CN104810427B - 基于声表面波增强的紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于声表面波增强的紫外探测器及其制备方法，所述基于声表面波增强的紫外探测器包括半导体衬底及设置于半导体衬底表面的两个背对背的肖特基电极，所述两个背对背的肖特基电极用于收集光生载流子并形成电信号输出，还包括设置于半导体衬底表面的叉指换能器，所述叉指换能器用于激励声表面波，以实现声表面波对光生载流子的输运。本发明的优点在于，采用声表面波实现俘获和定向输运光生载流子，可将远处的光生载流子传送至肖特基电极结构内建电场区域，可减小光生载流子的复合，提高光电转换效率，实现高灵敏度的紫外探测功能。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测技术领域，尤其涉及一种基于声表面波增强的紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术在军事领域和民用领域都有广泛的用途。目前较常用的商用紫外探测器主要是真空紫外光电倍增管和硅基紫外光电二极管。然而，光电倍增管需要在高电压下工作，存在成像系统体积较大、功耗和成本较高等缺点，限制了其应用的广泛性。硅基紫外光电二极管尽管发展成熟，但是由于硅的禁带宽度较小，因此必须配备滤波器才可实现紫外波段的选择性探测；由于滤波器的使用，增加了系统的体积和制造的复杂性。
以GaN、ZnO、AlN为代表的宽禁带半导体，其禁带宽度对应的光子能量均处于紫外波段，因此，宽禁带半导体对紫外波段具有天然的选择性响应。同时，宽禁带半导体通常具有化学稳定性高，导热性能好等优点，非常适于制作紫外探测器件。目前基于宽禁带半导体的紫外探测器，根据工作方式和器件结构的不同，分为光电导型、肖特基光电二极管、金属-半导体-金属（MSM）结构探测器，以及pn型光电二极管和p-i-n型光电二极管。
其中MSM结构紫外探测器是由横向平面结构叉指状电极和半导体形成的“背对背”的两个肖特基结连接构成。在MSM结构探测器外加偏压时，其中一个肖特基结处于正向偏置状态，另一个处于反向偏置状态，因此具有极小的暗电流。另外MSM结构探测器具有较低的电容，且光生电子-空穴对在内建电场区域可以被快速的分离，因此具有响应速度快的优点。另外，它还具有制备工艺简单、响应度高等优点，因此受到人们的普遍关注。但MSM结构紫外探测器也存在一定的缺陷。首先，金属电极的遮挡会造成光吸收的损失。由于叉指状电极布满探测器的工作区域，光在金属电极之间的空隙内被吸收，因此金属电极遮挡造成相当比例的光照无法入射到半导体内部。其次，由于光在金属电极之间的空隙内被吸收，并产生光生载流子，光生载流子只有扩散到金属电极下方的内建电场区域才会被分离形成电信号被输出。当少子扩散长度较小时，有一部分载流子无法扩散到内建电场区域便被复合，也无法转换成电信号。这些问题导致MSM结构紫外探测器具有较低的响应度。为提高MSM的响应度，需要减小光照损失和降低光生载流子的复合。
石墨烯是一种新型二维材料，具有良好的透光性能和导电性能，使用石墨烯代替MSM结构中的金属，可提高有效光照面积。
声表面波（surface acoustic wave, SAW）是一种能量局域在固体表面传播的机械波。半导体中的声表面波传播时，声表面波伴随的电压对半导体表面能带造成周期性调制，形成周期性势阱\势垒；在势垒处可以俘获空穴，在势阱处俘获电子，将电子-空穴分别俘获在声表面波的不同位置，减小电子-空穴的复合。利用这种声表面波的这种效应，可将远处的光生载流子传送至MSM结构内建电场区域，提高光电转换效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于声表面波增强的紫外探测器及其制备方法，其能够提高光电转换效率，实现高灵敏度的紫外探测功能。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于声表面波增强的紫外探测器，包括半导体衬底及设置于半导体衬底表面的两个背对背的肖特基电极，所述两个背对背的肖特基电极用于收集光生载流子并形成电信号输出，还包括设置于半导体衬底表面的叉指换能器，所述叉指换能器用于激励声表面波，以实现声表面波对光生载流子的输运。
