氧化石墨烯作为阻挡层及隧穿层的探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体紫外光电探测技术领域，具体涉及一种以石英片为衬底，以纳米GO(氧化石墨烯)薄膜作为阻挡层及隧穿层、Ti02/G0复合薄膜为光电转换材料、Au为金属叉指电极的高性能紫外探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后，又一项迅速发展起来的军民两用光电探测技术。一直以来，紫外探测多采用光电倍增管或硅基光电二极管器件来实现，然而这些器件具有价格昂贵、工作电压高、体积大等明显缺点。随着宽禁带半导体材料的研宄进展，人们开始研制新一代基于宽禁带半导体的紫外探测器，极具潜力的材料有GaN、ZnO、SiC、Ti02等。其中，T1 2价格低廉、性质稳定、光电性能良好，是应用于紫外探测技术的合适材料。但是通过研宄发现，基于T12单一材料的紫外探测器性能不够优异，因受到材料本身的性质所局限，器件的光电流很难有所突破，暗电流也无法限制到更低。为了克服这些缺点，人们开始关注复合材料在紫外探测领域的应用。
[0003]GO是石墨烯或石墨粉的氧化物。经过氧化后，石墨材料中引入含氧官能团，碳原子中的电子流向含氧官能团，并被其所束缚，使GO材料具有类似于P型半导体的性质。因制备方法和实验条件等差异，GO的精确结构还无法得到确定，通常在GO单片上随机分布羟基和环氧基，而在单片的边缘存在着羧基和羰基。特殊的结构使得GO成为一种新兴的光敏材料，其薄膜在紫外及近紫外区域具有良好的吸收特性。目前，这种材料在紫外探测领域还少有应用，T1jP GO 二者的结合，也是光电材料领域的新探索。
[0004]制备Ti02/G0复合薄膜材料，可以在1102和GO两种材料优点的基础上，通过能级的匹配、膜厚的调整，激发出材料更大的潜能，表现出更优异的紫外探测能力，使器件的暗电流被限制得更小，光电流得到提升，性能得到全面改进，具有良好的应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提供一种基于Ti02/G0复合薄膜材料的高性能紫外探测器及该探测器的制备方法。
[0006]本发明采用石英片作为衬底，以Ti02/G0复合薄膜作为感光材料制备紫外光探测器。器件光电流提高的同时，暗电流被有效限制，性能得到全面提升。
[0007]由于GO的导带底能级高于T12的导带底能级，在黑暗情况下，T12体内的电子很难越过GO层的高势皇，电子无法流向电极，而是被阻挡在T12内部，GO充当阻挡层，降低了暗电流。在紫外光照射下，打02体内受激产生光生电子-空穴对，T12的电导率发生变化，使得外加偏压更多的集中在打02和GO接触的异质结处，GO —侧的势皇尖峰变得更加陡峭，这为T12体内的电子隧穿通过GO势皇提供了条件。因此，在黑暗情况下，本器件中的GO材料充当阻挡层，阻止了 T12体内非光激发载流子(主要为电子)的向外传导，使暗电流降低。在紫外光照射下，Ti02/G0复合材料形成的p-n结，促进了结区光生电子-空穴对的有效分离，减少了光生载流子的复合；G0层在一定偏压下不再起到阻挡电子的作用，而是发生隧穿效应，使光生电子顺利通过，同时，其价带充当了光生空穴流的传导阶梯，使光生载流子更容易被收集，进而增大光电流。
[0008]本发明采用的成膜方法为溶胶凝胶法，此方法简单易行，成膜优质。对于GO层，运用光刻的方法将其制作成具有叉指形状(与金电极形状相同)。这样可以有效避免表面漏电流的产生。
[0009]本发明所涉及的一种以石英片为衬底，以纳米GO(氧化石墨烯)薄膜作为阻挡层及隧穿层的紫外探测器按紫外光入射方向，从下至上依次由石英片衬底、采用溶胶凝胶法在石英片衬底上制备的纳米Ti(V薄膜与纳米GO薄膜构成的T1 2/G0异质结复合感光薄膜、在Ti02/G0异质结复合感光薄膜上用磁控溅射法制备的Au叉指电极组成，GO薄膜具有与Au叉指电极相同的叉指结构。其中，石英片衬底的厚度为0.5?2_，纳米TiCV薄膜的厚度为60?lOOnm，叉指GO薄膜的厚度为3?15nm，Au叉指电极的厚度为50?150nm，叉指GO薄膜和金叉指电极的指长度、指间距、指宽度分别为0.8?1.2mm、5?30 μπι、5?30 μπι。
