用于將光子能轉(zhuǎn)換為電能的方法和裝置制造方法
【專利摘要】根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，一種裝置，包括納米柱（36）以及石墨烯薄膜（15），石墨烯薄膜（15）與納米柱（36）的第一端接觸，其中納米柱（36）包括金屬，觸點(diǎn)被配置為在石墨烯薄膜（15）中形成本征場區(qū)（26），并且其中裝置（11）被配置為從本征場區(qū)（26）中的光生載流子生成光電流。
【專利說明】用于將光子能轉(zhuǎn)換為電能的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)總體上涉及用于將光子能轉(zhuǎn)換為電能的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光檢測器通過將吸收的光子能轉(zhuǎn)換為電能(典型地，以電流的形式)來測量光子通量或光功率。它們被廣泛用于諸如遙控器、電視機(jī)、DVD播放器和相機(jī)之類的一系列常用設(shè)備。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]在權(quán)利要求中闡明了本發(fā)明的示例的各種方面。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種裝置，該裝置包括納米柱以及石墨烯薄膜，石墨烯薄膜與納米柱的第一端接觸，其中納米柱包括金屬，觸點(diǎn)被配置為在石墨烯薄膜中形成本征場區(qū)(intrinsic field region),并且其中該裝置被配置為從本征場區(qū)中的光生載流子生成光電流。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造裝置的方法，該方法包括:提供納米柱；提供與納米柱的第一端接觸的石墨烯薄膜，其中觸點(diǎn)被配置為在石墨烯薄膜中形成本征場區(qū)；以及將該裝置配置為從本征場區(qū)中的光生載流子生成光電流。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的方法，該方法包括:使用裝置，該裝置包括納米柱和石墨烯薄膜，石墨烯薄膜與納米柱的第一端接觸，其中納米柱包括金屬，觸點(diǎn)被配置為在石墨烯薄膜中形成本征場區(qū)，并且其中該裝置被配置為從本征場區(qū)中的光生載流子生成光電流；以及用可見光子(light photon)照射本征場區(qū)以生成光電流。
[0007]根據(jù)第四方面，提供一種被記錄在載體上的計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序包括被配置為執(zhí)行、控制或?qū)崿F(xiàn)本文所描述的任何方法的計(jì)算機(jī)代碼。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]為了更全面地理解本發(fā)明的示例實(shí)施例，現(xiàn)在結(jié)合附圖參考以下描述，其中:
[0009]圖1示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的裝置；
[0010]圖2示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的裝置的部件；
[0011]圖3a是示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的裝置的步驟的流程圖；以及
[0012]圖3b是示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)發(fā)面的裝置的步驟的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]多數(shù)現(xiàn)有的光檢測器利用內(nèi)部光效應(yīng)，其中光子的吸收導(dǎo)致載流子從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而導(dǎo)致電流。典型地，材料的吸收限制光譜帶寬。例如，基于IV族和II1-V族半導(dǎo)體的光檢測器不在更長的波長吸收，因?yàn)檫@些材料傳輸具有比半導(dǎo)體帶隙小的能量的輻射。石墨烯吸收從紫外到太赫的范圍。作為結(jié)果，基于石墨烯的光檢測器可以工作在寬得多的波長范圍上。通過載子遷移率確定響應(yīng)時(shí)間，并且石墨烯具有高遷移率，因此石墨烯光檢測器可以是超快的。
[0014]已經(jīng)既從試驗(yàn)上又從理論上研究了石墨烯的光電響應(yīng)。已經(jīng)報(bào)道了在0.514 μ m、
