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CN104300027B - 基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器及制备方法 - Google Patents

基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器及制备方法，所述雪崩光电探测器包括n型硅衬底、二氧化硅隔离层、二氧化硅窗口、二氧化硅绝缘层、顶电极、石墨烯薄膜和底电极；本发明雪崩光电探测器可以进行宽光谱探测，解决了传统硅基PIN结对紫外光探测响应低的问题；该探测器以石墨烯作为有源层和透明电极，消除死层，增强入射光的吸收；二氧化硅绝缘层减少了硅表面态的影响，同时抑制了反向饱和电流；在较大的反向偏压作用下，光生载流子与硅晶格产生碰撞离子化，获得很高的增益；本发明采用的制备工艺简单，成本低廉，具有响应度高，响应速度快，内部增益大，开关比小，易于集成的特点。

Description

基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器及制备方法
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器(APD)及制备方法。
背景技术
光学探测器在化学材料分析、医疗卫生、空间技术等方面具有广泛的应用。雪崩光电探测器具有高灵敏度，高光学响应，响应速度快等优点，在高速调制和微弱信号监测方面有重要应用。传统硅基PIN结型探测器件需要热扩散或者离子注入工艺，而且对紫外光存在死层问题，响应随入射光波长的减小而迅速降低。因此，需要提高硅光探测器件对短波长可见光至紫外光的响应。
石墨烯是由单层sp2杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。石墨烯和硅接触可以形成肖特基结，制备工艺简单，在光电探测领域有广泛应用。由于石墨烯很薄，所形成的肖特基结是浅结，减少表面复合，可以解决死层问题，提高紫外光学响应。
肖特基结是一种常用的器件结构，在光电子器件的研究已有很多报道。肖特基结构探测器的暗电流大于PIN结构器件的暗电流，器件的暗电流是一个非常重要的参数，它影响器件的噪声，这在一定程度上抑制了肖特基结构探测器的发展。因此，需要降低肖特基结构探测器的暗电流，使器件的性能得到提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器及制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器，包括：n型硅衬底、二氧化硅隔离层、二氧化硅窗口、二氧化硅绝缘层、顶电极、石墨烯薄膜和底电极；其中，所述n型硅衬底的上表面覆盖二氧化硅隔离层，在二氧化硅隔离层上开有二氧化硅窗口，使二氧化硅隔离层成凹形结构，在二氧化硅隔离层的上表面覆盖顶电极，顶电极的边界小于二氧化硅隔离层的边界，在二氧化硅窗口与n型硅衬底交界处覆盖二氧化硅绝缘层；在二氧化硅隔离层和顶电极开口的内侧壁、顶电极的上表面和二氧化硅绝缘层的上表面覆盖石墨烯薄膜，顶电极上表面石墨烯薄膜的覆盖范围小于顶电极的边界；在n型硅衬底下表面设置底电极。
进一步地，所述的二氧化硅绝缘层厚度为1.5nm～2.5nm。
进一步地，所述的顶电极是金属薄膜电极，金属材料为铝、金或金铬合金。
进一步地，所述的底电极是金属薄膜电极，金属材料为镓铟合金、钛金合金或铝。
制备上述基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤：
(1)在n型硅衬底的上表面氧化生长二氧化硅隔离层，所用n型硅衬底的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层的厚度为300nm～500nm，生长温度为900～1200℃；
(2)在二氧化硅隔离层表面光刻出顶电极图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长50nm的金电极；
(3)在生长有顶电极的二氧化硅隔离层表面光刻出二氧化硅窗口图形，然后通过反应离子刻蚀技术，采用八氟环丁烷等离子体刻蚀二氧化硅隔离层，并用缓冲氧化物刻蚀溶液去除残留的二氧化硅；其中，所述缓冲氧化物刻蚀溶液由NH4F、HF和水组成，NH4F：HF：H2O＝60g:30ml:100ml；
(4)在二氧化硅窗口与n型硅衬底交界处采用快速热氧方法生长二氧化硅绝缘层；通入500sccm氮气和500sccm氧气，快速升温到900℃，反应30s；然后在500℃下退火10min；
(5)石墨烯薄膜的制备：采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备石墨烯薄膜；
(6)在二氧化硅隔离层和顶电极开口的内侧壁、顶电极的上表面和二氧化硅绝缘层的上表面覆盖石墨烯薄膜；其中，石墨烯的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到二氧化硅隔离层和顶电极开口的内侧壁、顶电极的上表面和二氧化硅绝缘层的上表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4：HCl：H2O＝10g:50ml:50ml；
(7)在n型硅衬底底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极，与n型硅衬底形成欧姆接触。
本发明具有以下有益效果：
1.入射光照射到本发明光电探测器表面，被石墨烯和硅衬底吸收。较大反向偏压加到器件两端，产生的光生载流子(空穴电子对)在APD光二极管内部高电场作用下高速运动，在运动过程中通过碰撞电离效应，产生数量为初始电子空穴对的几十倍二次、三次新空穴电子对，从而形成很大的光信号电流，具有很高的增益。
2.石墨烯和硅形成肖特基浅结，入射光容易被吸，产生的电子空穴很快被内部电场分离，降低表面复合，消除死层。在紫外光区域，量子效率很高。
