一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器及其制备方法
一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器及其制备方法，其特征在于：在n型GaAs基底上覆盖一层超薄的钝化层，将石墨烯转移到覆盖钝化层的n型GaAs基底上，实现基于石墨烯/钝化层/n型GaAs肖特基结的光电二极管，再通过电极引线外接，即可完成自驱动高速近红外光电探测器的制备。本发明中的近红外光电探测器使用透过率非常高石墨烯，增加了光的透光率，提高了光的响应度；通过在石墨烯和n型GaAs之间加上一层超薄的钝化层，减小了暗电流噪声，大大缩短了响应时间；本发明中的近红外探测器结构简单、成本很低、响应速度快、开关比大、暗电流噪声小、以及探测率高等优点，具有很大的市场应用潜力。
【专利说明】一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件应用【技术领域】，具体涉及一种自驱动高速肖特基近红外光电探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]红外探测器是可以接收红外波段的光信号，并转换为电信号的半导体器件。红外探测器广泛应用于军事、气象、工业、农业和林业、环境科学、公安保障以及医疗诊断等方面。
[0003]1800年Herschel发现太阳光谱中的红外线时所用的涂黑水银温度计为最早的红外探测器，随着实验和理论的发展，新的红外探测器件不断涌现。红外光电探测器的诞生可以追溯到1873年，英国的W.Smith发现硒(Se)具有光电导效应。光电探测器所采用的材料有PbS、PbTe, PbSe, InSb, HgCdTe, CdZnTe, CaAs等，主要为一些窄禁带半导体材料。
[0004]传统的红外光电探测器由于需要高温退火、扩散，需贵重金属真空沉积，且部分金属有剧毒和致癌性，因此从制备工艺以及经济环保的角度考虑都需要对传统光电探测器做进一步的改进。而肖特基探测器制作相对简易，不存在高温扩散过程，并且暗电流低、响应度大、寄生电容小，响应较快的探测器。
[0005]GaAs是一种非常重要的半导体材料，它在室温下的直接禁带宽度为1.42eV，在光电子器件应用方面是非常有前景的材料。相比其他器件，砷化镓器件的工作频率最高可达100GHz，具有更宽的温度特性和更好的抗辐射能力，易于实现微电子和光电子的结合。因此，GaAs器件在移动通讯、光纤通信、超高速计算机、自动化控制以及武器装备等领域得到广泛的应用。
[0006]石墨烯(Graphene)是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的材料。石墨烯具有非常独特的电学、光学、热学、力学等特性:单层石墨烯的载流子具有很高的迁移率，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V.s，比硅的迁移率高10多倍，是替代硅的制造超微型晶体管首选材料；电阻率比铜或银低，电阻率只约为IO-6 Ω.cm，是目前世界上电阻率最小的材料；石墨烯透明度非常高，单层石墨烯的光透过率达到97.7% ;石墨烯具有非常好的导热性能，导热系数高达5300W/m.Κ，高于碳纳米管和金刚石；石墨烯的力学性能非常好，被认为是最坚硬的材料。目前已实现了基于石墨烯的超高容量和能快速充电的电池，宽带无线混频器，超高速光调制器以及石墨烯触摸面板等。当前对于石墨烯的研究主要集中于大规模石墨烯的转移及其集成器件应用。
[0007]若将石墨烯与砷化镓结合制备近红外光电探测器，即可以利用砷化镓对近红外光的灵敏性，又可以结合石墨烯的低电阻率、高透光率等优异特性，还可以在他们之间加上一层很薄的钝化层使得暗电流噪声减小和响应速度有明显的提高。但是目前为止，基于石墨烯/钝化层/砷化镓的近红外光电探测器还未见报道。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是克服现有技术存在的不足，并充分利用石墨烯这一新型二维纳米材料的优异特性和利用钝化层钝化的方法，提出一种制备工艺简单、成本很低的石墨烯/钝化层/砷化镓肖特基高速红外光电探测器，该探测器可以应用于近红外光的检测，暗电流噪声小，灵敏度高，响应速度快，开关比大。
[0009]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0010]本发明自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特点在于:以η型GaAs基底作为所述近红外探测器的基区，在所述η型GaAs基底的背面蒸镀有η型GaAs基底电极；在所述η型GaAs基底的正面蒸镀有钝化层；在所述钝化层表面蒸镀有绝缘层，所述绝缘层的面积为所述钝化层面积的1/2到2/3 ;在所述绝缘层上蒸镀有石墨烯电极，所述石墨烯电极的边界不超出所述绝缘层的边界；在所述石墨烯电极上转移有石墨烯，所述石墨烯一部分与石墨烯电极接触，剩余部分与所述钝化层上未覆盖绝缘层的部分接触，所述石墨烯的边界不超出所述钝化层的边界，所述石墨烯与石墨烯电极为欧姆接触。
[0011]优选的，所述钝化层以铝为材料，所述钝化层的厚度为2nm-6nm。
