本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電傳感器件，尤其是一種基于石墨烯薄膜的、具有肖特基超淺結(jié)的硅基紫外增強(qiáng)型光電探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

紫外光電探測(cè)技術(shù)在紫外線輻射檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)成分分析、污水檢測(cè)與處理、災(zāi)害預(yù)警、食品衛(wèi)生、醫(yī)療健康、無線加密通信等方面具有廣泛的應(yīng)用。由于寬禁帶半導(dǎo)體(WBG，如氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等)具有不吸收可見光的特性，在紫外探測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注，并展開了大量的研究與應(yīng)用。然而，目前制備大面積高質(zhì)量單晶WBG材料的工藝復(fù)雜且還未完全成熟，材料表面存在大量缺陷態(tài)，導(dǎo)致光電傳感器響應(yīng)時(shí)間較低。另一方面，制備大面積高質(zhì)量單晶硅的工藝則已經(jīng)非常成熟，半導(dǎo)體硅在可見光探測(cè)領(lǐng)域是最理想的材料之一，也是紫外光電傳感的常用材料。然而，硅材料對(duì)紫外光的響應(yīng)度較低，這是由于紫外光在硅材料中的透射深度極淺(波長(zhǎng)370納米以下，透射深度大于20納米)，光生載流子主要集中在硅的表面，而傳統(tǒng)硅基P-N或P-I-N結(jié)型光電探測(cè)器件的結(jié)深一般大于200nm，載流子復(fù)合效應(yīng)導(dǎo)致光學(xué)響應(yīng)隨入射光波長(zhǎng)的減小而迅速降低。超淺P-N或P-I-N結(jié)(深度大于20納米)的制備相當(dāng)困難，傳統(tǒng)方法是采用離子注入和精確控制熱擴(kuò)散工藝來制備淺結(jié)，但是在硅表面附近易形成P⁺N結(jié)，高摻雜的P⁺區(qū)域會(huì)增加載流子的表面復(fù)合，降低光電傳感器的響應(yīng)度。一些新開發(fā)的淺結(jié)技術(shù)(比如δ-摻雜技術(shù)或激光摻雜技術(shù))制備工藝相當(dāng)復(fù)雜，導(dǎo)致硅基光電傳感器價(jià)格變得昂貴。

另一種制備淺結(jié)的方法是利用金屬/硅直接接觸結(jié)構(gòu)形成位于硅表面的肖特基結(jié)(Schottky Junction)，可以實(shí)現(xiàn)真正的“零結(jié)深”。但是金屬對(duì)入射紫外光有很強(qiáng)的反射和吸收作用，阻擋了紫外光到達(dá)結(jié)區(qū)。即使采用較薄的金屬，制作的光電傳感器光學(xué)響應(yīng)仍然極低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于石墨烯薄膜的、具有肖特基超淺結(jié)、且高效率的基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器及其制備方法。

本發(fā)明的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器，包括外延硅襯底，所述外延硅襯底包括位于下層的重?fù)诫s層和位于上層的輕摻雜層，所述輕摻雜層上表面設(shè)有隔離層，所述隔離層中央開設(shè)有硅窗口，所述隔離層上表面還設(shè)有頂電極，所述頂電極位于所述硅窗口的外周，所述硅窗口的上表面和內(nèi)側(cè)壁、所述頂電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁均覆設(shè)有石墨烯薄膜。

進(jìn)一步的，所述外延硅襯底的材料為外延硅片。

進(jìn)一步的，所述重?fù)诫s層使用N型摻雜或P型摻雜，所述重?fù)诫s層的摻雜濃度為大于4.5×10¹⁸cm^-3，所述重?fù)诫s層的厚度為180～500μm；所述輕摻雜層使用N型摻雜或P型摻雜，所述輕摻雜層的摻雜濃度為1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-3，所述輕摻雜層的厚度為10～2000nm。

