CN103280484A - p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器及其制备方法 - Google Patents

p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器及其制备方法，其特征是：以n-型Ge基底作为近红外光电探测器的基区，在n-型Ge基底的下表面设置n-型Ge基底电极；在n-型Ge基底的上表面覆盖绝缘层，绝缘层的边界不超出n-型Ge基底的边界；在绝缘层上覆盖石墨烯接触电极，石墨烯接触电极的边界不超出绝缘层的边界；在石墨烯接触电极上铺设p-型石墨烯薄膜，p-型石墨烯薄膜一部分与石墨烯接触电极形成欧姆接触，剩余部分与n-型Ge基底上表面未覆盖绝缘层的部分形成肖特基接触，p-型石墨烯薄膜的边界不超出n-型Ge基底电极的边界。本发明近红外光电探测器的开关比大、响应速度快、暗电流噪声小。

Description

p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于红外光电探测器技术领域，具体涉及一种p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结的近红外光电探测器及制备方法。
背景技术
光电探测器可以将接受到的光信号转换为相应的电信号，具有重要的军用和市场价值。其中红外探测器在军事、国防、消防、工厂机器检测、医疗设备等领域都得到广泛应用。
1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在，使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。随着红外实验和理论的发展，新器件不断涌现。1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。其中光电探测器主要采用的材料有CdS、CdSe、CdTe、Si等等，它们具有很宽的禁带宽度（远大于1eV）。但是，这些材料对近红外光的吸收率比较低，相对应的波段也很窄。
Ge作为一种重要的半导体材料，室温下禁带宽度为0.66eV，对1300-1550nm波长的近红外光有非常强的吸收率。从19世纪60年代初发现Ge掺杂光电导探测器以来，Ge在探测器中的应用得到了较快的发展。但是，基于Ge材料制备的光电探测器光敏电阻大、暗电流大、响应速度慢、比探测率低且器件制备工艺复杂。
石墨烯是由单层sp2杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二位结构，单层厚度为1nm，其独特的稳定结构使之具有不同于其它材料的优良性能。它是一种零带系半导体材料，超高的载流子迁移率达到200000cm2/V·s，高于目前已知的任何半导体材料。导热性能优良，热导率是金刚石的3倍，达到5000W/m·K。除此之外，它非常坚硬，强度是钢的100多倍，达130GPa。石墨烯独特的优良性质可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域；也可以作为复合材料、电池电极材料以提高电池效率、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域。目前石墨烯的研究集中在它的控制的合成、转移以及器件应用。
若将石墨烯与锗结合制备近红外光电探测器，即可以利用锗对近红外光的灵敏性，又可以结合石墨烯的高电导、高透光率等优良性质，但是目前为止，基于石墨烯/锗的中红外光电探测器还未见报道。
发明内容
本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种器件工艺简易、安全、经济、环保的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结的近红外光电探测器，以期可以有效提高近红外光电探测器的响应速度、开关比等性能。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器，其特点在于：以n-型Ge基底作为所述近红外光电探测器的基区，在所述n-型Ge基底的下表面设置n-型Ge基底电极；在所述n-型Ge基底的上表面覆盖绝缘层，所述绝缘层的面积为所述n-型Ge基底面积的1/5到2/3，所述绝缘层的边界不超出所述n-型Ge基底的边界；在所述绝缘层上覆盖石墨烯接触电极，所述石墨烯接触电极的边界不超出所述绝缘层的边界；在所述石墨烯接触电极上铺设p-型石墨烯薄膜，所述p-型石墨烯薄膜一部分与石墨烯接触电极接触，剩余部分与n-型Ge基底上表面未覆盖绝缘层的部分接触，所述p-型石墨烯薄膜的边界不超出所述n-型Ge基底的边界，所述p-型石墨烯薄膜与石墨烯接触电极为欧姆接触，所述p-型石墨烯薄膜与n-型Ge基底为肖特基接触。