[0010]本发明所述的基于Ti02/G0复合薄膜材料紫外探测器的制备步骤如下:
[0011]I)衬底的清洁处理
[0012]将石英片衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10?15分钟，然后氮气吹干；
[0013]2)纳米TiCV薄膜的制备
[0014]采用溶胶-凝胶的成膜方法在石英衬底上制备TiCV薄膜。首先配制T12溶胶:在室温和搅拌下，将5?1mL钛酸四丁酯逐滴加入到60?10mL无水乙醇中，搅拌30?40分钟后向溶液中滴加5?1mL冰醋酸，为溶液提供酸性环境并催化后续水解反应的进行；继续搅拌30?60分钟后向溶液中加入5?1mL乙酰丙酮作为分散剂和稳定剂，防止水解反应进行过快；然后再搅拌30?60分钟后，加入5?1mL去离子水并继续搅拌60?90分钟，得到黄色透明胶体，将其静置陈化3?5小时后得到T12溶胶。
[0015]将配好的T12溶胶涂在清洁处理后的石英衬底上，形成纳米薄膜:用旋涂的方法在石英衬底表面形成溶胶薄膜，旋涂的转速1500?3000转/分钟，时间20?30秒，然后放入烘箱，80?120°C加热烘干10?15分钟；取出衬底并冷却后，重复旋涂和烘干的步骤3?5次，以达到所需要的薄膜厚度；最后将薄膜连同石英衬底在450?750°C下烧结I?3小时，最终在石英衬底上得到纳米晶体TiCV薄膜。
[0016]3)叉指形状光刻胶的制备
[0017]在制备好的TiCV薄膜表面旋涂0.5?I μπι的正型ΒΡ212光刻胶，旋涂参数为:转速1500?2500转/分，时间15?30秒；在70?100°C下前烘10?20分钟后，选择与叉指电极结构互补的掩模板(即在叉指电极对应的位置为透光区域，而在其余区域为遮光区域)，对光刻胶进行曝光40?60秒，再经30?40秒显影后去除掉曝光的光刻胶(显影液为BP212光刻胶显影液与去离子水1:1?2体积比混合而成)，最后在100?120°C温度下坚膜10?20分钟，最终在TiCV薄膜表面得到具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层，即在该光刻胶层上露出的TiCV薄膜具有与叉指电极相同的结构；叉指的长度为0.8?1.2mm，宽度为5?30 μ m，间距为5?30 μ m。
[0018]4) GO薄膜的制备
[0019]取5?1g石墨粉和2.5?5g硝酸钠加入到100?150mL、15?25M的浓硫酸中，保持温度为O?20°C，在搅拌下逐渐加入10?20g高锰酸钾，然后在30?50°C下氧化12?24小时；氧化反应完成后，向溶液中缓慢加入300?500mL去离子水，并将在70?90°C下搅拌15?30分钟；最后向溶液中滴加10?20mL、35%质量浓度的过氧化氢溶液，在室温下搅拌15?20分钟，将得到的GO溶液用去离子水清洗3?5遍；
[0020]将配好的GO溶液旋涂在前面步骤得到的光刻胶表面，转速3000?6000转/分，时间20?30秒；然后在80?120°C下烘干10?20分钟，得到厚度为3?15nm的GO纳米薄膜。
[0021]5)制备叉指形状GO薄膜和叉指形状Au电极
[0022]首先采用磁控溅射技术制备金属电极，将带有TiCV薄膜、具有与叉指电极结构相同镂空区域的光刻胶层、GO薄膜的石英衬底放入磁控溅射真空室内。靶材安装完成后，抽真空至5.0X Kr3?7.0X 10 3Pa,通入氩气，流量为20?30sccm (标准毫升/分钟);调整真空室气压在0.5?1.0Pa ;施加偏压，选择合适的溅射功率(60?120W)和溅射时间(4?8分钟)，完成金薄膜溅射；
[0023]将溅射好的石英片放入适量丙酮中超声10?30秒，未曝光的光刻胶连同其上层的GO层和金属层被剥离，从而留下叉指结构的GO层和金