[0012]绝缘层的面积为钝化层面积的1/2到2/3，即可以在钝化层和石墨烯电极之间起到很好的绝缘效果，保证后期石墨烯可以与位于绝缘层上的石墨烯电极有良好的欧姆接触，又有充足的面积以保证后期石墨烯能与未被绝缘层覆盖的钝化层充分接触，使所制备的探测器具备最稳定最优越的性能。
[0013]优选的，所述绝缘层与所述石墨烯电极为U型结构。一方面石墨烯与U型结构的三边电极都接触，使得石墨烯与电极的接触更好，能更好的采集载流子；另一方面，石墨烯采用的是湿法转移，在转移过程中很容易在石墨烯与钝化层之间夹有一层水份，若采用U型结构，在烘干的过程中放在斜面上，水份会沿着U型缺口的部分流出蒸发，如果水份蒸发不出来容易产生气泡损害石墨烯。
[0014]优选的，所述绝缘层以氧化铝、氮化硅或者氧化铪为材料，所述绝缘层的厚度为30_500nmo
[0015]所述石墨烯电极为Ag电极、Au电极或In电极，所述石墨烯电极的厚度为50_100nm。
[0016]所述η型GaAs基底电极为厚度为100_300nm的Ag电极、In电极或Ag/Sn合金电极。
[0017]所述石墨烯为单层或多层。
[0018]所述η型GaAs基底采用厚度为350 μ m、电阻率为1.91?1.33 ΧΙΟ—3 Ω.cm的η型GaAs单晶基片。
[0019]本发明自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的制备方法，其特点在于按如下步骤进行:
[0020]a、将η型GaAs单晶基片依次用丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、去离子冲洗3-5次后，放入由IOOml浓度为20被％的(NH4)2S水溶液和IOOml异丙醇组成的混合溶液中浸泡30-60分钟，用氮气枪吹干，获得η型GaAs基底；
[0021]b、利用电子束镀膜工艺在η型GaAs基底的正面蒸镀钝化层；
[0022]C、利用磁控溅射镀膜工艺在钝化层表面蒸镀绝缘层；
[0023]d、利用电子束镀膜工艺在所述绝缘层表面蒸镀石墨烯电极，所述的石墨烯电极的边界不超出所述绝缘层的边界；
[0024]e、利用电子束镀膜或热蒸发镀膜在η型GaAs基底的背面蒸镀η型GaAs基底电极；
[0025]f、利用湿法转移或干法转移在石墨烯电极上转移石墨烯，使石墨烯一部分搭在石墨烯电极上，剩余部分搭在钝化层上即得自驱动高速肖特基结近红外光电探测器。
[0026]钝化层在GaAs和石墨烯的能带之间产生了缺陷能级,形成新的复合中心。一方面加快了载流子的复合速率，减小了载流子的寿命，从而显著的提高了器件的响应速度；另一方面减小了肖特基结暴露在光源下的泄漏电流，从而减小了暗电流噪声。
[0027]与现有技术相比，本发明的技术方案的优点为:
[0028]1、本发明中将石墨烯与砷化镓结合制备近红外光电探测器，即可以利用砷化镓对近红外光的灵敏性，又可以结合石墨烯的低电阻率、高透光率等优异特性，探测器对于近红外光有很大的吸收率；
[0029]2、本发明中在石墨烯与砷化镓之间加上一层厚度为2_6nm的铝，纳米级别的铝极易氧化成铝的氧化物，在石墨烯和砷化镓之间形成钝化层，大大提高了此探测器的响应速度、开关比，同时减小了暗电流噪声；
[0030]3、本发明中以石墨烯/钝化层/n型GaAs结构形成肖特基结近红外光电探测器，在不需要外加电压的情况下就可以稳定工作，不需要消耗电能，更加节省能源，电路设计更加简化；
[0031]4、本发明的肖特基结近红外光电探测器结构简单，制备工艺简明，成本低且环保、安全，可应用实际生产中。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的结构示意图；
[0033]图2为本发明实施例1三个样品在近红外光照下的1-V特性曲线；
[0034]图3为本发明实施例1三个样品在有无光条件下的时间响应图；
[0035]图4为本发明实施例1样品2在IKHz和IMHz的脉冲激光下的光响应曲线；
[0036]图5为本发明实施例2两个样品在近红外光照下的1-V曲线；
[0037]图6为本发明实施例2两个样品在近红外光照下的时间响应图；
[0038]【专利附图】
【附图说明】:1η型GaAs基底电极；2η型GaAs基底；3钝化层；4绝缘层；5石墨烯电极；6石墨稀。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图详细描述本发明一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器及其制备方法，非限定实施例如下。
[0040]实施例1
[0041]如图1所示，本实施例中自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的器件结构为:以η型GaAs基底2作为近红外探测器的基区，在η型GaAs基底2的背面(非抛光面)蒸镀有η型GaAs基底电极I ;在η型GaAs基底2的正面(抛光面)蒸镀有钝化层3，钝化层3的边界不超出η型GaAs基底2的边界；在钝化层3表面蒸镀有绝缘层4，为保证石墨烯与钝化层的接触效果，绝缘层4的面积为钝化层3面积的1/2到2/3，绝缘层4的边界不超出钝化层3的边界；在绝缘层4上蒸镀有石墨烯电极5，石墨烯电极5的边界不超出绝缘层4的边界；在石墨烯电极5上转移有石墨烯6，石墨烯6 —部分与石墨烯电极5接触，剩余部分与钝化层3上未覆盖绝缘层4的部分接触，石墨烯6的边界不超出所述钝化层3的边界并在U型结构上方露出一部分石墨烯电极方便引线测试，石墨烯6与石墨烯电极5为欧姆接触。