0.633 μ m、1.5 μ m和2.4 μ m的波長處的響應(yīng)。由于石墨烯的超寬帶吸收，預(yù)期有寬得多的光譜。已經(jīng)報(bào)道了高達(dá)40GHz的光響應(yīng)。光檢測器的最大可能操作帶寬典型地被它們的渡越時(shí)間以及光生電流的有限持續(xù)時(shí)間所限制。石墨烯光檢測器的被渡越時(shí)間限制的帶寬可以超過1500GHz，超過已知光檢測器的帶寬。通過參考附圖的圖1至圖3，理解本發(fā)明的示例實(shí)施例及其潛在優(yōu)點(diǎn)。
[0015]圖1描述了包括納米柱36的陣列、石墨烯薄膜15、第一金電極33a、第二金電極33b、襯底31、電流檢測器A和絕緣氧化物層32的裝置11的示意圖。
[0016]圖2描述了在圖1中示出的納米柱36之一的第一端21的示意圖，石墨烯薄膜15與第一端21接觸22。
[0017]陣列16中的每個(gè)納米柱包括金屬，并且觸點(diǎn)22被配置為在石墨烯薄膜15中形成本征場區(qū)26。在觸點(diǎn)22處，石墨烯帶邊25具有與肖特基(Schottky)勢壘24基本上相同的能量；肖特基勢壘24起因于在石墨烯和金屬之間的功函數(shù)的差值。在本征場區(qū)26中，作為電荷重新分配的結(jié)果，形成本征電場。本征場區(qū)26跨在石墨烯層15和納米柱的陣列之間的接口延伸。本征場區(qū)26從觸點(diǎn)22延伸介于IOOnm和200nm之間的距離而進(jìn)入石墨烯層15中。
[0018]裝置11被配置為從本征場區(qū)中的光生載流子生成光電流。由(例如在石墨烯薄膜15中)被吸收的光子P光生的電子-空穴對(duì)可以在本征場區(qū)26中分離，以形成自由電子和自由空穴。在本征電場的影響下，自由電子和自由空穴的移動(dòng)導(dǎo)致跨本征場區(qū)26并且介于第一金電極33a和第二金電極33b之間的光電流I。由電流檢測器A檢測光電流I。裝置11因此可以用作光檢測器，以通過測量光電流I來檢測光子P。
[0019]存在兩個(gè)主要現(xiàn)象，其使得裝置11成為高效光檢測器。石墨烯層15自身可以幾乎不吸收撞擊(imping)在裝置11上的輻射，然而，納米柱36的陣列可以提供用于陷光的有效結(jié)構(gòu)。由于局部場增強(qiáng)和相關(guān)的等離子效應(yīng)，作為在納米柱陣列36和石墨烯層15之間的接觸的結(jié)果，可以增強(qiáng)在石墨烯層中的光子吸收。盡管在該示例中第一電極33a包括金，但是在空氣中不顯著氧化的其它金屬可以被用于形成與石墨烯的接觸，并且這些材料可以包括下列各項(xiàng)中的一項(xiàng)或多項(xiàng):鉬、鈀和鎳。在本征電場的影響下，自由電子和自由空穴的移動(dòng)，導(dǎo)致跨本征場區(qū)26的光電流，該本征場區(qū)26從觸點(diǎn)22延伸介于IOOnm和200nm之間的距離而進(jìn)入石墨烯層15。通過應(yīng)用導(dǎo)致觸點(diǎn)22的多重性(multiplicity)的配置，光電流可以相應(yīng)地增加。
[0020]通過在圖3a和圖3b中示意性地圖示的過程來制造裝置11。襯底31 (其在該情況下是重?fù)诫s的硅晶片)的表面被熱氧化，以產(chǎn)生IOOnm厚的二氧化硅絕緣層32。沉積與絕緣層32接觸的第一金電極33a以及與硅晶片31接觸的第二金電極33b。在圖3a中示出的步驟I，通過光刻法(photo I i thography )沉積犧牲光刻膠(photoresist)層35,并且通過使用緩沖的HF蝕刻劑的濕法過程、通過局部蝕刻而在二氧化硅層32中產(chǎn)生開口 34，以暴露下面的硅晶片31。[0021]在圖3a中示出的步驟2，通過在感性耦合的等離子室中的硅蝕刻過程來制造硅納米柱36。該室包括感性耦合線圈，該線圈從被引入到該室的氣體生成等離子。具有在15分鐘和40分鐘之間的持續(xù)時(shí)間的該過程包括硅晶片表面的交替鈍化以及蝕刻。該蝕刻具有兩個(gè)階段:蝕刻通過鈍化形成的鈍化層，以及然后蝕刻通過蝕刻鈍化層而被暴露的硅表面。在整個(gè)硅蝕刻過程期間，室溫為40°C，并且硅晶片溫度為20-30°C。在鈍化期間:進(jìn)入該室的C4F8氣體流量為85sccm，循環(huán)時(shí)間為10_16s，線圈功率為500-600W，以及室壓為18mTorr。在蝕刻循環(huán)期間，SF6氣體流量為130sccm，O2氣體流量為13sccm，循環(huán)時(shí)間為9s，線圈功率為500-600W，襯底功率為10-20W，以及室壓為38mTorr。通過該過程，可以獲得具有在50-100nm范圍內(nèi)的直徑以及在IOOnm和800nm之間的平均間距的硅納米柱36。
[0022]鎳然后被濺射到納米柱36的陣列上，以形成金屬化的Si納米柱，犧牲光刻膠35被移除，并且在步驟3，在納米柱36的陣列上沉積石墨烯薄片37，以形成在納米柱36和第一金電極33a之間的電接觸。在圖3b中示出的步驟3，裝置被配置為通過電連接電極33a和電極33b到電流檢測器A而從在本征場區(qū)中的光生載流子生成光電流。在備選示例中，納米柱36的陣列還可以包括金屬碳納米管，諸如多壁碳納米管。