本发明p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器，其特点也在于：所述绝缘层以氮化硅、二氧化硅或者氧化铝为材料，所述绝缘层的厚度为20-300nm。
所述n-型Ge基底电极为Ag电极或者In/Ga合金电极，所述n-型Ge基底电极的厚度为50-500nm。
所述石墨烯接触电极为Ti/Au复合电极、Ag电极、Au电极或Ti电极，所述石墨烯接触电极的厚度为40-500nm。
所述n-型Ge基底采用厚度为100-600μm、电阻率不大于0.004Ω/cm的n-型重掺杂Ge片。
所述p-型石墨烯薄膜是通过对本征石墨烯以浓硝酸、AuCl3进行表面掺杂实现。
本发明p-型石墨烯薄膜/n-型Ge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：
a、将n-型重掺杂Ge片放在质量浓度为5%-10%的氢氟酸溶液或BOE刻蚀液中刻蚀5-10分钟，去除n-型重掺杂Ge片表面的固有氧化层，取出后进行超声清洗并干燥，得到n-型Ge基底；所述BOE刻蚀液为将20g NH4F和7ml质量浓度不低于40%的HF加入到30ml水中形成的混合液；
b、利用磁控溅射工艺在n-型Ge基底的上表面覆盖面积为所述n-型Ge基底面积的1/5到2/3的绝缘层；
c、利用电子束工艺在绝缘层上覆盖石墨烯接触电极，所述石墨烯接触电极电极的边界不超出所述绝缘层的边界；
d、通过涂抹的方法，在已完成b、c两步的n-型Ge基底的下表面设置n-型Ge基底电极；
e、在石墨烯接触电极上铺设本征石墨烯薄膜，得到待掺杂器件，所述本征石墨烯薄膜一部分与石墨烯接触电极接触，剩余部分与n-型Ge基底上表面未覆盖绝缘层的部分接触，所述本征石墨烯薄膜的边界不超出所述n-型Ge基底的边界；
f、对本征石墨烯薄膜进行p-型轻掺杂：
对本征石墨烯薄膜以硝酸或AuCl3进行表面掺杂得到p-型石墨烯薄膜：
当以硝酸为表面掺杂源时，将待掺杂器件倒扣在浓度为68%的浓硝酸瓶口2-3min，利用浓硝酸的挥发性，使本征石墨烯薄膜成为p-型石墨烯薄膜；
当以AuCl3为表面掺杂源时，在待掺杂器件的本征石墨烯薄膜上旋涂0.05-0.1ml的浓度为10mmol/L的AuCl3溶液，，自然晾干或烘干后，使本征石墨烯薄膜成为p-型石墨烯薄膜。
与现有的技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明中将石墨烯与锗结合制备近红外光电探测器，即可以利用锗对近红外光的灵敏性，又可以结合石墨烯的高电导、高透光率等优良性质，探测器对于波长为1300-1550nm的近红外光有很大的吸收率，且探测器的开关比大、响应速度快、暗电流噪声小，可应用于量子通信；
2、本发明近红外探测器可重复性好，器件制备的失败率低；
3、本发明通过石墨烯和Ge基底直接接触形成肖特基结，器件结构简单、制备工艺简明、成本低且环保、经济、安全，可应用实际生产中；
4、本发明中的探测器在零偏压下就可以工作，不需要消耗功率，更加节能。
附图说明
图1为本发明p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1中p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器在波长为1550nm、光强为4.5mW/cm2的光照下的时间响应曲线；
图3为本发明实施例1中多个p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器在同样光照下的光电流曲线；
图4a为本发明实施例1中p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电外探测器在室温零偏压下光电流与光强的关系曲线；
图4b为本发明实施例1中p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电外探测器在在室温零偏压下光电流与光强的关系曲线的拟合曲线；
图5为本发明实施例2中p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电外探测器的电流-电压曲线；
