一种提高石墨烯与纳米线异质结探测器开关比的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高石墨烯与纳米线异质结探测器开关比的方法。该方法是在机械剥离的石墨烯上物理转移InAs纳米线，形成异质结。由于石墨烯与InAs纳米线具有不同的功函数，接触处会形成肖特基势垒。而栅极电压能够调节石墨烯的费米能级，从而调节肖特基势垒的高度，形成内建电场，使光生电子空穴对迅速分开，电子流向InAs纳米线，空穴流向石墨烯。因此，肖特基势垒的可调控优势能够有效地抑制石墨烯与纳米线异质结探测器的暗电流，提高探测器的开关比。此结构能够使石墨烯与纳米线异质结探测器的开关比超过102。本发明专利技术对于提高现有的石墨烯与纳米线异质结探测器的开关比有着十分重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯与纳米线异质结探测器结构的设计与测试，具体是指利用石墨烯与InAs纳米线功函数的差异，引入石墨烯与InAs纳米线肖特基势皇，利用栅极调控石墨稀的费米能级，从而调节肖特基势皇的尚度，有效抑制石墨稀与纳米线异质结探测器的暗电流，提尚开关比。
技术介绍
石墨烯是一种由单层碳原子构成的新材料，其中碳原子以Sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维结构。石墨烯目前是世界上最薄也是最坚硬的纳米材料，具有极高的电子迀移率，因此被期待可以用来发展出更薄导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器和锂离子电池方面，由于其高传导性和高比表面积，可适用于作为电极材料辅助剂。由于石墨烯实质上是一种透明的良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板和太阳能电池等。而且因为石墨烯具有光谱带宽广和响应迅速等优点，使其在光电子学和光电探测应用领域极有潜力。砷化铟(InAs)作为重要的II1-V族化合物半导体材料，具有闪锌矿型的晶体结构，是一种直接带隙半导体，具有诸多优越性能，如半导体、光电、压电、热电、气敏和透明导电等特性，其中高迀移率、大的比表面积、易于形成欧姆接触和高光响应率等很引人注目。作为光电子器件可以在光纤通讯、光电子器件、高速电子器件、生物传感器、红外激光探测器、通讯卫星以及太阳能电池等高
有着广阔的潜在应用价值。近年来，制备一维纳米材料及相关性能的研宄已成为半导体材料领域的聚焦热点。InAs纳米线和量子点红外荧光波长可调特性除了在研制新型纳米器件上具有应用价值，甚至还可以作为新一代量子信息载体材料，用于研制量子通信光源。同时，InAs纳米线在生物传感和成像上同样也极具应用潜力。但InAs纳米线的带隙只有0.36ev,因此InAs纳米线光探测器具有很大的暗电流和很低的开关比。因此，降低InAs纳米线光探测器的暗电流，提高开关比，具有非常重要的意义。为了解决上述的问题，本专利技术提出了一种利用可调控的肖特基势皇抑制石墨烯与纳米线异质结探测器暗电流，提高异质结探测器开关比的方法。石墨烯与InAs纳米线功函数的差异，导致石墨烯与InAs纳米线接触附近形成肖特基结。而石墨烯的特性能使肖特基势皇受调控，这种优势能够抑制光探测器的暗电流，提高开关比。同时，栅极电压通过调控载流子的浓度，可以控制光探测器的开启与关断。
技术实现思路
本专利技术提供了，该方法引入石墨稀与InAs纳米线肖特基势皇，势皇的可调控优势能够抑制石墨稀与纳米线异质结探测器的暗电流，提高探测器的开关比，此结构能够使石墨烯与纳米线异质结探测器的开关比超过102。其步骤如下:1.利用分子束外延技术在GaAs衬底上外延生长InAs纳米线，利用扫描电子显微镜表征纳米线的长度和直径；2.利用机械剥离的方法在长有3102的P型Si衬底上制备单层石墨烯，将外延生长的InAs纳米线物理转移到单层石墨烯上，转移之前，用质量分数2%的HF溶液浸泡InAs纳米线15秒钟，以去掉表面氧化物，利用光学显微镜寻找InAs纳米线与石墨烯上有一部分相接触的结构；3.利用电子束光刻技术，制备石墨烯与InAs纳米线肖特基光探测器，沉积铬、金作为源漏电极，InAs纳米线端为源电极，石墨烯端为漏电极，整片的P型Si衬底为背栅电极；4.由于石墨烯为二维单原子层结构，具有双极型特性，栅极电压能够调控石墨烯的费米能级，从而改变石墨烯的功函数。正栅极电压能够抬高石墨烯的费米能级，使肖特基势皇降低，导致更多的电子流入InAs纳米线。负栅极电压能够降低石墨稀的费米能级，使肖特基势皇升高，导致更少的电子流入InAs纳米线；5.