進(jìn)一步的，所述重?fù)诫s層的摻雜濃度為大于8×10¹⁸cm^-3，所述重?fù)诫s層的厚度為250～400μm；所述輕摻雜層的摻雜濃度為3×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3，所述輕摻雜層的厚度為20～500nm。

進(jìn)一步的，所述隔離層的材料為寬禁帶材料，包括二氧化硅、氮化硅或三氧化二鋁；所述隔離層的厚度為50nm～1μm。

進(jìn)一步的，所述硅窗口包括一個(gè)或多個(gè)以陣列結(jié)構(gòu)排布的感光區(qū)，所述感光區(qū)的形狀包括圓形、方形、矩形、長(zhǎng)條形、環(huán)形、三角形或菱形。

進(jìn)一步的，所述頂電極為金屬薄膜電極，包括鋁、金、鉻/金、鈦/金或鈦/銀的金屬薄膜電極。

進(jìn)一步的，所述石墨烯薄膜包括單層石墨烯薄膜或2～10層的多層石墨烯薄膜。

進(jìn)一步的，一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

1)在重?fù)诫s單晶硅表面采用分子束外延、真空濺射或化學(xué)氣相沉積方法制備薄硅輕摻雜外延層的外延硅襯底；

2)在外延硅襯底的輕摻雜層上表面采用熱氧方法或淀積方法生長(zhǎng)隔離層至既定厚度；

3)在隔離層的上表面采用光刻和熱蒸發(fā)技術(shù)生長(zhǎng)頂電極；

4)在生長(zhǎng)有頂電極的隔離層表面光刻出硅窗口圖形，然后采用氧化層蝕刻劑刻蝕隔離層形成硅窗口；

5)在硅窗口表面采用轉(zhuǎn)移方法覆上石墨烯薄膜，其中石墨烯薄膜采用氣相化學(xué)沉積方法在銅箔表面生長(zhǎng)而成，將制得的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到硅窗口的上表面和內(nèi)側(cè)壁以及頂電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁。

進(jìn)一步的，所述石墨烯薄膜的制備方法為：首先在生長(zhǎng)有石墨烯薄膜的銅箔表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后放入蝕刻溶液對(duì)銅箔進(jìn)行刻蝕制得石墨烯薄膜，用去離子水清洗石墨烯薄膜以去除銅顆粒和殘余刻蝕溶液，最后用丙酮和異丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯，其中蝕刻溶液為包含CuSO₄和HCl水溶液。

為了提高硅基光敏器件對(duì)紫外光的響應(yīng)，需要采用新的材料與結(jié)構(gòu)。石墨烯是由單層sp²雜化碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維平面晶體薄膜，具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性能。與普通金屬不同，具備高導(dǎo)電性的石墨烯同時(shí)又是一種具有透明性和柔性的新型二維材料。由于石墨烯的厚度幾乎可以忽略，石墨烯和硅接觸可以形成肖特基超淺結(jié)，內(nèi)建電場(chǎng)位于硅襯底表面，由紫外光產(chǎn)生、聚集在表面的光生載流子很快被位于表面的內(nèi)建電場(chǎng)分離，有利于減少載流子復(fù)合，提高紫外光學(xué)響應(yīng)度和響應(yīng)速度。另外，單層石墨烯在紫外波段的吸收率達(dá)到5％～10％，遠(yuǎn)大于在可見光波段的2.3％，石墨烯內(nèi)部的光生載流子也成為光電流的一個(gè)組成部分，有效提高傳感器響應(yīng)度。