进一步，所述两个背对背的肖特基电极采用石墨烯制作，所述两个背对背的肖特基电极与所述半导体衬底形成石墨烯-半导体-石墨烯结构。
进一步，所述两个背对背的肖特基电极为叉指形状。
进一步，所述石墨烯选自于单层石墨烯、少层或多层石墨烯中的一种或几种的混合。
进一步，所述半导体衬底为宽禁带极性半导体衬底。
进一步，所述宽禁带极性半导体衬底的材料选自于III-V组化合物和II-VI组化合物中的一种。
进一步，所述宽禁带极性半导体衬底的材料选自于GaN、AlN、AlGaN、ZnO中的一种。
进一步，所述叉指换能器是由导电薄膜制作的梳齿状电极。
进一步，所述导电薄膜选自于导电金属薄膜、单层石墨烯薄膜、少层或多层石墨烯薄膜中的一种。
一种基于声表面波增强的紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：提供半导体衬底；在所述半导体衬底表面制作叉指换能器；在制作有叉指换能器的半导体衬底表面制作两个背对背的肖特基电极。
本发明的一个优点在于，采用声表面波实现俘获和定向输运光生载流子，可将远处的光生载流子传送至肖特基电极结构内建电场区域，可减小光生载流子的复合，提高光电转换效率，实现高灵敏度的紫外探测功能。
本发明的另一优点在于，使用石墨烯作为肖特基电极的材料，可提高有效光照面积。
附图说明
图1所示为本发明提供的基于声表面波增强的紫外探测器的结构示意图；
图2所示为本发明基于声表面波增强的紫外探测器的制备方法步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的基于声表面波增强的紫外探测器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
图1所示为本发明提供的基于声表面波增强的紫外探测器的结构示意图。参见图1，本发明基于声表面波增强的紫外探测器包括半导体衬底1、设置于半导体衬底1表面的两个背对背的肖特基电极2及设置于半导体衬底表面的叉指换能器3。
所述半导体衬底1为宽禁带极性半导体衬底。其材料选自于III-V组化合物和II-VI组化合物中的一种。优选地，选自于GaN、AlN、AlGaN、ZnO中的一种。
所述两个背对背的肖特基电极2用于收集光生载流子并形成电信号输出。在本具体实施方式中，所述两个背对背的肖特基电极2采用石墨烯制作，所述两个背对背的肖特基电极2与所述半导体衬底1形成石墨烯-半导体-石墨烯结构。所述石墨烯选自于单层石墨烯、少层或多层石墨烯中的一种或几种的混合。进一步，在本具体实施方式中，所述两个背对背的肖特基电极2为叉指形状。由于石墨烯具有良好的透光性能和导电性能，使用石墨烯制作肖特基电极，可提高有效光照面积。
所述叉指换能器3用于激励声表面波，以实现声表面波对光生载流子的输运。进一步，所述叉指换能器3为由导电薄膜制作的梳齿状电极。所述导电薄膜选自于导电金属薄膜、单层石墨烯薄膜、少层或多层石墨烯薄膜及其他导电材料制作的薄膜中的一种。
声表面波在半导体衬底1中传播时，声表面波伴随的电压对半导体衬底1表面能带造成周期性调制，形成周期性势阱\势垒，在势垒处可以俘获空穴，在势阱处俘获电子，将电子-空穴分别俘获在声表面波的不同位置，减小电子-空穴的复合。利用这种声表面波的这种效应，可将远处的光生载流子传送至两个背对背的肖特基电极2内建电场区域，提高光电转换效率。
图2所示为本发明基于声表面波增强的紫外探测器的制备方法步骤示意图。参见图2所示，所述方法包括如下步骤：步骤S20、提供半导体衬底；步骤S21、在所述半导体衬底表面制作叉指换能器；步骤S22、在制作有叉指换能器的半导体衬底表面制作两个背对背的肖特基电极。
参见步骤S20，提供半导体衬底。所述半导体衬底为宽禁带极性半导体衬底。其材料选自于III-V组化合物和II-VI组化合物中的一种。优选地，选自于GaN、AlN、AlGaN、ZnO中的一种。所述半导体衬底可以采用氢化物气相外延（HVPE）或金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）方法形成。
参见步骤S21，在所述半导体衬底表面制作叉指换能器。所述叉指换能器用于激励声表面波，以实现声表面波对光生载流子的输运。进一步，所述叉指换能器为由导电薄膜制作的梳齿状电极。所述导电薄膜选自于导电金属薄膜、单层石墨烯薄膜、少层或多层石墨烯薄膜及其他导电材料制作的薄膜中的一种。所述叉指换能器的制备方法有很多中，可以采用本领域技术人员熟知的技术进行制备。
