi。

進一步地，所述的金屬電極是金屬薄膜電極，材料為鋁、金或金鉻合金。

進一步地，所述的氮摻雜石墨烯叉指電極為單層或多層氮摻雜石墨烯，形狀為叉指。

進一步地，所述的氟化氮摻雜石墨烯為單層或多層氟化氮摻雜石墨烯。

製備上述以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的方法，包括以下步驟：

(1)採用二氧化矽或雲母作為絕緣的襯底，或者在矽襯底上旋塗pdms或pi形成均勻的薄膜，加熱讓其固化，形成柔性的襯底；

(2)在襯底表面光刻出金屬電極圖形，然後採用電子束蒸發技術，首先生長厚度約為5nm和的cr黏附層，然後生長50nm的au電極；

(3)氮摻雜石墨烯薄膜的製備：採用化學氣相沉積方法在銅箔基底上製備氮摻雜石墨烯薄膜；

(4)在兩個金屬電極之間的襯底的上表面、兩個金屬電極的上表面和內側壁上覆蓋氮摻雜石墨烯薄膜；其中，氮摻雜石墨烯的轉移方法為：將帶有銅箔基底的氮摻雜石墨烯薄膜表面均勻塗覆一層聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然後放入刻蝕溶液中4h腐蝕去除銅箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撐的氮摻雜石墨烯薄膜；將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撐的氮摻雜石墨烯薄膜用去離子水清洗後轉移到兩個金屬電極之間的襯底的上表面、兩個金屬電極的上表面和內側壁上；最後用丙酮和異丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蝕溶液由cuso4、hcl和水組成，cuso4∶hcl∶h2o＝10g∶50ml∶50ml；

(5)對步驟(4)中轉移的氮摻雜石墨烯薄膜光刻出叉指電極圖形，將光刻好的氮摻雜石墨烯薄膜放入反應離子刻蝕系統真空腔室，通入氧氣對氮摻雜石墨烯薄膜進行刻蝕，獲得氮摻雜石墨烯叉指電極；

(6)氟化氮摻雜石墨烯的製備和轉移方法，具體方法如下：

(a)將帶有銅箔基底的氮摻雜石墨烯薄膜進行氟化：將氮摻雜石墨烯薄膜放入反應離子刻蝕系統的真空腔室中，採用六氟化硫等離子體對氮摻雜石墨烯薄膜表面進行氟化，形成氟化氮摻雜石墨烯；

(b)將步驟(a)中形成的氟化氮摻雜石墨烯轉移至兩個金屬電極之間的襯底和叉指電極的上表面；其中，氟化氮摻雜石墨烯薄膜的轉移方法與步驟(4)中氮摻雜石墨烯的轉移方法相同。

(7)當採用柔性的襯底時，揭下製備有氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的pdms或者pi。

本發明採用寬禁帶的氟化氮摻雜石墨烯作為感光材料，吸收紫外光，過濾可見光，實現紫外探測；氮摻雜石墨烯作為柔性透明電極和有源層，氮摻雜石墨烯與氟化氮摻雜石墨烯接觸可以形成肖特基結，氮摻雜石墨烯電極是透明的，可以增強氟化氮摻雜石墨烯對紫外光的吸收；氟化氮摻雜石墨烯的電阻可達1tω以上，大大降低暗電流。以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層，氮摻雜石墨烯為透明電極的二維紫外雪崩光電探測器將在柔性器件中有廣泛應用。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、紫外光入射到以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器表面，被氮摻雜石墨烯和氟化氮摻雜石墨烯吸收。較大反向偏壓加到器件兩端，產生的光生載流子(空穴電子對)在apd光二極體表面高電場作用下高速運動，在運動過程中通過碰撞電離效應，產生數量為初始電子空穴對的幾十倍二次、三次新空穴電子對，從而形成很大的光信號電流，具有很高的增益。

2、氮摻雜石墨烯和氟化氮摻雜石墨烯形成肖特基淺結，入射紫外光容易被吸收，產生的電子空穴很快被內部電場分離。在紫外光區域，量子效率很高。

3、氮摻雜石墨烯作為透明電極，增強入射光吸收，提高光生電流，具有很高的光學響應。

4、叉指狀的氮摻雜石墨烯電極之間可以形成很強的電場，更容易產生 雪崩效應，降低能耗；相鄰電極之間距離小，氮摻雜石墨烯的載流子遷移率很大，可以提高器件的時間響應。

5、氟化氮摻雜石墨烯的電阻很高，大大降低暗電流，具有很高的開關比。

6、本發明提供的以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器所用材料以氮摻雜石墨烯為基本材料，製備過程簡單，成本低，易於實現柔性光電探測器。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它附圖。