為了進(jìn)一步減少載流子復(fù)合，可以采用表面低摻雜的硅襯底。由于紫外光在硅襯底的透射深度很淺(一般<100nm)，僅需要很薄的低摻雜-硅材料層。為了便于規(guī)模化生產(chǎn)，本發(fā)明提出采用外延硅片作為襯底，外延層是輕摻雜，典型摻雜濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁴cm^-3，可有效解決由于表面重?fù)诫s而引起的“死層”問題。而外延片的襯底是重?fù)诫s，典型摻雜濃度>4.5×10¹⁸cm^-3，可有效降低串聯(lián)電阻，進(jìn)一步提升靈敏度和時(shí)間響應(yīng)。重?fù)诫s襯底也通過體復(fù)合機(jī)制，來快速復(fù)合深度透射的載流子，主要是吸收可見光產(chǎn)生的載流子，從而起到抑制可見光響應(yīng)度的目的，實(shí)現(xiàn)光譜選擇性探測(cè)之目的。

本發(fā)明提出的基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器，可使紫外光響應(yīng)度以及響應(yīng)速度得到極大提高，超過目前商用硅基紫外探測(cè)器的響應(yīng)性能，接近或超過硅基紫外探測(cè)器的理論極限。

針對(duì)不同的應(yīng)用，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)既可以用于制備單個(gè)獨(dú)立式紫外光電傳感器，也可以制備紫外光電傳感器陣列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器及其制備方法具有以下有益效果：

1、超淺結(jié)設(shè)計(jì)：石墨烯和硅形成肖特基超淺結(jié)，大部分入射紫外光容易被硅表面層吸收，產(chǎn)生的電子空穴很快被表面內(nèi)建電場(chǎng)分離，降低載流子復(fù)合，消除死層，提高紫外光響應(yīng)度；在紫外光區(qū)域，響應(yīng)度接近硅材料的理論極限值；

2、薄硅輕摻雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：有效增加紫外響應(yīng)、抑制可見光響應(yīng)。硅襯底是外延硅片，外延層是輕摻雜，解決了由于表面重?fù)蕉鸬摹八缹印眴栴}；而外延片的襯底是重?fù)诫s，降低了串聯(lián)電阻，可以進(jìn)一步提升靈敏度和響應(yīng)速度；重?fù)诫s襯底也通過體復(fù)合機(jī)制，來快速復(fù)合深度透射的載流子，主要是吸收可見光產(chǎn)生的載流子，從而起到抑制可見光響應(yīng)度，實(shí)現(xiàn)光譜選擇性探測(cè)之目的；

3、高導(dǎo)電性石墨烯薄膜：部分入射紫外光被石墨烯吸收，所產(chǎn)生的熱電子越過勢(shì)壘，構(gòu)成總光生電流的一部分；額外的紫外光吸收，使光響應(yīng)度以及響應(yīng)速度得到提高，接近甚至超過傳統(tǒng)硅基紫外探測(cè)器的理論性能極限；

4、本發(fā)明提供的紫外增強(qiáng)型光電探測(cè)器所用材料以硅為基本材料，制備過程簡(jiǎn)單，成本低，易與現(xiàn)有半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容；氣相化學(xué)沉積方法生長(zhǎng)的石墨烯可以實(shí)現(xiàn)大面積生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，有利于基于光電探測(cè)器的規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例1與實(shí)施例2的紫外光電探測(cè)器對(duì)紫外光的時(shí)間響應(yīng)對(duì)比示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實(shí)施例3的陣列感光區(qū)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

由圖1所示，本實(shí)施例的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器，包括外延硅片襯底，外延硅片襯底包括位于下層的N型摻雜的重?fù)诫s層1和位于上層的N型摻雜的輕摻雜層2，重?fù)诫s層1的摻雜濃度大于4.5×10¹⁸cm^-3，重?fù)诫s層1的厚度為180～500μm，輕摻雜層2的摻雜濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁴cm^-3，輕摻雜層2的厚度為10～2000nm；輕摻雜層2上表面設(shè)有厚度為300nm的二氧化硅隔離層3，二氧化硅隔離層3中央開設(shè)有包括帶感光區(qū)的圓形硅窗口4，感光面積為0.25mm²，二氧化硅隔離層3上表面還設(shè)有鉻/金金屬薄膜頂電極5，鉻/金金屬薄膜頂電極5位于圓形硅窗口4的外周，圓形硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁、鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁均覆設(shè)有單層石墨烯薄膜6。