3.石墨烯作为透明电极，增强入射光吸收，提高光生电流，具有很高的光学响应。石墨烯的载流子迁移率很大，可以提高器件的时间响应。
4.二氧化硅绝缘层对多子形成很高的势垒，抑制硅衬底中的多子(电子)运动到石墨烯，大大降低暗电流，具有很高的开关比。
5.本发明光电探测器所用材料以硅为基本材料，制备过程简单，成本低，易与现有半导体标准工艺兼容。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器的结构示意图；
图2为本发明中实施例所制备的光电探测器工作在0～-25V下，405nm、光能量为1mW/cm2的紫外光在光开与光关下器件的光学响应曲线及其内部增益随反向偏压变化的曲线图；
图3为基于石墨烯MISSi-APD光电探测器阵列的实物图；
图中，n型硅衬底1、二氧化硅隔离层2、二氧化硅窗口3、二氧化硅绝缘层4、顶电极5、石墨烯薄膜6、底电极7、光电探测器阵列8、信号处理电路9。
具体实施方式
本发明提供的一种基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器的工作原理如下：
石墨烯与n型硅基底接触形成肖特基结，内建电场由硅基底指向石墨烯。当入射光照射到石墨烯/硅界面，石墨烯和硅基底吸收入射光并产生电子-空穴对。在内建电场作用下空穴流向石墨烯并被顶电极收集，电子流向硅衬底并被底电极收集，形成光生电流。石墨烯和硅形成肖特基浅结，入射光产生的电子空穴很快被内部电场分离，减小表面复合，消除死层；二氧化硅绝缘层增加肖特基势垒高度，抑制硅衬底中的多子(电子)运动到石墨烯，大大降低暗电流。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器，包括：n型硅衬底1、二氧化硅隔离层2、二氧化硅窗口3、二氧化硅绝缘层4、顶电极5、石墨烯薄膜6和底电极7；其中，所述n型硅衬底1的上表面覆盖二氧化硅隔离层2，在二氧化硅隔离层2上开有二氧化硅窗口3，使二氧化硅隔离层2成凹形结构，在二氧化硅隔离层2的上表面覆盖顶电极5，顶电极5的边界小于二氧化硅隔离层2的边界，在二氧化硅窗口3与n型硅衬底1交界处覆盖二氧化硅绝缘层4；在二氧化硅隔离层2和顶电极5开口的内侧壁、顶电极5的上表面和二氧化硅绝缘层4的上表面覆盖石墨烯薄膜6，顶电极5上表面石墨烯薄膜6的覆盖范围小于顶电极5的边界；在n型硅衬底1下表面设置底电极7。
制备上述基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤：
(1)在n型硅衬底1的上表面氧化生长二氧化硅隔离层2，所用n型硅衬底1的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层2的厚度为300nm～500nm，生长温度为900～1200℃；
(2)在二氧化硅隔离层2表面光刻出顶电极5图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长50nm的金电极；
(3)在生长有顶电极5的二氧化硅隔离层2表面光刻出二氧化硅窗口3图形，然后通过反应离子刻蚀技术，采用C4F8等离子体刻蚀二氧化硅隔离层2并用缓冲氧化物刻蚀(BOE)溶液去除残留的二氧化硅；其中，所述BOE溶液由氟化氨(NH4F)、氢氟酸(HF)和水组成，NH4F：HF：H2O＝60g:30ml:100ml；
(4)在二氧化硅窗口3与n型硅衬底1交界处采用快速热氧方法生长二氧化硅绝缘层4；通入500sccm氮气和500sccm氧气，快速升温到900℃，反应30s；然后在500℃下退火10min；
(5)石墨烯薄膜6的制备：采用化学气相沉积方法(CVD)在铜箔基底上制备石墨烯薄膜6；
(6)在二氧化硅隔离层2和顶电极5开口的内侧壁、顶电极5的上表面和二氧化硅绝缘层4的上表面覆盖石墨烯薄膜6；其中，石墨烯的转移方法为：将石墨烯薄膜6表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由PMMA支撑的石墨烯薄膜6；将PMMA支撑的石墨烯薄膜6用去离子水清洗后转移到二氧化硅隔离层2和顶电极5开口的内侧壁、顶电极5的上表面和二氧化硅绝缘层4的上表面；最后用丙酮和异丙醇去除PMMA；其中，所述刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4：HCl：H2O＝10g:50ml:50ml；
(7)在n型硅衬底1底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极7，与n型硅衬底1形成欧姆接触。
对上述基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器加反向偏压，使其可以产生雪崩效应，实现增益。其中电压的正极连接在器件的底电极7上，电压的负电极连接在器件的顶电极5上，如图1所示。
本实例所制备的基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器工作在0～-25V下，在无光和405nm紫外光照射下的暗电流和光电流以及内部增益随反向偏压变化曲线如图2所示。其中电压的正极连接在器件的底电极7上，电压的负电极连接在器件的顶电极5上，如图1所示。从图2可以看出，所制备的器件在无光条件下，暗电流很小；而当波长为405nm、光能量为1mW/cm2的紫外光照射时产生明显的光电流。在器件工作在-25V时，，光学响应为3.8，内部增益为11.7，证实器件具有非常优越的光电探测特性。
光电探测器阵列有广泛的应用，如成像和监控等。本发明基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器可以使用实施例中的标准半导体工艺制作如图3所示的光电探测器阵列8。通过引线接合法，用金线把光电探测器阵列8中的每个元件的顶电极与传统的信号处理电路9的电极连接起来，使用传统的信号处理电路9可以获得光电探测器阵列8的所有光探测元件的数据。

