带有垂直石墨烯的金属热电堆红外探测器

MEMS 2022-12-02 00:00

热电堆红外探测器主要是由热电偶为基本单元所构成的一种探测器件,因其原理简单、工作时不需要冷却设备等特有优势已被广泛应用在生产生活的各个方面。然而,传统热电堆器件所选用材料的吸收率通常处在较低水平并且大部分与微加工工艺不兼容。

近年来,石墨烯作为一种新兴的二维薄膜材料,因其极高的载流子迁移率、宽带光谱吸收、极高的导热性和导电性等优势,逐渐得到了科研人员的关注。相对而言,大多数红外吸收材料在上述特性中都无法与石墨烯相媲美,因此石墨烯材料在红外探测领域中有着优异的前景。但是实际制备中得到的石墨烯光电探测器光响应率比较低,往往只在几个mA/W附近,这与石墨烯较低的光吸收率有较大关系(单层为2.3%)。

相较于传统置于衬底表面的石墨烯薄片,垂直石墨烯(Vertical Graphene-VG)是由许多垂直向上分布的石墨烯薄片堆叠而成的碳纳米网络结构,具有尖锐且锋利的边缘。因此,VG不仅保留有石墨烯的基本性质,还具有极大的比表面积、较高的光吸收率等优势,是一种很有潜力的传感材料,但是目前VG在红外探测器领域的应用还很少有报到。

据麦姆斯咨询报道,近日,北京工业大学、中国福建光电信息科学与技术创新实验室、瑞典查尔摩斯理工大学的研究人员组成的团队在《物理学报》期刊上发表了题为“带有垂直石墨烯的金属热电堆红外探测器”的最新论文,设计提出了一种带有垂直石墨烯(Vertical Graphene-VG)的金属热电堆红外探测器。通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-PECVD)生长VG并将其保留在器件的热结处,从而实现热电堆红外探测器的宽带和高响应特性。这种复合结构的探测器在波长792nm的情况下,室温响应率最高可达1.53V/W,与没有VG的热电堆红外探测器相比,前后响应结果可增加28倍左右,响应时间缩短至0.8ms左右。该制备过程与微加工工艺相兼容,同时整体提升了器件性能,并适合于大规模生产。

器件的制备

VG热电堆探测器其制备过程如图1所示。首先将带有300nm二氧化硅的硅晶圆切割成2cm×3cm的大小作衬底,依次用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水对衬底样品进行清洗。接下来,用光刻胶作为掩膜光刻并溅射200nm厚的铜镍合金,剥离后形成热电堆的其中一种金属材料,然后再进行一次光刻并溅射250nm厚的铜作为另一种金属材料,由此形成三组热电偶串联构成的金属热电堆结构,金属交叠处的大小为0.05cm×0.1cm。随后再放入PECVD系统中在800℃下直接生长2分钟VG,最后利用光刻和等离子体刻蚀技术刻蚀掉下半部分的VG。如图2所示为器件的实物图,黑色部分为刻蚀后的VG,其保留在金属热电堆的热结处,底部为金属组成的热电堆结构。

图1(a)-(e)VG热电堆探测器制备流程(f)VG热电堆探测器及器件测试示意图

图2 带有VG金属热电堆红外探测器实物图

金属纳米颗粒的制备过程是先将衬底先切割成1cm×3cm的大小,重复以上清洗步骤,随后在衬底表面分别溅射8nm的Au和Ag薄膜然后放入PECVD中,在不同温度下退火得到金纳米颗粒和银纳米颗粒(AuNPs和AgNPs),退火程序步骤与生长VG一致,退火时不通入甲烷气体并根据退火条件改变不同的温度参数,最后生长VG在金属纳米颗粒的表面。考虑到Ag在较高的温度下会很容易发生氧化,所以另外也选择先在衬底上生长VG,然后将现有的AgNPs混合到乙醇溶液中并超声使其充分溶解,最后将其旋涂到VG的表面。

