CN103117317B - 一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件及其制备方法 - Google Patents

一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件及其制备方法，属于光电器件技术领域。包括Si面碳化硅衬底（1）、R30°界面碳缓冲层（2）、石墨烯层（3）；其中R30°界面碳缓冲层（2）位于Si面碳化硅衬底（1）和石墨烯层（3）之间；所述石墨烯层（3）上表面具有金属叉指对电极（4）。制备工程包括硅面SiC衬底表面处理和SiC热裂解生长R30°界面碳缓冲层（2）和石墨烯层（3）主要步骤。本发明提供的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件具有石墨烯/R30°界面碳缓冲层/Si面碳化硅衬底的结构，制备工艺简单、无需掺杂工艺，制备过程中能够避免光刻胶对石墨烯的污染，制备出的石墨烯光电器件光照下的电阻变化率比传统结构高2～3个数量级。

Description

一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件及其制备方法
技术领域
本发明属于光电器件技术领域，涉及石墨烯光电器件，特别是涉及一种在半绝缘6H硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件和制备方法。
背景技术
石墨烯是一种单层六方蜂窝结构的碳原子薄膜，自2004年曼彻斯特大学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现后就引起了全球科学家们的关注。石墨烯有着诸如：所有材料中最高的电子迁移率和最大承载电流密度、双极性场效应，可以实现从N型半导体到P型半导体的连续调变、量子霍尔效应等众多的优异性能。
由于石墨烯是一种零带隙结构的材料，因而其光响应特性一般比较弱。目前有报道通过氮和硼等元素的掺杂可以引入带隙，但是引入的带隙通常比较窄，不超过0.1eV；而通过制备宽度小于10纳米的纳米条带，也可以实现带隙的引入，但是这种引入带隙方法设备及工艺要求极高，并且不适用于工业生产，应此其发展一直被制约；另外一种引入带隙的方法是通过制备双层石墨烯，然后对其施加上下两个电场，由此方法来引入带隙，然而制备大面积、均匀性好的双层石墨烯现阶段仍然是制备难点。因此常见的石墨烯光电探测器通常采用“金属/石墨烯接触”或者“石墨烯/石墨烯PN结”的结构,然而由于石墨烯在工业化生产微细加工的过程中容易被残留光刻胶污染所形成P型掺杂石墨烯因此也不可能适应工业化生产的需求。以上这些因素都制约了石墨烯在光电领域的应用。本专利制备的石墨烯光电器件，不需要掺杂和复杂的微细加工工艺，利用界面悬挂键的吸附/光致脱附现象，实现了一种有效且结构简单石墨烯光电器件的制备。
发明内容
本发明的目的是为了解决石墨烯光响应特性弱的缺点，提出了一种结构简单、容易制备的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件，如图1所示，包括硅面碳化硅衬底1、R30°界面碳缓冲层2、石墨烯层3；其中R30°界面碳缓冲层2位于硅面碳化硅衬底1和石墨烯层3之间；所述石墨烯层3上表面具有金属叉指对电极4。
进一步的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件，所述硅面碳化硅衬底1可采用4H-Si面碳化硅衬底或6H-Si面碳化硅衬底。
进一步的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件，所述叉指对电极4上具有超声压焊的电极引出线5。
更进一步的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件，还包括一个具有通光窗口的封装壳体，所述电极引出线5与封装壳体的引脚相连，外部环境的光纤能够通过通光窗口照射到石墨烯层3。
一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：硅面SiC衬底表面处理。将清洁的硅面SiC衬底1放入热裂解SiC制备石墨烯系统中，待真空度低于5×10-5Pa后通入0.7～0.9个大气压的氢气，然后在1530～1570℃下保温12分钟以上，然后在氢气保护下自然降温到室温后排除氢气。硅面SiC衬底在0.7～0.9个大气压的氢气气氛和1530～1570℃的高温下，表面碳原子与氢气发生反应生成烷类气体，使得硅原子充分暴露并形成规则的硅原子台阶形貌。
