一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种混合结构的石墨烯硅基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、二氧化硅岛、二氧化硅绝缘层、顶电极、石墨烯薄膜和底电极。本发明以石墨烯作为有源层和透明电极，石墨烯与硅接触形成肖特基结；石墨烯覆盖在二氧化硅岛的上表面与硅衬底形成金属/氧化层/半导体结构。该探测器的总电流为肖特基结和MOS结构产生的电流之和，这两种机制产生的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。
【专利说明】一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电探测【技术领域】，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种混合结构 的石墨烯硅基雪崩光电探测器（APD)及制备方法。
【背景技术】
[0002] 雪崩光电二极管具有灵敏度高、增益带宽大和响应速度快等特点，在微弱信号和 单光子信号的检测中有重要应用。由于其内在增益，Aro可以比PIN型探测器的灵敏度高 5-10分贝，因而备受人们关注。
[0003] 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。石墨烯是一种零带隙导电材料，可以吸收从紫外到太赫兹波段的入射光， 基于石墨烯的光学探测器的工作波长范围更宽。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。由于石墨烯是透明的导电材料，覆盖在Si0 2/Si表面可以形成M0S结 构。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光 电探测器及制备方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光 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、二氧化硅 岛、顶电极、石墨烯薄膜和底电极；其中，所述η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环状二氧化硅窗口，使二氧化硅隔离层形成中间具有圆形二氧化硅 岛的凹形槽结构，在二氧化硅隔离层的上表面覆盖一环状顶电极，顶电极的内侧壁与二氧 化硅窗口的外侧壁相对应，在二氧化硅窗口与η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η型硅衬底下表 面设置底电极。
[0006] 进一步地，所述的二氧化娃绝缘层厚度为1. 5nm?2. 5nm。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 制备上述混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤：
[0010] (1)在η型硅衬底的上表面氧化生长二氧化硅隔离层，所用η型硅衬底的电阻率为 1?10 Ω · cm ;二氧化硅隔离层的厚度为l〇〇nm?500nm，生长温度为900?1200°C ;
[0011] (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；
[0012] (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 :H20 =60g:30ml:100ml ；
[0013] (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°C，反应30s ;然后在500°C下退火 lOmin ；
[0014] (5)采用化学气相沉积方法在铜箔基底上生石墨烯薄膜；
[0015] (6)在顶电极的上表面、顶电极和二氧化硅隔离层开口的内侧壁、二氧化硅绝缘层 和二氧化硅岛的表面覆盖石墨烯薄膜；其中，石墨烯薄膜的转移方法为：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h腐蚀去除铜箔，留下由聚 甲基丙烯酸甲酯薄膜支撑的石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撑的石墨烯薄膜用去 离子水清洗后转移到顶电极的上表面、二氧化硅隔离层和顶电极开口的内侧壁、二氧化硅 绝缘层和二氧化硅岛的表面；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 CuS04、HC1 和水组成，CuS04 :HC1 :H20 = 10g:50ml:50ml ;
[0016] (7)将转移有石墨烯的样品进行光刻，光刻胶保护顶电极的上表面、顶电极和二氧 化硅隔离层开口的内侧壁、二氧化硅绝缘层和二氧化硅岛的表面的石墨烯薄膜；然后将样 品放入反应离子刻蚀系统的真空腔，通入氧气刻蚀光刻胶保护区域外的石墨烯；
[0017] (8)在η型硅衬底底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极，与η型硅衬底形成欧姆接 触。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] 1、入射光照射到肖特基/MOS混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器表面，被石 墨烯和硅衬底吸收。较大反向偏压加到器件两端，在覆盖有石墨烯的二氧化硅/硅界面形 成强反型层，光生电流急剧增大。
