基于石墨烯‑硅异质结的无源位置灵敏探测器的制作方法

本发明涉及一种基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器，本发明属光电子器件领域。

背景技术：

位置灵敏探测器是基于横向光电效应的一种位置探测器，目前已广泛应用于距离，位移，角度的测量。极限探测功率是位置灵敏探测器一个重要的参数，现有基于si的位置灵敏探测器由于响应度低，导致其探测的光强通常在微瓦级别，严重限制其应用范围。比如在激光制导中，核心部件位置灵敏探测组件的最小探测功率pmin直接决定了工作距离。si基位置灵敏探测器通常需要加比较大的偏压来保障其探测性能。此外，由于si基位置灵敏探测器光敏材料只有si，限制了其工作波长。因此，亟需一种宽波段响应的高灵敏无源位置灵敏探测器。

为了实现上述高性能位置灵敏探测器，在si上复合其他高性能材料是一种不错的选择，这样既可以保留si基位置灵敏探测器的现有性能，又能弥补其现有的不足。新型二维半导体材料石墨烯(graphene)由于其高迁移率和宽带吸收使之成为光电应用领域最有潜力的候选者。石墨烯作为光敏材料可以吸收从可见到太赫兹的光，结合自身的高迁移率可使载流子在其中扩散很远的距离，这为高性能位置灵敏探测器提供了新的机遇。

基于上述背景，本发明提出一种基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器。

技术实现要素：

本发明提出一种基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器。以解决现有位置灵敏探测器多项问题，包括功耗（有源），最低极限探测功率，工作波长限制等。

本发明的技术方案如下：

一种基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器，所述的探测器包括si衬底、设在si衬底上的石墨烯，设在石墨烯上的金属电极和设在si背面的金属电极；

所述的si是轻掺杂si衬底，电阻率为1-10ωcm；

所述的石墨烯是单层、双层或3-10层的少层石墨烯；

所述的石墨烯上金属电极为金、镍或铂；

所述的si衬底背面的金属电极为铝。

所述的基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器的制备方法，包括如下步骤：

1）将化学气相沉积法（cvd）制备的石墨烯转移在si衬底上；

2）通过掩膜法和金属薄膜沉积技术在石墨烯四周沉积四个对称金属电极；

3）通过掩膜法和金属薄膜沉积技术在si衬底的背面中心位置沉积一个铝电极。

所述的基于石墨烯-硅异质结的探测器作为无源位置灵敏探测器的应用。

本发明的基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器的测量方法：同时测量石墨烯上金属电极与si衬底背面铝电极的电势差。

本发明涉及一种基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器，其工作原理是：光照在g-si上，石墨烯和si中都产生光致电子空穴对，并在内建电场的作用下分离分别进入石墨烯和si中。在浓度梯度的作用下分离的载流子向四周扩散，被四周石墨烯上的电极所收集，使电极处与si之间存在一个电势差。而这个电势差与光斑距电极的距离有关，越近产生的电势差越大，反之越小。由于载流子可以在石墨烯中自由扩散，无需外部电源驱动，所以该探测器没有功耗。为了消除光照强度不同引起的电势差不同，同方向上两个电极的输出之差和输出之和的比值用来表示与距离的依赖关系。由于石墨烯具有超高的迁移率，载流子在其中的扩散距离很长，因此不仅可以对弱光进行位置探测，还可以实现大尺寸位置探测。而且石墨烯的宽带吸收使得该结构表现出对红外光的位置灵敏性。此外，两电极输出之和与光照位置无关，只与入射光强有关，因此可以用来探测入射光强。

有益效果：基于本发明所获得的基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器，不仅实现无功耗，还可以解决现有位置灵敏探测器探测弱光，红外光探测受限的问题。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2为实施例1中xy两个方向对可见光（532纳米）的位置灵敏特性曲线；

图3为实施例2中弱光下（633纳米）的位置灵敏特性曲线；

图4为实施例3中红外光（1319纳米）的位置灵敏特性曲线。

具体实施方式

实施例1

本实施例的基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器，制备过程如下：

1）通过湿法转移技术将cvd生长的11mm*11mm的单层石墨烯转移至13mm*13mm的si衬底上，si衬底电阻率为10ωcm。

2）通过掩膜法和金属薄膜沉积技术在石墨烯上四周沉积四个对称的长6mm，宽1mm，厚50nm的金电极，同一个方向上相对的两个电极间距为8mm。

3）通过掩膜法和金属薄膜沉积技术在si衬底背面中心沉积一个长3mm，宽3mm，厚100nm的铝电极。

4）用532nm波长的激光照射在电极之间石墨烯区域内，同时测量石墨烯上电极与si衬底背面铝电极之间的电势差，得到同一方向上两电极的输出之差与输出之和的比值，对比该比值的大小，得到光斑的位置信息（图2）。

图2表示的在可见光532nm下10μw的光照下两个方向上的位置灵敏特性曲线，两个方向的比值都和距离呈现出线性关系，因此我们可以根据测量得到的电势差算出入射点与电极的距离，实现光斑位置的探测。

实施例2

本实施例的基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器，制备过程如下：

1）通过湿法转移技术将cvd生长的11mm*11mm的单层石墨烯转移至13mm*13mm的si衬底上，si衬底电阻率为10ωcm。

2）重复1）的转移得到双层石墨烯在si衬底上

3）通过掩膜法和金属薄膜沉积技术在石墨烯上四周沉积四个对称的长6mm，宽1mm，厚50nm的金电极，同一个方向上相对的两个电极间距为8mm。

4）通过掩膜法和金属薄膜沉积技术在si衬底背面中心沉积一个长3mm，宽3mm，厚100nm的铝电极。

5）用633nm波长的激光照射在电极之间石墨烯区域内，同时测量石墨烯上电极与si衬底背面铝电极之间的电势差，得到同一方向上两电极的输出之差与输出之和的比值，对比该比值的大小，得到光斑的位置信息（图3）。

图3表示的在可见光633nm下17nw的光照下的位置灵敏特性曲线，在如此弱的光照下依然得到线性的位置灵敏特性曲线，说明了该探测器可以实现nw级弱光的位置灵敏探测。

实施例3

本实施例的基于石墨烯-硅异质结的无源位置灵敏探测器，制备过程如下：

1）通过湿法转移技术将cvd生长的11mm*11mm的单层石墨烯转移至13mm*13mm的si衬底上，si衬底电阻率为10ωcm。

2）通过掩膜法和金属薄膜沉积技术在石墨烯上四周沉积四个对称的长6mm，宽1mm，厚50nm的金电极，同一个方向上相对的两个电极间距为8mm。

3）通过掩膜法和金属薄膜沉积技术在si衬底背面中心沉积一个长3mm，宽3mm，厚100nm的铝电极。

4）用1319nm波长的激光照射在电极之间石墨烯区域内，同时测量石墨烯上电极与si衬底背面铝电极之间的电势差，得到同一方向上两电极的输出之差与输出之和的比值，对比该比值的大小，得到光斑的位置信息（图4）。

图4表示的在可见光1319nm下10μw的光照下的位置灵敏特性曲线，线性的特性曲线说明了该探测器可以在红外光下工作。