当入射光子的能量大于InAs纳米线的禁带宽度时，在肖特基势皇附近形成电子空穴对，内建电场迅速将电子空穴对分离，电子流向InAs纳米线，空穴流向石墨稀。本专利技术的优点在于:本专利技术基于肖特基势皇的形成机理，利用石墨烯与InAs纳米线功函数的差异，将石墨烯与InAs纳米线做成异质结形成肖特基势皇，由于栅极电压可以调控石墨烯费米能级，从而调节肖特基势皇的高度，因此，通过调节栅极电压可以极大抑制了石墨烯与纳米线异质结探测器的暗电流，同时明显提高了器件的开关比。该方法获得的开关比可以超过102，具有非常好的可信度和直观性。【附图说明】图1为石墨稀与InAs纳米线肖特基光探测器的结构，InAs纳米线端为源电极，石墨烯端为漏电极，整片的P型Si衬底为背栅电极。图2为石墨烯与InAs纳米线肖特基光探测器的能带结构图。图3为不同背栅电压下，石墨烯与InAs纳米线肖特基光探测器的输出特性曲线。图4为石墨烯与InAs纳米线肖特基光探测器光照前后的输出特性曲线。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术的【具体实施方式】作详细说明:本专利技术研制了石墨烯与InAs纳米线肖特基光探测器，在长有3102的P型Si衬底上制备单层石墨烯，将外延生长的InAs纳米线物理转移到单层石墨烯上，利用电子束光刻技术和热蒸镀技术沉积铬、金作为源漏电极。具体步骤如下:IInAs纳米线是在Riber 32MBE系统中，金纳米颗粒的催化下，利用vapor-liquid-solid(VLS)在 GaAs底表面生长。首先，GaAs 衬底在 630°C下去氧15分钟，并生长一层300纳米的缓冲层，以得到比较平滑的表面。然后，将GaAs衬底转移到MBE准备腔内，沉积一层极薄的金薄膜，将金薄膜在550°C下高温退火5分钟，形成金颗粒。最后，打开indium源，在350°C下，生长InAs纳米线。其中，indium和比例为1:20，生长时间为90分钟。生长结束之后，关闭indium源，GaAs衬底在保护下降低到300°C。最后，GaAs衬底自然冷却到室温。2利用扫描电子显微镜检验外延生长得到的InAs纳米线，一般长度在10微米左右，直径在50纳米左右。3利用机械剥离的方法在长有S1JA P型Si衬底上制备单层石墨烯，将外延生长的InAs纳米线物理转移到上述长有S12的P型Si衬底上，转移之前，用质量分数2%的HF溶液浸泡InAs纳米线15秒钟，以去掉表面氧化物，利用光学显微镜寻找到InAs纳米线与单层石墨烯部分接触的结构并确定它们的位置进行拍照。4按照上述光学显微镜确定的图像，利用DesignCAD2000软件画出电子束光刻的源漏电极图形。将表面附着InAs纳米线与单层石墨烯的衬底进行涂胶(首先涂一层MMA，4000转/分钟，60秒，并在155°C下烘烤I分钟，然后再涂一层PMMA，4000转/分钟，60秒，在155°C下烘烤5分钟)ο利用电子束光刻机(JEOL 6510with NPGS)按照DesignCAD2000软件设计的源漏电极图形进行电子束光刻。光刻之后，用显影液进行显影。5用质量分数2%的HF溶液浸泡整个样品15秒钟，以去掉InAs纳米线表面氧化物，利用真空镀膜机先后沉积20nm铬和40nm金，沉积完金属之后用丙酮去掉MMA和PMMA，最后的石墨稀与InAs纳米线异质结探测器如图1所示。InAs纳米线端为源电极，石墨稀端为漏电极，整片的P型Si衬底为背栅电极。6由于石墨稀与InAs纳米线存在功函数的差异，导致石墨稀与InAs纳米线接触附近形成肖特基势皇，图2为石墨烯与I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高石墨烯与纳米线异质结探测器开关比的方法，其特征在于包括如下步骤：1)利用分子束外延技术在GaAs衬底上外延生长InAs纳米线，利用扫描电子显微镜表征纳米线的长度和直径；2)利用机械剥离的方法在长有SiO2的P型Si衬底上制备单层石墨烯，将外延生长的InAs纳米线物理转移到单层石墨烯上，转移之前，用质量分数2％的HF溶液浸泡InAs纳米线15秒钟，以去掉表面氧化物，利用光学显微镜寻找InAs纳米线与石墨烯上有一部分相接触的结构；3)利用电子束光刻技术，制备石墨烯与InAs纳米线肖特基光探测器，沉积铬、金作为源漏电极，InAs纳米线端为源电极，石墨烯端为漏电极，整片的P型Si衬底为背栅电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡伟达，骆文锦，王鹏，苗金水，郭楠，陈平平，李天信，陈效双，陆卫，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31