图中标号：1n-型Ge基底电极；2n-型Ge基底；3绝缘层；4石墨烯接触电极；5p-型石墨烯薄膜。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例中p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器的结构为：以n-型Ge基底2作为近红外光电探测器的基区，在n-型Ge基底2的下表面设置n-型Ge基底电极1；在n-型Ge基底2的上表面覆盖绝缘层3，绝缘层3的面积为n-型Ge基底2面积的1/5到2/3，绝缘层3的边界不超出n-型Ge基底2的边界；在绝缘层3上覆盖石墨烯接触电极4，石墨烯接触电极4的边界不超出绝缘层3的边界；在石墨烯接触电极4上铺设p-型石墨烯薄膜5，p-型石墨烯薄膜5一部分与石墨烯接触电极4接触，剩余部分与n-型Ge基底2上表面未覆盖绝缘层3的部分接触，p-型石墨烯薄膜5的边界不超出n-型Ge基底电极1的边界，p-型石墨烯薄膜5与石墨烯接触电极4为欧姆接触，p-型石墨烯薄膜5与n-型Ge基底2为肖特基接触。
绝缘层3为厚度为100nm的氮化硅。
n-型Ge基底电极1为厚度为100nm的In/Ga合金电极。
石墨烯接触电极4为Ti/Au复合电极，石墨烯接触电极4的厚度为10nm的Ti电极与绝缘层3接触，厚度为40nm的Au位于Ti电极之上。
n-型Ge基底2采用厚度为400μm、电阻率为0.003Ω/cm的n-型重掺杂Ge片。
p-型石墨烯薄膜（5）的p-型导电性能通过对本征石墨烯以AuCl3进行表面掺杂实现；
本实施例中p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器的制备方法如下：
a、将面积为0.5cm×1cm、电阻率为0.003Ω/cm、厚度为400μm的n-型重掺杂Ge片放在质量浓度为5%的氢氟酸溶液中刻蚀6分钟，去除n-型重掺杂Ge片表面的固有氧化层，取出后分别用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗5分钟，并用氮气吹干，得到n-型Ge基底2。
b、用胶带覆盖住n-型Ge基底2的2/3，利用磁控溅射工艺，以纯度为99.9%的氮化硅靶为材料，真空度为4×10-3Pa，在n-型Ge基底2未被胶带覆盖的部分镀100nm氮化硅作为绝缘层3；
c、利用电子束工艺在绝缘层3上蒸镀面积等于绝缘层3面积、厚度为10nm的Ti电极，再在Ti电极上镀厚度为40nm的Au电极，以Ti/Au复合电极作为石墨烯接触电极4；为了确保Ti/Au复合电极的质量，电子束的工艺条件是：真空度为6.7×10-3Pa以下，在高压8KV下，以束流30mA,速率为蒸镀10nm Ti。Ti蒸镀结束以后，再以束流60mA,速率为
Figure BDA00003257958500042
蒸镀40nm Au。
d、通过涂抹的方法，在已完成b、c两步的n-型Ge基底2的下表面用牙签涂抹一层In/Ga合金，作为n-型Ge基底电极1；
e、在石墨烯接触电极4上铺设面积等于n-型Ge基底2面积的本征石墨烯薄膜，得到待掺杂器件，本征石墨烯薄膜5一部分与石墨烯接触电极4接触，剩余部分与n-型Ge基底2上表面未覆盖绝缘层3的部分接触；
本征石墨烯薄膜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：
（1）将厚度为25μm、纯度为99.999%的铜箔放入双温区管式炉，将双温区管式炉内气压稳定在300Pa；以流量为10sccm的氢气作为保护气，将双温区管式炉升温至1000℃，在1000℃条件下，连续通入流量为40sccm的甲烷和流量为20sccm的氢气5分钟；关闭双温区管式炉的恒温系统，掀开双温区管式炉的炉门，当双温区管式炉冷却到室温时取出铜箔，铜箔表面生长有本征石墨烯；
（2）在表面生长有石墨烯的铜箔的上表面旋涂质量浓度为5%的PMMA，然后放入成分为硫酸铜：盐酸：水=10g:50ml:50ml的刻蚀液中，待铜箔被完全刻蚀后，得到本征石墨烯，将本征石墨烯转移到去离子水中。
f、对本征石墨烯薄膜进行p-型轻掺杂：
以AuCl3为表面掺杂源，在待掺杂器件的本征石墨烯薄膜上旋涂0.05ml的浓度为10mmol/L的AuCl3溶液，自然晾干后，使本征石墨烯薄膜成为p-型石墨烯薄膜5。
为方便测试所制备器件的性能，用银浆将两根铜丝分别黏合在石墨烯接触电极4和n-型Ge基底电极1上，并将两根铜丝接到电路中。在零偏压、室温、激光1550nm(光强为4.5mW/cm2)的光照下，利用KEITHLEY4200－SCS测量明暗电流的时间响应曲线，测试结果如图2所示。从图中可以看出：本实施例的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结的近红外光电探测器对1550nm红外光非常敏感，开关比大于104且具有超快的响应速度，经计算知室温、零偏压下器件响应度为0.0518A/W，增益为0.0139，灵敏度为1.38×1010cmHz1/2W-1。