[0023]在不以任何方式限制以下出現(xiàn)的權(quán)利要求的范圍、解釋或應(yīng)用的情況下，本文所公開的示例實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)示例實(shí)施例的技術(shù)效果是為了引起對(duì)入射到光檢測器上的輻射的快速檢測。本文所公開的示例實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)示例實(shí)施例的另一技術(shù)效果是為了制造能夠檢測在寬的波長光譜上的輻射的光檢測器。
[0024]如果需要，可以以不同順序和/或彼此同時(shí)地執(zhí)行本文所討論的不同功能。此外，如果需要，上述功能中的一個(gè)或多個(gè)功能可以是可選的或者可以被組合。
[0025]盡管本發(fā)明的各種方面在獨(dú)立權(quán)利要求中被闡明，但是本發(fā)明的其它方面包括來自所述實(shí)施例和/或具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的從屬權(quán)利要求的特征的其它組合，而不僅僅包括在權(quán)利要求中明確闡明的組合。
[0026]在本文中還注意到，雖然以上描述了本發(fā)明的示例實(shí)施例，但是這些描述不應(yīng)被視為限制性的。相反地，存在若干變化和修改，其可以在不背離如所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍的情況下做出。
【權(quán)利要求】
1.一種裝置，包括納米柱以及石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜與所述納米柱的第一端接觸，其中所述納米柱包括金屬，觸點(diǎn)被配置為在所述石墨烯薄膜中形成本征場區(qū)，并且其中所述裝置被配置為從所述本征場區(qū)中的光生載流子生成光電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述金屬包括下列各項(xiàng)中的至少一項(xiàng):金、鉬、鈀以及鎳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述納米柱是下列各項(xiàng)中的一項(xiàng):納米線、單壁納米管或多壁納米管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述石墨烯薄膜包括至少一層石墨烯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括基本上平行的納米柱的陣列，并且其中所述石墨烯薄膜同時(shí)與多個(gè)納米柱物理接觸，以在所述石墨烯薄膜中形成多個(gè)本征場區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述納米柱具有介于20nm和500nm之間的平均直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述納米柱具有介于IOOnm和400nm之間的平均間距。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括第一電觸點(diǎn)和第二電觸點(diǎn)，并且其中所述石墨烯薄膜與所述第一電觸點(diǎn)接觸。
9.一種光檢測器，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置。
10.一種方法，包括: 提供納米柱； 提供與所述納米柱的第一端接觸的石墨烯薄膜，其中觸點(diǎn)被配置為在所述石墨烯薄膜中形成本征場區(qū)；以及 將所述裝置配置為從所述本征場區(qū)中的光生載流子生成光電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中提供納米柱包括提供形成納米柱的陣列的一部分的納米柱。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中通過使用自掩蔽蝕刻過程蝕刻襯底來制造所述陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述自掩蔽蝕刻過程是深度反應(yīng)離子蝕刻過程。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中還通過將所述金屬沉積到所蝕刻的襯底上來提供所述納米柱。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中使用濺射過程來沉積所述金屬。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述方法還包括提供第一電觸點(diǎn)和第二電觸點(diǎn)，以使得所述石墨烯薄膜與所述第一電觸點(diǎn)物理接觸。
【文檔編號(hào)】B82Y15/00GK103702930SQ201280031679
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月29日
【發(fā)明者】A·庫利 申請(qǐng)人:諾基亞公司