一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

1)在重?fù)诫s單晶硅表面采用分子束外延、真空濺射或化學(xué)氣相沉積方法制備薄硅輕摻雜外延層的外延硅襯底；

2)在外延硅襯底的輕摻雜層2上表面采用熱氧方法生長(zhǎng)300nm厚的二氧化硅隔離層3；

3)在二氧化硅隔離層3的上表面采用光刻和熱蒸發(fā)技術(shù)生長(zhǎng)鉻/金金屬薄膜頂電極5，具體為先生長(zhǎng)10nm厚的鉻黏附層，再生長(zhǎng)100nm厚的金電極；

4)在生長(zhǎng)有鉻/金金屬薄膜頂電極5的二氧化硅隔離層3表面光刻出圓形的硅窗口圖形，然后采用緩沖氧化層蝕刻劑刻蝕二氧化硅隔離層形成帶感光區(qū)的圓形的硅窗口4，感光面積為0.25mm²；

5)在圓形的硅窗口4表面采用轉(zhuǎn)移方法覆上石墨烯薄膜6，其中石墨烯薄膜6采用氣相化學(xué)沉積方法在銅箔表面生長(zhǎng)而成，具體為首先在生長(zhǎng)有石墨烯薄膜的銅箔表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后放入蝕刻溶液對(duì)銅箔進(jìn)行刻蝕制得石墨烯薄膜6，用去離子水清洗石墨烯薄膜6以去除銅顆粒和殘余刻蝕溶液，將制得的石墨烯薄膜6轉(zhuǎn)移到圓形的硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁以及鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁，最后用丙酮和異丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯，其中蝕刻溶液為包含CuSO₄和HCl水溶液。

實(shí)施例2

由圖1所示，本實(shí)施例的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器，包括外延硅片襯底，外延硅片襯底包括位于下層的P型摻雜的重?fù)诫s層1和位于上層的P型摻雜的輕摻雜層2，重?fù)诫s層1的摻雜濃度大于8×10¹⁸cm^-3，重?fù)诫s層1的厚度為250～400μm，輕摻雜層2的摻雜濃度為3×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3，輕摻雜層2的厚度為20～500nm；輕摻雜層2上表面設(shè)有厚度為300nm的二氧化硅隔離層3，二氧化硅隔離層3中央開設(shè)有包括帶感光區(qū)的圓形硅窗口4，感光面積為0.0225mm²，二氧化硅隔離層3上表面還設(shè)有鉻/金金屬薄膜頂電極5，鉻/金金屬薄膜頂電極5位于圓形硅窗口4的外周，圓形硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁、鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁均覆設(shè)有單層石墨烯薄膜6。

一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

1)在重?fù)诫s單晶硅表面采用分子束外延、真空濺射或化學(xué)氣相沉積方法制備薄硅輕摻雜外延層的外延硅襯底；

2)在外延硅襯底的輕摻雜層2上表面采用淀積方法生長(zhǎng)300nm厚的二氧化硅隔離層3；

3)在二氧化硅隔離層3的上表面采用光刻和熱蒸發(fā)技術(shù)生長(zhǎng)鉻/金金屬薄膜頂電極5，具體為先生長(zhǎng)10nm厚的鉻黏附層，再生長(zhǎng)100nm厚的金電極；

4)在生長(zhǎng)有鉻/金金屬薄膜頂電極5的二氧化硅隔離層3表面光刻出圓形的硅窗口圖形，然后采用緩沖氧化層蝕刻劑刻蝕二氧化硅隔離層形成帶感光區(qū)的圓形的硅窗口4，感光面積為0.0225mm²；