步骤2：SiC热裂解生长R30°界面碳缓冲层2和石墨烯层3。硅面SiC衬底经步骤1表面处理后，待热裂解SiC制备石墨烯系统真空度再次低于5×10-5Pa时，通入0.7～0.9个大气压的氩气，然后在1520～1550℃下保温15～20分钟，然后在氩气保护下自然降温到室温。硅面SiC衬底经步骤1表面处理后，氩气保护下在1520～1550℃的温度范围内发生热裂解反应，首先在硅面SiC衬底表面形成R30°界面碳缓冲层2，然后在R30°界面碳缓冲层2表面形成石墨烯层3。保温时间控制在15～20分钟内可获得单原子层的石墨烯，时间超过20分钟后硅面SiC衬底表面会充分石墨化，无法获得性能良好的光电器件。
步骤3：采用叉指电极掩模板和电子束蒸发工艺，在石墨烯层3表面蒸镀金属叉指对电极4。
步骤4：采用超声压焊工艺在叉指对电极4上焊接电极引线5，并将电极引线5与封装壳体的引脚连接，完成器件封装。其中所述封装壳体具有通光窗口，器件封装后外部环境的光线能够通过通光窗口照射到石墨烯层3。
本发明提供的石墨烯光电器件具有石墨烯/R30°界面碳缓冲层/Si面碳化硅衬底的结构，它与传统的光电传感器的原理有所不同。它并不是基于价带-导带间电子跃迁实现光电探测。它的基本原理是：由于衬底掺杂作用，通常在Si面上生长的外延石墨烯呈N型半导体。暴露在空气中的石墨烯会吸附空气中的氧而引入空穴，Si面碳化硅衬底表面有大部分的硅原子因为没有和缓冲层成键因而有很多悬挂键，这些悬挂键会大量吸附空气中的氧而引入额外的空穴掺杂。而实验证明在光照下Si面碳化硅衬底表面的硅原子悬挂键上光致脱附氧的数量远远多于石墨烯自身吸附的氧，氧的脱附会降低空穴浓度，提升电子浓度，从而使样品的电阻发生大幅度改变，而前者的电阻变化率也远远高于后者。因此本发明提供的石墨烯光电器件在黑暗状态时，缓冲层与硅面SiC衬底界面的Si原子悬挂键会吸附空气中的氧，引入空穴形成P型掺杂，使其电阻增大；而光照时，缓冲层与硅面SiC衬底界面Si原子悬挂键吸附的氧会在光照的作用下发生光致脱附，使P型掺杂减弱，电子浓度增加，从而使其电阻大幅度减小。实测数据表明，本发明提供的石墨烯光电器件在黑暗条件下和光照条件下，电阻变化率可达100%以上，远高于单一石墨烯结构的光电器件的电阻变化率（单一石墨烯结构的光电器件的电阻变化率在黑暗条件下和光照条件下电阻变化率小于1%)。
综上所述，本发明提供的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件具有石墨烯/R30°界面碳缓冲层/Si面碳化硅衬底的结构，制备工艺简单、无需掺杂工艺，制备过程中能够避免光刻胶对石墨烯的污染，制备出的石墨烯光电器件光照下的电阻变化率比传统结构高2～3个数量级。
附图说明
图1为本发明提供的SiC衬底上的石墨烯光电器件结构示意图。其中1是Si面碳化硅衬底，2是R30°界面碳缓冲层，3是石墨烯层，4是叉指对电极，5是电极引出线。
图2为工作原理示意图（吸附）。其中1是Si面碳化硅衬底，2是R30°界面碳缓冲层，3是石墨烯层，6表示硅原子悬挂键，7表示硅原子悬挂键吸附的氧原子，8表示石墨烯吸附的氧原子。
图3为工作原理示意图（光致脱附）。其中9表示光致解吸的氧原子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明具体实施方案做进一步的说明。
将5×5mm的4H或6H硅面SiC衬底1先后用丙酮、异丙醇、氢氟酸溶液清洗，并用去离子水冲洗后用氮气枪吹干；将洗净的4H或6H硅面SiC衬底1放入热裂解SiC制备石墨烯系统中，待真空度低于5×10-5Pa后通入0.7～0.9个大气压的氢气，然后在1530～1570°C下保温12分钟以上，然后在氢气保护下自然降温到室温后排除氢气。硅面SiC衬底在0.7～0.9个大气压的氢气气氛和1530～1570℃的高温下，表面碳原子与氢气发生反应生成烷类气体，使得硅原子充分暴露并形成规则的硅原子台阶形貌。
硅面SiC衬底经步骤1表面处理后，待热裂解SiC制备石墨烯系统真空度再次低于5×10-5Pa时，通入0.7～0.9个大气压的氩气，然后在1520～1550℃下保温15～20分钟，然后在氩气保护下自然降温到室温。硅面SiC衬底经步骤1表面处理后，氩气保护下在1520～1550℃的温度范围内发生热裂解反应，首先在硅面SiC衬底表面形成R30°界面碳缓冲层2，然后在R30°界面碳缓冲层2表面形成石墨烯层3。
采用叉指电极掩模板和电子束蒸发工艺，在石墨烯层3表面蒸镀100纳米厚的铂金属叉指对电极4。
采用超声压焊工艺在叉指对电极4上焊接电极引线5，并将电极引线5与封装壳体的引脚连接，完成器件封装。其中所述封装壳体具有通光窗口，器件封装后外部环境的光线能够通过通光窗口照射到石墨烯层3。
将上述过程制备的SiC衬底上的石墨烯光电器件在暗室条件下和0.1V的偏压下在100mW/cm2光强度氙灯照射下进行测试，结果显示其电阻变化率为148%。