[0042]在本实施例中绝缘层4采用厚度为300nm的氮化硅，石墨烯电极5采用厚度为50nm的Ag。η型GaAs基底电极I采用厚度为200nm的金属铟。η型GaAs基底2采用的厚度为350 μ m、电阻率为1.91?1.33 ΧΙΟ—3 Ω.cm的η型GaAs单晶基片。石墨烯6采用
双层石墨烯。
[0043]为对比钝化层厚度对器件性能的影响，本实施例采用三种厚度的铝层作为钝化层，分别为0nm(即没有钝化层)、2.5nm和4.5nm，所对应的样品分别命名为样品1、样品2及样品3。
[0044]本实施例自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的制备方法如下:
[0045]a、将3片(样品1、样品2和样品3)尺寸为0.6cmX0.6cm、厚度为350 μ m、电阻率为1.91?1.33Χ10_3Ω.cm的η型GaAs单晶基片依次用丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、去离子冲洗5次后，放入IOOml浓度为20被％的(NH4)2S水溶液和IOOml异丙醇组成的混合溶液中处理30分钟，进行GaAs的表面处理，然后用氮气枪吹干，形成η型GaAs基底2。
[0046]b、利用电子束镀膜工艺，以纯度为99.99%的铝为靶材，在电子束8KV高压和真空度高于5X 10_3Pa的条件下，以不超过0.lA/s的蒸镀速率，在样品2和样品3的η型GaAs基底2表面分别镀上2.5nm和4.5nm的铝，形成钝化层3。作为对比，样品I不蒸镀铝。
[0047]C、用高温胶带分别遮挡住三个样品的钝化层面积的1/2，剩余的部分为U型形状，利用磁控溅射镀膜工艺，以纯度为99.99%的氮化硅靶为材料，真空度高于3X 10_3Pa的条件下，在钝化层3上未被胶带覆盖的部分镀300nm的氮化硅作为绝缘层4。
[0048]d、利用电子束镀膜工艺，以纯度为99.99%的银为靶材，在电子束真空度为高于5X 10_3Pa、高压8KV和速率为0.2A/S的条件下在三个样品上蒸镀与绝缘层4的面积相同的、厚度为50nm的Ag电极，分别作为三个样品的石墨烯电极5，石墨烯电极的形状与绝缘层形状相同，皆为U型结构。
[0049]e、利用热蒸发镀膜工艺，以纯度为99.99%的铟为靶材，在真空度高于4X KT3Pa的条件下，用35w的功率在三个样品的η型GaAs基底2的背面蒸200nm的In，作为η型GaAs基底电极I。
[0050]f、撕去高温胶带，利用湿法转移分别在三个样品的石墨烯电极5上转移面积相同的双层石墨烯，双层石墨烯的一部分搭在石墨烯电极6上，剩余部分搭在未覆盖绝缘层4的钝化层3上，即得自驱动高速肖特基结近红外光电探测器。
[0051]双层石墨烯是通过化学气相沉积法在双温区管式炉中合成的，具体步骤如下:
[0052]先将两片7cmX7cm、厚30微米的铜箔放入双温区管式炉中，两片铜箔都放在热电偶中心处，然后将铜箔从室温加温至处理铜箔所需要的温度1005°C (需30min)，在此温度下维持Ih时间，整个过程中通5sCCm氢气作为保护气体。Ih后，通入甲烷和氢气，甲烷20sccm,氢气40sccm,通气15分钟,气压稳定在2torr左右。通气完成后，揭开炉子，待炉子的温度达到200摄氏度左右的时候，关闭气体。当双温区管式炉冷却到室温时取出铜箔，铜箔表面生长有双层石墨烯。
[0053]双层石墨烯是通过湿法转移的方法进行转移，具体步骤如下:
[0054]将表面生长石墨烯的铜箔,裁成2cmX2cm大小,在3600rad/s的转速下旋涂质量浓度为6%的PMMA溶液，然后放入比例为1:1的过硫酸铵和水的混合刻蚀溶液中刻蚀，待铜完全被刻蚀后，得到带有PMMA的石墨烯。带有PMMA的石墨烯通过去离子水的多次清洗可以裁剪任意大小转移到任意衬底上。
[0055]为了测试三个样品的探测性能，在三个样品的石墨烯电极5和η型GaAs基底电极I上分别用银浆黏合上两根银线。将三个样品的两根银线依次接到KEITHLEY4200 — SCS的两根源线上进行测试。在室温和功率为3mW/cm2的850nm近红外光的光照下测量三个样品的的1-V特性曲线，测试结果如图2所示。在零偏压、室温和功率为3mW/cm2的850nm近红外光的的光照下，分别测量三个样品的有无光的时间响应曲线，测试结果如图3所示。从图2和图3中可以看出:本实施例所获得的近红外光电探测器对850nm近红外光非常敏感，暗电流噪声很小，且具有很高的开关比；对比三个样品，可知蒸镀有钝化层的样品2和样品3的开关比及短路电流明显大于没有蒸镀钝化层的样品1，开关比大于105，且样品2的性能要优于样品3的，经计算知室温、零偏压下样品2的响应度为5mA/W，灵敏度高达2.88 X IO11CmHz172W-1O
[0056]对本实施例中样品2在频率为IKHz和IMHz的脉冲激光下，利用示波器接收电信号，测量光响应曲线，测试结果如图4所示。从图4中可以看出:样品2的响应时间非常快，通过截取上升沿和下降沿的10%到90%，可以看出上升和下降时间时间分别为320ns和380ns。
[0057]实施例2