5)在圓形的硅窗口4表面采用轉(zhuǎn)移方法覆上石墨烯薄膜6，其中石墨烯薄膜6采用氣相化學(xué)沉積方法在銅箔表面生長(zhǎng)而成，具體為首先在生長(zhǎng)有石墨烯薄膜的銅箔表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后放入蝕刻溶液對(duì)銅箔進(jìn)行刻蝕制得石墨烯薄膜6，用去離子水清洗石墨烯薄膜6以去除銅顆粒和殘余刻蝕溶液，將制得的石墨烯薄膜6轉(zhuǎn)移到圓形的硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁以及鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁，最后用丙酮和異丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯，其中蝕刻溶液為包含CuSO₄和HCl水溶液。

采用實(shí)施例2制備與實(shí)施例1不同感光窗口的石墨烯/硅紫外增強(qiáng)型光電探測(cè)器，采用不同感光窗口的紫外增強(qiáng)型光電探測(cè)器對(duì)紫外光的時(shí)間響應(yīng)見圖2，感光面積越小(實(shí)施例2)，時(shí)間響應(yīng)越快，最小下降沿為5ns，具有更快的時(shí)間響應(yīng)。

實(shí)施例3

如圖3所示，本實(shí)施例的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器(陣列式)，包括外延硅片襯底，外延硅片襯底包括位于下層的N型摻雜的重?fù)诫s層1和位于上層的N型摻雜的輕摻雜層2，重?fù)诫s層1的摻雜濃度大于8×10¹⁸cm^-3，重?fù)诫s層1的厚度為250～400μm，輕摻雜層2的摻雜濃度為3×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3，輕摻雜層2的厚度為20～500nm；輕摻雜層2上表面設(shè)有厚度為300nm的二氧化硅隔離層3，二氧化硅隔離層3中央開設(shè)有包括帶感光區(qū)的矩形硅窗口4，二氧化硅隔離層3上表面還設(shè)有矩形陣列的鉻/金金屬薄膜頂電極5，矩形陣列的鉻/金金屬薄膜頂電極5位于矩形硅窗口4的外周，矩形硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁、矩形陣列的鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁均覆設(shè)有2～10層的多層石墨烯薄膜6。

一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測(cè)器(陣列式)的制備方法，包括如下步驟：

1)摻雜單晶硅表面采用分子束外延、真空濺射或化學(xué)氣相沉積方法制備薄硅輕摻雜外延層的外延硅襯底；

2)在外延硅襯底的輕摻雜層2上表面采用熱氧方法生長(zhǎng)300nm厚的二氧化硅隔離層3；

3)在二氧化硅隔離層3的上表面采用光刻和熱蒸發(fā)技術(shù)生長(zhǎng)矩形陣列的鉻/金金屬薄膜頂電極5，具體為先生長(zhǎng)10nm厚的鉻黏附層，再生長(zhǎng)100nm厚的金電極；

4)在生長(zhǎng)有矩形陣列的鉻/金金屬薄膜頂電極5的二氧化硅隔離層3表面光刻出帶感光區(qū)的矩形硅窗口4圖形，然后采用緩沖氧化層蝕刻劑刻蝕二氧化硅隔離層3形成矩形的硅窗口4；

5)在矩形的硅窗口4表面采用轉(zhuǎn)移方法覆上石墨烯薄膜6，其中石墨烯薄膜6采用氣相化學(xué)沉積方法在銅箔表面生長(zhǎng)而成，具體為首先在生長(zhǎng)有石墨烯薄膜6的銅箔表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后放入蝕刻溶液對(duì)銅箔進(jìn)行刻蝕制得石墨烯薄膜6，用去離子水清洗石墨烯薄膜6以去除銅顆粒和殘余刻蝕溶液，將制得的石墨烯薄膜6轉(zhuǎn)移到矩形硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁以及鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁，最后用丙酮和異丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯，其中蝕刻溶液為包含CuSO₄和HCl水溶液。

圖4為6×6的石墨烯/硅紫外增強(qiáng)型光電探測(cè)器陣列，多個(gè)感光區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)大面積光源的探測(cè)和成像。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。