Claims (6)

1.一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件，包括Si面碳化硅衬底(1)、R30°界面碳缓冲层(2)、石墨烯层(3)；其中R30°界面碳缓冲层(2)位于Si面碳化硅衬底(1)和石墨烯层(3)之间；所述石墨烯层(3)上表面具有金属叉指对电极(4)，且除覆盖金属叉指对电极(4)之外的石墨烯层(3)上表面暴露于空气中。
2.根据权利要求1所述的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件，其特征在于，所述Si面碳化硅衬底(1)为4H-Si面碳化硅衬底或6H-Si面碳化硅衬底。
3.根据权利要求1或2所述的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件，其特征在于，所述金属叉指对电极(4)上具有超声压焊的电极引出线(5)。
4.根据权利要求3所述的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件，其特征在于，还包括一个具有通光窗口的封装壳体，所述电极引出线(5)与封装壳体的引脚相连，外部环境的光线能够通过通光窗口照射到石墨烯层(3)。
5.一种硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：硅面SiC衬底表面处理；
将清洁的硅面SiC衬底(1)放入热裂解SiC制备石墨烯系统中，待真空度低于5×10-5Pa后通入0.7～0.9个大气压的氢气，然后在1530～1570℃下保温12分钟以上，然后在氢气保护下自然降温到室温后排除氢气；
步骤2：SiC热裂解生长R30°界面碳缓冲层(2)和石墨烯层(3)；
硅面SiC衬底经步骤1表面处理后，待热裂解SiC制备石墨烯系统真空度再次低于5×10-5Pa时，通入0.7～0.9个大气压的氩气，然后在1520～1550℃下保温15～20分钟，然后在氩气保护下自然降温到室温；
步骤3：采用叉指电极掩模板和电子束蒸发工艺，在石墨烯层(3)表面蒸镀金属叉指对电极(4)；
步骤4：采用超声压焊工艺在叉指对电极(4)上焊接电极引线(5)，并将电极引线(5)与封装壳体的引脚连接，完成器件封装；其中所述封装壳体具有通光窗口，器件封装后外部环境的光线能够通过通光窗口照射到石墨烯层(3)。
6.根据权利要求5所述的硅面SiC衬底上的石墨烯光电器件的制备方法，其特征在于，所述硅面SiC衬底(1)为4H-Si面碳化硅衬底或6H-Si面碳化硅衬底。
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