Claims (5)

1.基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器，其特征在于，包括：n型硅衬底(1)、二氧化硅隔离层(2)、二氧化硅窗口(3)、二氧化硅绝缘层(4)、顶电极(5)、石墨烯薄膜(6)和底电极(7)；其中，所述n型硅衬底(1)的上表面覆盖二氧化硅隔离层(2)，在二氧化硅隔离层(2)上开有二氧化硅窗口(3)，使二氧化硅隔离层(2)成凹形结构，在二氧化硅隔离层(2)的上表面覆盖顶电极(5)，顶电极(5)的边界小于二氧化硅隔离层(2)的边界，在二氧化硅窗口(3)与n型硅衬底(1)交界处覆盖二氧化硅绝缘层(4)；在二氧化硅隔离层(2)和顶电极(5)开口的内侧壁、顶电极(5)的上表面和二氧化硅绝缘层(4)的上表面覆盖石墨烯薄膜(6)，顶电极(5)上表面石墨烯薄膜(6)的覆盖范围小于顶电极(5)的边界；在n型硅衬底(1)下表面设置底电极(7)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器，其特征在于，所述的二氧化硅绝缘层(4)厚度为1.5nm～2.5nm。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器，其特征在于，所述的顶电极(5)是金属薄膜电极，金属材料为铝、金或金铬合金。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器，其特征在于，所述的底电极(7)是金属薄膜电极，金属材料为镓铟合金、钛金合金或铝。
5.制备如权利要求1所述的基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在n型硅衬底(1)的上表面氧化生长二氧化硅隔离层(2)，所用n型硅衬底(1)的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层(2)的厚度为300nm～500nm，生长温度为900～1200℃；
(2)在二氧化硅隔离层(2)表面光刻出顶电极(5)图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度为5nm的铬黏附层，然后生长50nm的金电极；
(3)在生长有顶电极(5)的二氧化硅隔离层(2)表面光刻出二氧化硅窗口(3)图形，然后通过反应离子刻蚀技术，采用八氟环丁烷等离子体刻蚀二氧化硅隔离层(2)，并用缓冲氧化物刻蚀溶液去除残留的二氧化硅；其中，所述缓冲氧化物刻蚀溶液由NH4F、HF和水组成，NH4F：HF：H2O＝60g:30ml:100ml；
(4)在二氧化硅窗口(3)与n型硅衬底(1)交界处采用快速热氧方法生长二氧化硅绝缘层(4)；通入500sccm氮气和500sccm氧气，快速升温到900℃，反应30s；然后在500℃下退火10min；
(5)石墨烯薄膜(6)的制备：采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备石墨烯薄膜(6)；
(6)在二氧化硅隔离层(2)和顶电极(5)开口的内侧壁、顶电极(5)的上表面和二氧化硅绝缘层(4)的上表面覆盖石墨烯薄膜(6)；其中，石墨烯的转移方法为：将石墨烯薄膜(6)表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜(6)；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜(6)用去离子水清洗后转移到二氧化硅隔离层(2)和顶电极(5)开口的内侧壁、顶电极(5)的上表面和二氧化硅绝缘层(4)的上表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4：HCl：H2O＝10g:50ml:50ml；
(7)在n型硅衬底(1)底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极(7)，与n型硅衬底(1)形成欧姆接触。
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