[0020] 2、肖特基结和MOS结构产生的光生载流子（空穴电子对）在Aro光电二极管内部 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，具有很高的内部增益。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为本发明混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器的结构示意图；
[0025] 图中，η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、二氧 化硅岛5、顶电极6、石墨烯薄膜7、底电极8。
【具体实施方式】
[0026] 本发明提供的一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器的工作原理如下：
[0027] 石墨稀与η型娃基底接触形成肖特基结，内建电场由娃基底指向石墨稀。石墨稀 和二氧化硅岛/硅形成M0S结构，外加较强的反向偏压后，在二氧化硅岛/硅界面形成强反 型层，二氧化硅下面的硅区域形成重Ρ型掺杂区，二氧化硅窗口与硅交界区域形成轻Ρ型掺 杂区。当入射光照射到探测器表面，硅基底吸收入射光并产生电子-空穴对。在肖特基结 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。在M0S结构区域，光生载流子（空穴）从二氧化硅下的强反型层流向二氧化硅 窗口下的Ρ型掺杂区并经石墨烯到达电极。反型层的光生电流大大增强了肖特基结的光生 电流，从而可以获得高的光学响应和内部增益。
[0028] 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方法作进一步的说明。
[0029] 如图1所示，一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器，包括：η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、二氧化硅岛5、顶电极6、石墨烯薄膜7 和底电极8 ;其中，所述η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 上开有环状二氧化硅窗口 3,使二氧化硅隔离层2形成中间具有圆形二氧化硅岛5的凹形槽 结构，在二氧化硅隔离层2的上表面覆盖一环状顶电极6,顶电极6的内侧壁与二氧化硅窗 口 3的外侧壁相对应，在二氧化硅窗口 3与η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6开口的内侧壁、顶电极6的上表面和二氧化硅绝缘层4的上 表面覆盖石墨烯薄膜7,顶电极6上表面石墨烯薄膜7的覆盖范围小于顶电极5的边界；在 η型娃衬底1下表面设置底电极8。
[0030] 所述的二氧化硅绝缘层4厚度为1. 5nm?2. 5nm。
[0031] 所述的顶电极6是金属薄膜电极，金属材料为铝、金或金铬合金。
[0032] 所述的底电极8是金属薄膜电极，金属材料为镓铟合金、钛金合金或铝。
[0033] 制备上述混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤：
[0034] (1)在η型硅衬底1的上表面氧化生长二氧化硅隔离层2,所用η型硅衬底1的 电阻率为1?10 Ω · cm ;二氧化娃隔离层2的厚度为100nm?500nm，生长温度为900? 1200。。；
[0035] (2)在二氧化硅隔离层2表面光刻出顶电极6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；
[0036] (3)在生长有顶电极6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（C4F8)等离子体刻蚀二氧化硅隔离层2并用缓冲 氧化物刻蚀（B0E)溶液去除残留的二氧化硅；其中，所述B0E溶液由氟化氨（NH 4F)、氢氟酸 (HF)和水组成，NH4F :HF :H20 = 60g :30ml: 100ml ;
[0037] (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°C，反应30s ;然后在500°C下退 火 lOmin ;
[0038] (5)采用化学气相沉积方法（CVD)在铜箔基底上生石墨烯薄膜7 ;
[0039] (6)在顶电极6的上表面、顶电极6和二氧化硅隔离层2开口的内侧壁、二氧化硅 绝缘层4和二氧化硅岛5的表面覆盖石墨烯薄膜7 ;其中，石墨烯薄膜7的转移方法为：将石 墨烯薄膜7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7 ;将PMMA支撑的石墨烯薄膜7用去离子水清 洗后转移到顶电极6的上表面、二氧化硅隔离层2和顶电极6开口的内侧壁、二氧化硅绝缘 层4和二氧化硅岛5的表面；最后用丙酮和异丙醇去除PMMA ;其中，所述刻蚀溶液由CuS04、 HC1 和水组成，CuS04 :HC1 :H20 = 10g :50ml :50ml ;