[0058]本实施例采用与实施例1相同的制备方式，区别在于石墨烯采用单层石墨烯、所用的钝化层的厚度厚度分别为Onm和6nm，所对应的样品分别命名为样品4和样品5。
[0059]单层石墨烯是通过化学气相沉积法在双温区管式炉中合成的，具体步骤如下:
[0060]先将两片7cmX7cm、厚25微米的铜箔放入双温区管式炉中，两片铜箔都放在热电偶中心处，通入一个标准大气压的氢气作为保护气体，然后将铜箔从室温加温至处理铜箔所需要的温度1005°C (需30min)，在此温度下维持Ih时间。Ih后，通入甲烷和氢气，甲烷5sccm,氢气IOOsccm,通气6分钟,气压稳定在2torr左右。通气完成后,揭开炉子,待炉子的温度达到200摄氏度左右的时候，关闭气体。当双温区管式炉冷却到室温时取出铜箔，铜猜表面生长有单层石墨稀。
[0061]单层石墨烯的转移方法与实施例1中双层石墨烯的转移方法相同。引线测试方法也如同实施例1。图5与图6分别为在室温和功率为3mW/cm2的850nm近红外的光照下测量两个样品的的1-V特性曲线和有无光的时间响应曲线。从图5和图6中可以看出，可知蒸镀有钝化层的样品5的开关比及短路电流明显大于没有蒸镀钝化层的样品4。
[0062]实施例3
[0063]本实施例采用与实施例1中样品2相同的制备方式，区别在于:n型GaAs基底电极I采用厚度为200nm的Ag/Sn合金电极,石墨烯电极5采用厚度为50nm的Au。 [0064] 经测试，更换电极对器件的性能基本没有影响，与样品2所测得的数据基本一致。
【权利要求】
1.一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:以η型GaAs基底(2)作为所述近红外探测器的基区，在所述η型GaAs基底(2)的背面蒸镀有η型GaAs基底电极(I);在所述η型GaAs基底(2)的正面蒸镀有钝化层(3);在所述钝化层(3)表面蒸镀有绝缘层(4)，所述绝缘层(4)的面积为所述钝化层(3)面积的1/2到2/3 ;在所述绝缘层(4)上蒸镀有石墨烯电极(5)，所述石墨烯电极(5)的边界不超出所述绝缘层(4)的边界；在所述石墨烯电极(5)上转移有石墨烯(6)，所述石墨烯(6) —部分与石墨烯电极(5)接触，剩余部分与所述钝化层(3)上未覆盖绝缘层(4)的部分接触，所述石墨烯(6)的边界不超出所述钝化层(3)的边界，所述石墨烯(6)与石墨烯电极(5)为欧姆接触。
2.根据权利I所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述钝化层⑶以铝为材料，所述钝化层的厚度为2nm-6nm。
3.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述绝缘层(4)与所述石墨烯电极(5)为U型结构。
4.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述绝缘层(4)以氧化铝、氮化硅或者氧化铪为材料，所述绝缘层(4)的厚度为30-500nm。
5.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述石墨烯电极(5)为Ag电极、Au电极或In电极,所述石墨烯电极(5)的厚度为50_100nm。
6.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述η型GaAs基底电极(I)为厚度为100-300nm的Ag电极、In电极或Ag/Sn合金电极。
7.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述石墨烯(6)为单层或多层。
8.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述η型GaAs基底⑵采用厚度为350 μ m、电阻率为1.91~1.33 ΧΙΟ3 Ω.cm的η型GaAs单晶基片。
9.一种权利要求1-8任意一项所述自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的制备方法，其特征在于按如下步骤进行: a、将η型GaAs单晶基片依次用丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、去离子冲洗3_5次后，放入由100mL浓度为20wt%的(NH4)2S水溶液和100mL异丙醇组成的混合溶液中浸泡30-60分钟，用氮气枪吹干，获得η型GaAs基底(2); b、利用电子束镀膜工艺在η型GaAs基底(2)的正面蒸镀钝化层(3)； C、利用磁控溅射镀膜工艺在钝化层(3)表面蒸镀绝缘层(4)； d、利用电子束镀膜工艺在所述绝缘层(4)表面蒸镀石墨烯电极(5)，所述的石墨烯电极(5)的边界不超出所述绝缘层(4)的边界； e、利用电子束镀膜或热蒸发镀膜在η型GaAs基底(2)的背面蒸镀η型GaAs基底电极(I); f、利用湿法转移或干法转移在石墨烯电极(5)上转移石墨烯(6)，使石墨烯一部分搭在石墨烯电极(5)上，剩余部分搭在钝化层(3)上，即得自驱动高速肖特基结近红外光电探测器。
【文档编号】H01L31/108GK103956402SQ201410204609
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】罗林保, 胡瀚, 于永强, 王元, 谢超, 王先贺 申请人:合肥工业大学