器件的表征

为了验证VG热电堆探测器的优势,分别测试了VG金属热电堆探测器件和只含有金属热电堆探测器件的光响应并相互进行比较。先用波长为792nm的激光照射两种器件,在有效光功率密度为488mW/cm²下得到器件的热电势如图3所示。

图3 器件在792nm和1550nm下的响应结果(a)仅有金属的热电堆器件(b)带有VG的金属热电堆器件

通过结果对比可以发现在792nm的光照射下,无VG的器件热电势的响应电压仅在0.16mV左右,而VG与金属热电堆相结合的器件响应最高提升至4.5mV 左右,响应提升明显(大约在28倍)。之后还使用了波长为1550nm的激光光源,以500mW/cm²的有效光功率照射器件,观察如图3(b)所示的结果可以发现器件在长波光源的照射下,前后的响应电压仍提升明显(大约在4.8倍)。

光响应率是光电探测器的重要特征之一,可以衡量器件的光电转换能力。在波长为792nm和1550nm下VG的热电堆器件的响应度最高为1.53V/W和102mV/W,这不难发现结合有VG的红外热电堆器件在整体响应度上也有着优良的表现。

光探测器的响应时间是器件在实际应用中的重要参数之一,器件的响应时间主要可以分为上升时间(𝜏𝑟𝑖𝑠𝑒)和下降时间(𝜏𝑓𝑎𝑙𝑙)。对于只有金属热电堆的器件,在792nm光照下的𝜏𝑟𝑖𝑠𝑒和𝜏𝑓𝑎𝑙𝑙分别为0.67s、0.51s,在1550nm光照下的𝜏𝑟𝑖𝑠𝑒和𝜏𝑓𝑎𝑙𝑙分别为0.5s、0.6s,VG金属热电堆复合器件的在792nm的光照下𝜏𝑟𝑖𝑠𝑒和𝜏𝑓𝑎𝑙𝑙分别为0.8ms、1.6ms,在1550nm的光照下𝜏𝑟𝑖𝑠𝑒和𝜏𝑓𝑎𝑙𝑙分别为1.06s、1.55s,都整体明显优于前者。

结论

综上所述,本文介绍了一种带有VG的金属热电堆红外探测器,利用PECVD生长得到的VG作为优异的光热传感材料,与简单的只含金属的热电堆探测器相比,在792nm时光响应提升了28倍左右,响应时间缩短至0.8ms附近,器件的性能提升较为明显,并且该器件在1550nm的光照时也有较好的光响应表现。总结了器件响应产生的三种机制,同时计算了各种响应机制在总响应中的占比,这有助于理解带有其它吸收材料的热电堆器件中存在的物理原理和结果分析。此外团队发现了VG在太阳能电池等能源转换器件上的潜力,通过PECVD退火成功得到的了重复性较好的AuNPs,基于局域表面等离激元的原理,将VG结合不同金属纳米颗粒以提升材料的光吸收率。在792nm的光照时,前后的电压响应都有不同程度的提升,最高可增加6倍,这些有望促进热电堆红外探测器、光能源转换等光电器件的发展,以上过程具有可重复性并与目前的半导体器件工艺兼容,因此容易大规模制备。在后续工作中可以进一步调控参数减少VG在生长过程中的缺陷,将VG与其它金属所组成的热电堆相结合,使得器件的应用场景更为广泛。此外,不同尺寸和形状的纳米颗粒对材料表面等离激元的激发效果也不同,因此可以进一步对比分析产生的具体作用和实际效果,最终整体提升材料和器件的优势。

本研究工作获得了中国国家重点研发计划(2018YFA0209000)、福建省科技厅项目(2021HZ0114、2021J01583、2021L3004)、中国福建光电信息科学与技术创新实验室项目(2021ZZ122)的支持。

延伸阅读:
《光谱成像市场和趋势-2022版》

《石墨烯市场和二维材料评估-2022版》

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