[0040] (7)将转移有石墨烯的样品进行光刻，光刻胶保护顶电极6的上表面、顶电极6和 二氧化硅隔离层2开口的内侧壁、二氧化硅绝缘层4和二氧化硅岛5的表面的石墨烯薄膜 7 ;然后将样品放入反应离子刻蚀系统的真空腔，通入氧气刻蚀光刻胶保护区域外的石墨 烯；
[0041] (8)在η型硅衬底1底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极8,与η型硅衬底1形成 欧姆接触。
[0042] 对上述混合结构的石墨烯硅基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8上，电压的负电极连接在器件的顶电 极6上，如图1所示。
【权利要求】
1. 一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器，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)、二氧化硅岛（5)、顶电极（6)、石 墨烯薄膜（7)和底电极（8);其中，所述η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)上开有环状二氧化硅窗口（3)，使二氧化硅隔离层（2)形成中间具 有圆形二氧化硅岛（5)的凹形槽结构，在二氧化硅隔离层（2)的上表面覆盖一环状顶电极 (6)，顶电极（6)的内侧壁与二氧化硅窗口（3)的外侧壁相对应，在二氧化硅窗口（3)与η 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（6)开口 的内侧壁、顶电极（6)的上表面和二氧化硅绝缘层（4)的上表面覆盖石墨烯薄膜（7)，顶电 极（6)上表面石墨烯薄膜（7)的覆盖范围小于顶电极（5)的边界；在η型硅衬底（1)下表 面设置底电极（8)。
2. 根据权利要求1所述的一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器，其特征在于， 所述的二氧化娃绝缘层（4)厚度为1. 5nm?2. 5nm。
3. 根据权利要求1所述的一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器，其特征在于， 所述的顶电极（6)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所述的一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器，其特征在于， 所述的底电极（8)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所述的一种混合结构的石墨烯硅基雪崩光电探测器的方法，其特 征在于，包括以下步骤： (1) 在η型硅衬底（1)的上表面氧化生长二氧化硅隔离层（2)，所用η型硅衬底（1)的 电阻率为1?10 Ω ?cm ;二氧化硅隔离层（2)的厚度为lOOnm?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￠)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（6)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NH 4F、HF和水组成， NH4F ：HF ：H20 = 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°C，反应30s ;然后在500°C下 退火lOmin ; (5) 采用化学气相沉积方法在铜箔基底上生石墨烯薄膜（7); (6) 在顶电极（6)的上表面、顶电极（6)和二氧化硅隔离层（2)开口的内侧壁、二氧化 硅绝缘层⑷和二氧化硅岛（5)的表面覆盖石墨烯薄膜（7);其中，石墨烯薄膜（7)的转移 方法为：将石墨烯薄膜（7)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薄膜支撑的石墨烯薄膜（7);将聚甲基丙烯 酸甲酯薄膜支撑的石墨烯薄膜（7)用去离子水清洗后转移到顶电极￠)的上表面、二氧化 硅隔离层（2)和顶电极（6)开口的内侧壁、二氧化硅绝缘层（4)和二氧化硅岛（5)的表面； 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CuS0 4、HC1和水组成， CuS04：HC1 ：H20 = 10g:50ml:50ml ； (7) 将转移有石墨烯的样品进行光刻，光刻胶保护顶电极（6)的上表面、顶电极（6)和 二氧化硅隔离层（2)开口的内侧壁、二氧化硅绝缘层（4)和二氧化硅岛（5)的表面的石墨 烯薄膜（7);然后将样品放入反应离子刻蚀系统的真空腔，通入氧气刻蚀光刻胶保护区域 外的石墨烯； (8) 在η型硅衬底（1)底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极（8)，与η型硅衬底（1)形 成欧姆接触。
【文档编号】H01L31/18GK104157720SQ201410390462
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】徐杨, 郭宏伟, 万霞, 王 锋, 施添锦, 孟楠, 王雪, 俞滨 申请人:浙江大学