【专利摘要】本发明公开了一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器及其制备方法，其特征在于：在n型GaAs基底上覆盖一层超薄的钝化层，将石墨烯转移到覆盖钝化层的n型GaAs基底上，实现基于石墨烯/钝化层/n型GaAs肖特基结的光电二极管，再通过电极引线外接，即可完成自驱动高速近红外光电探测器的制备。本发明中的近红外光电探测器使用透过率非常高石墨烯，增加了光的透光率，提高了光的响应度；通过在石墨烯和n型GaAs之间加上一层超薄的钝化层，减小了暗电流噪声，大大缩短了响应时间；本发明中的近红外探测器结构简单、成本很低、响应速度快、开关比大、暗电流噪声小、以及探测率高等优点，具有很大的市场应用潜力。
【专利说明】一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件应用【技术领域】，具体涉及一种自驱动高速肖特基近红外光电探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]红外探测器是可以接收红外波段的光信号，并转换为电信号的半导体器件。红外探测器广泛应用于军事、气象、工业、农业和林业、环境科学、公安保障以及医疗诊断等方面。
[0003]1800年Herschel发现太阳光谱中的红外线时所用的涂黑水银温度计为最早的红外探测器，随着实验和理论的发展，新的红外探测器件不断涌现。红外光电探测器的诞生可以追溯到1873年，英国的W.Smith发现硒(Se)具有光电导效应。光电探测器所采用的材料有PbS、PbTe, PbSe, InSb, HgCdTe, CdZnTe, CaAs等，主要为一些窄禁带半导体材料。
[0004]传统的红外光电探测器由于需要高温退火、扩散，需贵重金属真空沉积，且部分金属有剧毒和致癌性，因此从制备工艺以及经济环保的角度考虑都需要对传统光电探测器做进一步的改进。而肖特基探测器制作相对简易，不存在高温扩散过程，并且暗电流低、响应度大、寄生电容小，响应较快的探测器。
[0005]GaAs是一种非常重要的半导体材料，它在室温下的直接禁带宽度为1.42eV，在光电子器件应用方面是非常有前景的材料。相比其他器件，砷化镓器件的工作频率最高可达100GHz，具有更宽的温度特性和更好的抗辐射能力，易于实现微电子和光电子的结合。因此，GaAs器件在移动通讯、光纤通信、超高速计算机、自动化控制以及武器装备等领域得到广泛的应用。
[0006]石墨烯(Graphene)是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的材料。石墨烯具有非常独特的电学、光学、热学、力学等特性:单层石墨烯的载流子具有很高的迁移率，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V.s，比硅的迁移率高10多倍，是替代硅的制造超微型晶体管首选材料；电阻率比铜或银低，电阻率只约为IO-6 Ω.cm，是目前世界上电阻率最小的材料；石墨烯透明度非常高，单层石墨烯的光透过率达到97.7% ;石墨烯具有非常好的导热性能，导热系数高达5300W/m.Κ，高于碳纳米管和金刚石；石墨烯的力学性能非常好，被认为是最坚硬的材料。目前已实现了基于石墨烯的超高容量和能快速充电的电池，宽带无线混频器，超高速光调制器以及石墨烯触摸面板等。当前对于石墨烯的研究主要集中于大规模石墨烯的转移及其集成器件应用。
[0007]若将石墨烯与砷化镓结合制备近红外光电探测器，即可以利用砷化镓对近红外光的灵敏性，又可以结合石墨烯的低电阻率、高透光率等优异特性，还可以在他们之间加上一层很薄的钝化层使得暗电流噪声减小和响应速度有明显的提高。但是目前为止，基于石墨烯/钝化层/砷化镓的近红外光电探测器还未见报道。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是克服现有技术存在的不足，并充分利用石墨烯这一新型二维纳米材料的优异特性和利用钝化层钝化的方法，提出一种制备工艺简单、成本很低的石墨烯/钝化层/砷化镓肖特基高速红外光电探测器，该探测器可以应用于近红外光的检测，暗电流噪声小，灵敏度高，响应速度快，开关比大。
[0009]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0010]本发明自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特点在于:以η型GaAs基底作为所述近红外探测器的基区，在所述η型GaAs基底的背面蒸镀有η型GaAs基底电极；在所述η型GaAs基底的正面蒸镀有钝化层；在所述钝化层表面蒸镀有绝缘层，所述绝缘层的面积为所述钝化层面积的1/2到2/3 ;在所述绝缘层上蒸镀有石墨烯电极，所述石墨烯电极的边界不超出所述绝缘层的边界；在所述石墨烯电极上转移有石墨烯，所述石墨烯一部分与石墨烯电极接触，剩余部分与所述钝化层上未覆盖绝缘层的部分接触，所述石墨烯的边界不超出所述钝化层的边界，所述石墨烯与石墨烯电极为欧姆接触。
[0011]优选的，所述钝化层以铝为材料，所述钝化层的厚度为2nm-6nm。