圖1示出了以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的結構示意圖；

圖2示出了本發明中實施例所製備的msmapd紫光電探測器的氮摻雜石墨烯叉指電極光學顯微鏡圖；

圖中，1-襯底、2-金屬電極、3-氮摻雜石墨烯叉指電極、4-氟化氮摻雜石墨烯。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明提供的以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的工作原理如下：

氮摻雜石墨烯與氟化氮摻雜石墨烯接觸形成肖特基結，相鄰氮摻雜石 墨烯叉指電極與氟化氮摻雜石墨烯形成兩個背靠背的肖特基結。兩端電極加偏壓後，一個肖特基結正向偏置，另一個肖特基結反向偏置。當入射紫外光照射到氮摻雜石墨烯/氟化氮摻雜石墨烯界面，氮摻雜石墨烯和氟化氮摻雜石墨烯吸收入射紫外光並產生電子-空穴對。在電場作用下，空穴流向正電極，電子流向負電極，形成光生電流。叉指狀的氮摻雜石墨烯電極之間可以形成很強的電場，光生載流子高速運動，與氟化氮摻雜石墨烯中的原子產生碰撞離子化，更容易產生雪崩效應，實現內部增益，降低能耗。

下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方法作進一步的說明。

如圖1所示，本發明以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器，包括襯底1、金屬電極2、氮摻雜石墨烯叉指電極3和氟化氮摻雜石墨烯4；其中，所述襯底1的上表面兩側分別覆蓋一金屬電極2；在兩個金屬電極2之間的襯底1的上表面、兩個金屬電極2的上表面和內側壁上覆蓋氮摻雜石墨烯叉指電極3，金屬電極2上表面的氮摻雜石墨烯叉指電極3的兩翼的覆蓋範圍小於金屬電極2的邊界；在兩個金屬電極2之間的襯底1和氮摻雜石墨烯叉指電極3的上表面覆蓋氟化氮摻雜石墨烯4。

製作以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的方法，包括以下步驟：

(1)採用二氧化矽或雲母作為絕緣的襯底1，或者在矽襯底上旋塗pdms或pi形成均勻的薄膜，加熱讓其固化，形成柔性的襯底1；

(2)在襯底1表面光刻出金屬電極2圖形，然後採用電子束蒸發技術，首先生長厚度約為5nm和的cr黏附層，然後生長50nm的au電極；

(3)氮摻雜石墨烯薄膜的製備：採用化學氣相沉積方法(cvd)在銅箔基底上製備氮摻雜石墨烯薄膜；

(4)在兩個金屬電極2之間的襯底1的上表面、兩個金屬電極2的上表面和內側壁上覆蓋氮摻雜石墨烯薄膜；其中，氮摻雜石墨烯的轉移方法為：將帶有銅箔基底的氮摻雜石墨烯薄膜表面均勻塗覆一層聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)薄膜，然後放入刻蝕溶液中4h腐蝕去除銅箔，留下由pmma支撐的氮摻雜石墨烯薄膜；將pmma支撐的氮摻雜石墨烯薄膜用去離子水清洗後轉移到兩個金屬電極2之間的襯底1的上表面、兩個金屬電極2的上表 面和內側壁上；最後用丙酮和異丙醇去除pmma；其中，所述刻蝕溶液由cuso4、hcl和水組成，cuso4∶hcl∶h2o＝10g∶50ml∶50ml；

(5)對步驟(4)中轉移的氮摻雜石墨烯薄膜光刻出叉指電極圖形，將光刻好的氮摻雜石墨烯薄膜放入反應離子刻蝕系統真空腔室，通入氧氣(o2)對氮摻雜石墨烯薄膜進行刻蝕，獲得氮摻雜石墨烯叉指電極3；

(6)氟化氮摻雜石墨烯4的製備和轉移方法，具體方法如下：

(a)將帶有銅箔基底的氮摻雜石墨烯薄膜進行氟化：將氮摻雜石墨烯薄膜放入反應離子刻蝕系統的真空腔室中，採用六氟化硫(sf6)等離子體對氮摻雜石墨烯薄膜表面進行氟化，形成氟化氮摻雜石墨烯4；

(b)將步驟(a)中形成的氟化氮摻雜石墨烯4轉移至兩個金屬電極2之間的襯底1和叉指電極3的上表面；其中，氟化氮摻雜石墨烯薄膜4的轉移方法與步驟(4)中氮摻雜石墨烯的轉移方法相同。

(7)當採用柔性的襯底1時，揭下製備有氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的pdms或者pi。

對上述以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器加偏壓，使其可以產生雪崩效應，實現增益。其中電壓的正極和負極分別連接到兩個金屬電極2上，如圖1所示。

圖2為本發明實施例所製備的氮摻雜石墨烯叉指電極光學顯微鏡圖片。每根氮摻雜石墨烯叉指電極是連續的，相鄰氮摻雜石墨烯叉指電極是斷開的。通過本實施例可以獲得較高質量的氮摻雜石墨烯叉指電極。

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。