对四个分别命名为device1、device2、device3、device4的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器在零偏压、室温、激光1550nm的光照下光电流变化曲线的测试，测试结果如图3所示，从图3中可以看出4个器件的光电流曲线几乎没有变化，重复性好，器件制备的失败率低。
p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器在零偏压、室温、激光1550nm的光照下光电流与光强的关系曲线如图4（a）所示，其非线性拟合曲线如图4（b）所示，从图中可以看出器件光电流与光强几乎呈现线性关系，进一步证实了器件的优良性能。
实施例2：
本实施例中p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器的结构为：以n-型Ge基底2作为近红外光电探测器的基区，在n-型Ge基底2的下表面设置n-型Ge基底电极1；在n-型Ge基底2的上表面覆盖绝缘层3，绝缘层3的面积为n-型Ge基底2面积的1/5到2/3，绝缘层3的边界不超出n-型Ge基底2的边界；在绝缘层3上覆盖石墨烯接触电极4，石墨烯接触电极4的边界不超出绝缘层3的边界；在石墨烯接触电极4上铺设p-型石墨烯薄膜5，p-型石墨烯薄膜5一部分与石墨烯接触电极4接触，剩余部分与n-型Ge基底2上表面未覆盖绝缘层3的部分接触，p-型石墨烯薄膜5的边界不超出n-型Ge基底电极1的边界，p-型石墨烯薄膜5与石墨烯接触电极4为欧姆接触，p-型石墨烯薄膜5与n-型Ge基底2为肖特基接触。
绝缘层3为厚度为200nm的氧化铝。
n-型Ge基底电极1为厚度为100nm的Ag电极。
石墨烯接触电极4厚度为50nm的Ag电极。
n-型Ge基底2采用厚度为300μm、电阻率为0.003Ω/cm的n-型重掺杂Ge片。
p-型石墨烯薄膜5的p-型导电性能通过对本征石墨烯以HNO3进行表面掺杂实现。
本实施例中p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器的制备方法如下：
a、将面积为0.5cm×1cm、电阻率为0.003Ω/cm、厚度为300μm的n-型重掺杂Ge片放在质量浓度为5%的氢氟酸溶液中刻蚀6分钟，去除n-型重掺杂Ge片表面的固有氧化层，取出后分别用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗5分钟，并用氮气吹干，得到n-型Ge基底2。
b、用胶带覆盖住n-型Ge基底2的2/3，利用磁控溅射工艺，以纯度为99.9%的氧化铝靶为材料，真空度为4×10-3Pa，在n-型Ge基底2未被胶带覆盖的部分镀200nm氧化铝作为绝缘层3；
c、利用电子束工艺在绝缘层3上设置蒸镀面积等于绝缘层3面积、厚度为50nm Ag电极，以Ag电极作为石墨烯接触电极4；为了确保Ag电极的质量，电子束工艺的基本条件为：真空度为6.7×10-3以下，在8KV高压下，以束流40mA,速率为
Figure BDA00003257958500061
蒸镀50nm Ag。
d、通过涂抹的方法，在已完成b、c两步的n-型Ge基底2的下表面用牙签涂抹银浆，作为n-型Ge基底电极1；
e、在石墨烯接触电极4上铺设面积等于n-型Ge基底2面积的本征石墨烯薄膜，得到待掺杂器件，本征石墨烯薄膜一部分与石墨烯接触电极4接触，剩余部分与n-型Ge基底2上表面未覆盖绝缘层3的部分接触；
f、对本征石墨烯薄膜进行p-型轻掺杂：
以HNO3为表面掺杂源，将待掺杂器件倒扣在浓度为68%的浓硝酸瓶口2-3min，使本征石墨烯薄膜成为p-型石墨烯薄膜5。
为方便测试所制备器件的性能，用银浆将两根铜丝分别黏合在石墨烯接触电极4和n-型Ge基底电极1上，并将两根铜丝接到电路中。在零偏压、室温、分别在无光、激光1550nm(光强为4.5mW/cm2)的光照下，利用KEITHLEY4200－SCS测量明电流-电压曲线，测试结果如图5所示。从图中可以看出：本实施例的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结的近红外光电探测器对1550nm红外光非常敏感。

Claims (7)