[0012]绝缘层的面积为钝化层面积的1/2到2/3，即可以在钝化层和石墨烯电极之间起到很好的绝缘效果，保证后期石墨烯可以与位于绝缘层上的石墨烯电极有良好的欧姆接触，又有充足的面积以保证后期石墨烯能与未被绝缘层覆盖的钝化层充分接触，使所制备的探测器具备最稳定最优越的性能。
[0013]优选的，所述绝缘层与所述石墨烯电极为U型结构。一方面石墨烯与U型结构的三边电极都接触，使得石墨烯与电极的接触更好，能更好的采集载流子；另一方面，石墨烯采用的是湿法转移，在转移过程中很容易在石墨烯与钝化层之间夹有一层水份，若采用U型结构，在烘干的过程中放在斜面上，水份会沿着U型缺口的部分流出蒸发，如果水份蒸发不出来容易产生气泡损害石墨烯。
[0014]优选的，所述绝缘层以氧化铝、氮化硅或者氧化铪为材料，所述绝缘层的厚度为30_500nmo
[0015]所述石墨烯电极为Ag电极、Au电极或In电极，所述石墨烯电极的厚度为50_100nm。
[0016]所述η型GaAs基底电极为厚度为100_300nm的Ag电极、In电极或Ag/Sn合金电极。
[0017]所述石墨烯为单层或多层。
[0018]所述η型GaAs基底采用厚度为350 μ m、电阻率为1.91?1.33 ΧΙΟ—3 Ω.cm的η型GaAs单晶基片。
[0019]本发明自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的制备方法，其特点在于按如下步骤进行:
[0020]a、将η型GaAs单晶基片依次用丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、去离子冲洗3-5次后，放入由IOOml浓度为20被％的(NH4)2S水溶液和IOOml异丙醇组成的混合溶液中浸泡30-60分钟，用氮气枪吹干，获得η型GaAs基底；
[0021]b、利用电子束镀膜工艺在η型GaAs基底的正面蒸镀钝化层；
[0022]C、利用磁控溅射镀膜工艺在钝化层表面蒸镀绝缘层；
[0023]d、利用电子束镀膜工艺在所述绝缘层表面蒸镀石墨烯电极，所述的石墨烯电极的边界不超出所述绝缘层的边界；
[0024]e、利用电子束镀膜或热蒸发镀膜在η型GaAs基底的背面蒸镀η型GaAs基底电极；
[0025]f、利用湿法转移或干法转移在石墨烯电极上转移石墨烯，使石墨烯一部分搭在石墨烯电极上，剩余部分搭在钝化层上即得自驱动高速肖特基结近红外光电探测器。
[0026]钝化层在GaAs和石墨烯的能带之间产生了缺陷能级,形成新的复合中心。一方面加快了载流子的复合速率，减小了载流子的寿命，从而显著的提高了器件的响应速度；另一方面减小了肖特基结暴露在光源下的泄漏电流，从而减小了暗电流噪声。
[0027]与现有技术相比，本发明的技术方案的优点为:
[0028]1、本发明中将石墨烯与砷化镓结合制备近红外光电探测器，即可以利用砷化镓对近红外光的灵敏性，又可以结合石墨烯的低电阻率、高透光率等优异特性，探测器对于近红外光有很大的吸收率；
[0029]2、本发明中在石墨烯与砷化镓之间加上一层厚度为2_6nm的铝，纳米级别的铝极易氧化成铝的氧化物，在石墨烯和砷化镓之间形成钝化层，大大提高了此探测器的响应速度、开关比，同时减小了暗电流噪声；
[0030]3、本发明中以石墨烯/钝化层/n型GaAs结构形成肖特基结近红外光电探测器，在不需要外加电压的情况下就可以稳定工作，不需要消耗电能，更加节省能源，电路设计更加简化；
[0031]4、本发明的肖特基结近红外光电探测器结构简单，制备工艺简明，成本低且环保、安全，可应用实际生产中。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的结构示意图；
[0033]图2为本发明实施例1三个样品在近红外光照下的1-V特性曲线；
[0034]图3为本发明实施例1三个样品在有无光条件下的时间响应图；
[0035]图4为本发明实施例1样品2在IKHz和IMHz的脉冲激光下的光响应曲线；
[0036]图5为本发明实施例2两个样品在近红外光照下的1-V曲线；
[0037]图6为本发明实施例2两个样品在近红外光照下的时间响应图；
[0038]【专利附图】
【附图说明】:1η型GaAs基底电极；2η型GaAs基底；3钝化层；4绝缘层；5石墨烯电极；6石墨稀。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图详细描述本发明一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器及其制备方法，非限定实施例如下。
[0040]实施例1
[0041]如图1所示，本实施例中自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的器件结构为:以η型GaAs基底2作为近红外探测器的基区，在η型GaAs基底2的背面(非抛光面)蒸镀有η型GaAs基底电极I ;在η型GaAs基底2的正面(抛光面)蒸镀有钝化层3，钝化层3的边界不超出η型GaAs基底2的边界；在钝化层3表面蒸镀有绝缘层4，为保证石墨烯与钝化层的接触效果，绝缘层4的面积为钝化层3面积的1/2到2/3，绝缘层4的边界不超出钝化层3的边界；在绝缘层4上蒸镀有石墨烯电极5，石墨烯电极5的边界不超出绝缘层4的边界；在石墨烯电极5上转移有石墨烯6，石墨烯6 —部分与石墨烯电极5接触，剩余部分与钝化层3上未覆盖绝缘层4的部分接触，石墨烯6的边界不超出所述钝化层3的边界并在U型结构上方露出一部分石墨烯电极方便引线测试，石墨烯6与石墨烯电极5为欧姆接触。
[0042]在本实施例中绝缘层4采用厚度为300nm的氮化硅，石墨烯电极5采用厚度为50nm的Ag。η型GaAs基底电极I采用厚度为200nm的金属铟。η型GaAs基底2采用的厚度为350 μ m、电阻率为1.91?1.33 ΧΙΟ—3 Ω.cm的η型GaAs单晶基片。石墨烯6采用
双层石墨烯。
[0043]为对比钝化层厚度对器件性能的影响，本实施例采用三种厚度的铝层作为钝化层，分别为0nm(即没有钝化层)、2.5nm和4.5nm，所对应的样品分别命名为样品1、样品2及样品3。
[0044]本实施例自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的制备方法如下:
[0045]a、将3片(样品1、样品2和样品3)尺寸为0.6cmX0.6cm、厚度为350 μ m、电阻率为1.91?1.33Χ10_3Ω.cm的η型GaAs单晶基片依次用丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、去离子冲洗5次后，放入IOOml浓度为20被％的(NH4)2S水溶液和IOOml异丙醇组成的混合溶液中处理30分钟，进行GaAs的表面处理，然后用氮气枪吹干，形成η型GaAs基底2。
[0046]b、利用电子束镀膜工艺，以纯度为99.99%的铝为靶材，在电子束8KV高压和真空度高于5X 10_3Pa的条件下，以不超过0.lA/s的蒸镀速率，在样品2和样品3的η型GaAs基底2表面分别镀上2.5nm和4.5nm的铝，形成钝化层3。作为对比，样品I不蒸镀铝。
[0047]C、用高温胶带分别遮挡住三个样品的钝化层面积的1/2，剩余的部分为U型形状，利用磁控溅射镀膜工艺，以纯度为99.99%的氮化硅靶为材料，真空度高于3X 10_3Pa的条件下，在钝化层3上未被胶带覆盖的部分镀300nm的氮化硅作为绝缘层4。
[0048]d、利用电子束镀膜工艺，以纯度为99.99%的银为靶材，在电子束真空度为高于5X 10_3Pa、高压8KV和速率为0.2A/S的条件下在三个样品上蒸镀与绝缘层4的面积相同的、厚度为50nm的Ag电极，分别作为三个样品的石墨烯电极5，石墨烯电极的形状与绝缘层形状相同，皆为U型结构。
[0049]e、利用热蒸发镀膜工艺，以纯度为99.99%的铟为靶材，在真空度高于4X KT3Pa的条件下，用35w的功率在三个样品的η型GaAs基底2的背面蒸200nm的In，作为η型GaAs基底电极I。
[0050]f、撕去高温胶带，利用湿法转移分别在三个样品的石墨烯电极5上转移面积相同的双层石墨烯，双层石墨烯的一部分搭在石墨烯电极6上，剩余部分搭在未覆盖绝缘层4的钝化层3上，即得自驱动高速肖特基结近红外光电探测器。
[0051]双层石墨烯是通过化学气相沉积法在双温区管式炉中合成的，具体步骤如下:
[0052]先将两片7cmX7cm、厚30微米的铜箔放入双温区管式炉中，两片铜箔都放在热电偶中心处，然后将铜箔从室温加温至处理铜箔所需要的温度1005°C (需30min)，在此温度下维持Ih时间，整个过程中通5sCCm氢气作为保护气体。Ih后，通入甲烷和氢气，甲烷20sccm,氢气40sccm,通气15分钟,气压稳定在2torr左右。通气完成后，揭开炉子，待炉子的温度达到200摄氏度左右的时候，关闭气体。当双温区管式炉冷却到室温时取出铜箔，铜箔表面生长有双层石墨烯。
[0053]双层石墨烯是通过湿法转移的方法进行转移，具体步骤如下:
[0054]将表面生长石墨烯的铜箔,裁成2cmX2cm大小,在3600rad/s的转速下旋涂质量浓度为6%的PMMA溶液，然后放入比例为1:1的过硫酸铵和水的混合刻蚀溶液中刻蚀，待铜完全被刻蚀后，得到带有PMMA的石墨烯。带有PMMA的石墨烯通过去离子水的多次清洗可以裁剪任意大小转移到任意衬底上。
[0055]为了测试三个样品的探测性能，在三个样品的石墨烯电极5和η型GaAs基底电极I上分别用银浆黏合上两根银线。将三个样品的两根银线依次接到KEITHLEY4200 — SCS的两根源线上进行测试。在室温和功率为3mW/cm2的850nm近红外光的光照下测量三个样品的的1-V特性曲线，测试结果如图2所示。在零偏压、室温和功率为3mW/cm2的850nm近红外光的的光照下，分别测量三个样品的有无光的时间响应曲线，测试结果如图3所示。从图2和图3中可以看出:本实施例所获得的近红外光电探测器对850nm近红外光非常敏感，暗电流噪声很小，且具有很高的开关比；对比三个样品，可知蒸镀有钝化层的样品2和样品3的开关比及短路电流明显大于没有蒸镀钝化层的样品1，开关比大于105，且样品2的性能要优于样品3的，经计算知室温、零偏压下样品2的响应度为5mA/W，灵敏度高达2.88 X IO11CmHz172W-1O
[0056]对本实施例中样品2在频率为IKHz和IMHz的脉冲激光下，利用示波器接收电信号，测量光响应曲线，测试结果如图4所示。从图4中可以看出:样品2的响应时间非常快，通过截取上升沿和下降沿的10%到90%，可以看出上升和下降时间时间分别为320ns和380ns。
[0057]实施例2
[0058]本实施例采用与实施例1相同的制备方式，区别在于石墨烯采用单层石墨烯、所用的钝化层的厚度厚度分别为Onm和6nm，所对应的样品分别命名为样品4和样品5。