1.p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：以n-型Ge基底（2）作为所述近红外光电探测器的基区，在所述n-型Ge基底（2）的下表面设置n-型Ge基底电极（1）；在所述n-型Ge基底（2）的上表面覆盖绝缘层（3），所述绝缘层（3）的面积为所述n-型Ge基底（2）面积的1/5到2/3，所述绝缘层（3）的边界不超出所述n-型Ge基底（2）的边界；在所述绝缘层（3）上覆盖石墨烯接触电极（4），所述石墨烯接触电极（4）的边界不超出所述绝缘层（3）的边界；在所述石墨烯接触电极（4）上铺设p-型石墨烯薄膜（5），所述p-型石墨烯薄膜（5）一部分与石墨烯接触电极（4）接触，剩余部分与n-型Ge基底（2）上表面未覆盖绝缘层（3）的部分接触，所述p-型石墨烯薄膜（5）的边界不超出所述n-型Ge基底（2）的边界，所述p-型石墨烯薄膜（5）与石墨烯接触电极（4）为欧姆接触，所述p-型石墨烯薄膜（5）与n-型Ge基底（2）为肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：所述绝缘层（3）以氮化硅、二氧化硅或者氧化铝为材料，所述绝缘层（3）的厚度为20-300nm。
3.根据权利要求1所述的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：所述n-型Ge基底电极（1）为Ag电极或者In/Ga合金电极，所述n-型Ge基底电极（1）的厚度为50-500nm。
4.根据权利要求1所述的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：所述石墨烯接触电极（4）为Ti/Au复合电极、Ag电极、Au电极或Ti电极，所述石墨烯接触电极（4）的厚度为40-500nm。
5.根据权利要求1所述的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：所述n-型Ge基底（2）采用厚度为100-600μm、电阻率不大于0.004Ω/cm的n-型重掺杂Ge片。
6.根据权利要求1所述的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：所述p-型石墨烯薄膜（5）是通过对本征石墨烯以浓硝酸、AuCl3进行表面掺杂实现。
7.根据权利要求1所述的p-型石墨烯薄膜/n-型Ge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n-型重掺杂Ge片放在质量浓度为5%-10%的氢氟酸溶液或BOE刻蚀液中刻蚀5-10分钟，去除n-型重掺杂Ge片表面的固有氧化层，取出后进行超声清洗并干燥，得到n-型Ge基底（2）；所述BOE刻蚀液为将20g NH4F和7ml质量浓度不低于40%的氢氟酸加入到30ml水中形成的混合液；
b、利用磁控溅射工艺在n-型Ge基底（2）的上表面覆盖面积为所述n-型Ge基底（2）面积的1/5到2/3的绝缘层（3）；
c、利用电子束工艺在绝缘层（3）上覆盖石墨烯接触电极（4），所述石墨烯接触电极（4）的边界不超出所述绝缘层（3）的边界；
d、通过涂抹的方法，在已完成b、c两步的n-型Ge基底（2）的下表面设置n-型Ge基底电极（1）；
e、在石墨烯接触电极（4）上铺设本征石墨烯薄膜，得到待掺杂器件，所述本征石墨烯薄膜一部分与石墨烯接触电极（4）接触，剩余部分与n-型Ge基底（2）上表面未覆盖绝缘层（3）的部分接触，所述本征石墨烯薄膜的边界不超出所述n-型Ge基底（2）的边界；
f、对本征石墨烯薄膜进行p-型轻掺杂：
对本征石墨烯薄膜以硝酸或AuCl3进行表面掺杂得到p-型石墨烯薄膜（5）：
当以硝酸为表面掺杂源时，将待掺杂器件倒扣在浓度为68%的浓硝酸瓶口2-3min，利用浓硝酸的挥发性，使本征石墨烯薄膜成为p-型石墨烯薄膜（5）；
当以AuCl3为表面掺杂源时，在待掺杂器件的本征石墨烯薄膜上旋涂0.05-0.1ml的浓度为10mmol/L的AuCl3溶液，自然晾干或烘干后，使本征石墨烯薄膜成为p-型石墨烯薄膜（5）。
CN201310202625.1A 2013-05-28 2013-05-28 p-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基结近红外光电探测器及其制备方法 Expired - Fee Related CN103280484B (zh)

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