[0059]单层石墨烯是通过化学气相沉积法在双温区管式炉中合成的，具体步骤如下:
[0060]先将两片7cmX7cm、厚25微米的铜箔放入双温区管式炉中，两片铜箔都放在热电偶中心处，通入一个标准大气压的氢气作为保护气体，然后将铜箔从室温加温至处理铜箔所需要的温度1005°C (需30min)，在此温度下维持Ih时间。Ih后，通入甲烷和氢气，甲烷5sccm,氢气IOOsccm,通气6分钟,气压稳定在2torr左右。通气完成后,揭开炉子,待炉子的温度达到200摄氏度左右的时候，关闭气体。当双温区管式炉冷却到室温时取出铜箔，铜猜表面生长有单层石墨稀。
[0061]单层石墨烯的转移方法与实施例1中双层石墨烯的转移方法相同。引线测试方法也如同实施例1。图5与图6分别为在室温和功率为3mW/cm2的850nm近红外的光照下测量两个样品的的1-V特性曲线和有无光的时间响应曲线。从图5和图6中可以看出，可知蒸镀有钝化层的样品5的开关比及短路电流明显大于没有蒸镀钝化层的样品4。
[0062]实施例3
[0063]本实施例采用与实施例1中样品2相同的制备方式，区别在于:n型GaAs基底电极I采用厚度为200nm的Ag/Sn合金电极,石墨烯电极5采用厚度为50nm的Au。 [0064] 经测试，更换电极对器件的性能基本没有影响，与样品2所测得的数据基本一致。
【权利要求】
1.一种自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:以η型GaAs基底(2)作为所述近红外探测器的基区，在所述η型GaAs基底(2)的背面蒸镀有η型GaAs基底电极(I);在所述η型GaAs基底(2)的正面蒸镀有钝化层(3);在所述钝化层(3)表面蒸镀有绝缘层(4)，所述绝缘层(4)的面积为所述钝化层(3)面积的1/2到2/3 ;在所述绝缘层(4)上蒸镀有石墨烯电极(5)，所述石墨烯电极(5)的边界不超出所述绝缘层(4)的边界；在所述石墨烯电极(5)上转移有石墨烯(6)，所述石墨烯(6) —部分与石墨烯电极(5)接触，剩余部分与所述钝化层(3)上未覆盖绝缘层(4)的部分接触，所述石墨烯(6)的边界不超出所述钝化层(3)的边界，所述石墨烯(6)与石墨烯电极(5)为欧姆接触。
2.根据权利I所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述钝化层⑶以铝为材料，所述钝化层的厚度为2nm-6nm。
3.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述绝缘层(4)与所述石墨烯电极(5)为U型结构。
4.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述绝缘层(4)以氧化铝、氮化硅或者氧化铪为材料，所述绝缘层(4)的厚度为30-500nm。
5.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述石墨烯电极(5)为Ag电极、Au电极或In电极,所述石墨烯电极(5)的厚度为50_100nm。
6.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述η型GaAs基底电极(I)为厚度为100-300nm的Ag电极、In电极或Ag/Sn合金电极。
7.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述石墨烯(6)为单层或多层。
8.根据权利I或2所述的自驱动高速肖特基结近红外光电探测器，其特征在于:所述η型GaAs基底⑵采用厚度为350 μ m、电阻率为1.91~1.33 ΧΙΟ3 Ω.cm的η型GaAs单晶基片。
9.一种权利要求1-8任意一项所述自驱动高速肖特基结近红外光电探测器的制备方法，其特征在于按如下步骤进行: a、将η型GaAs单晶基片依次用丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、去离子冲洗3_5次后，放入由100mL浓度为20wt%的(NH4)2S水溶液和100mL异丙醇组成的混合溶液中浸泡30-60分钟，用氮气枪吹干，获得η型GaAs基底(2); b、利用电子束镀膜工艺在η型GaAs基底(2)的正面蒸镀钝化层(3)； C、利用磁控溅射镀膜工艺在钝化层(3)表面蒸镀绝缘层(4)； d、利用电子束镀膜工艺在所述绝缘层(4)表面蒸镀石墨烯电极(5)，所述的石墨烯电极(5)的边界不超出所述绝缘层(4)的边界； e、利用电子束镀膜或热蒸发镀膜在η型GaAs基底(2)的背面蒸镀η型GaAs基底电极(I); f、利用湿法转移或干法转移在石墨烯电极(5)上转移石墨烯(6)，使石墨烯一部分搭在石墨烯电极(5)上，剩余部分搭在钝化层(3)上，即得自驱动高速肖特基结近红外光电探测器。
【文档编号】H01L31/108GK103956402SQ201410204609
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】罗林保, 胡瀚, 于永强, 王元, 谢超, 王先贺 申请人:合肥工业大学
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1