参见步骤S22，在制作有叉指换能器的半导体衬底表面制作两个背对背的肖特基电极。所述两个背对背的肖特基电极用于收集光生载流子并形成电信号输出。在本具体实施方式中，所述两个背对背的肖特基电极采用石墨烯制作，所述两个背对背的肖特基电极与所述半导体衬底形成石墨烯-半导体-石墨烯结构。所述石墨烯选自于单层石墨烯、少层或多层石墨烯中的一种或几种的混合。进一步，在本具体实施方式中，所述两个背对背的肖特基电极为叉指形状。由于石墨烯具有良好的透光性能和导电性能，使用石墨烯制作肖特基电极，可提高有效光照面积。
本发明还提供基于声表面波增强的紫外探测器的制备方法的实施例。
基于声表面波增强的紫外探测器的制备方法包括如下步骤：
（1）采用HVPE方法或者MOCVD方法生长GaN衬底。
（2）在所述GaN衬底上涂覆光刻胶。
（3）使用接触式紫外光刻方法在GaN衬底表面制作出叉指换能器的图形，在形成叉指换能器的位置，光刻胶被去除。
（4）使用电子束蒸发方法蒸镀200nm的金膜。
（5）在丙酮溶液中进行漂洗，将光刻胶剥离，留下的金属薄膜形成叉指换能器。
（6）采用化学气相沉积方法在铜箔上生长石墨烯。
（7）将长有石墨烯的铜箔放入氯化铁溶液浸泡，铜箔溶解于氯化铁溶液之后，石墨烯漂浮于溶液表面；用去离子水漂洗石墨烯，去除杂质。
（8）将石墨烯转移到步骤（5）制备有叉指换能器的GaN衬底上。
（9）在所述制备有叉指换能器的GaN衬底上涂覆光刻胶。
（10）使用接触式紫外光刻方法在GaN衬底表面制作出肖特基电极的图形。
（11）使用氧等离子体对石墨烯进行刻蚀。
（12）在丙酮溶液中进行浸泡去除光刻胶，光刻胶下方未被氧等离子体刻蚀的石墨烯形成背对背的叉指状肖特基电极。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于声表面波增强的紫外探测器，包括半导体衬底及设置于半导体衬底表面的两个背对背的肖特基电极，所述两个背对背的肖特基电极用于收集光生载流子并形成电信号输出，其特征在于，还包括设置于半导体衬底表面的叉指换能器，所述叉指换能器用于激励声表面波，以实现声表面波对光生载流子的输运，声表面波在半导体衬底中传播时，声表面波伴随的电场对半导体衬底表面能带造成周期性调制，形成周期性势阱\势垒，在势垒处可以俘获空穴，在势阱处俘获电子，将电子-空穴分别俘获在声表面波的不同位置，减小电子-空穴的复合，将远处的光生载流子传送至两个背对背的肖特基电极内建电场区域，提高光电转换效率，所述两个背对背的肖特基电极采用石墨烯制作，所述两个背对背的肖特基电极与所述半导体衬底形成石墨烯-半导体-石墨烯结构，所述半导体衬底为宽禁带极性半导体衬底。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波增强的紫外探测器，其特征在于，所述两个背对背的肖特基电极为叉指形状。
3.根据权利要求1所述的基于声表面波增强的紫外探测器，其特征在于，所述石墨烯选自于单层石墨烯、少层或多层石墨烯中的一种或几种的混合。
4.根据权利要求1所述的基于声表面波增强的紫外探测器，其特征在于，所述宽禁带极性半导体衬底的材料选自于III-V组化合物和II-VI组化合物中的一种。
5.根据权利要求4所述的基于声表面波增强的紫外探测器，其特征在于，所述宽禁带极性半导体衬底的材料选自于GaN、AlN、AlGaN、ZnO中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于声表面波增强的紫外探测器，其特征在于，所述叉指换能器为由导电薄膜制作的梳齿状电极。
7.根据权利要求6所述的基于声表面波增强的紫外探测器，其特征在于，所述导电薄膜选自于导电金属薄膜、单层石墨烯薄膜、少层或多层石墨烯薄膜中的一种。
8.一种权利要求1所述的基于声表面波增强的紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供半导体衬底；在所述半导体衬底表面制作叉指换能器；在制作有叉指换能器的半导体衬底表面制作两个背对背的肖特基电极，声表面波在半导体衬底中传播时，声表面波伴随的电场对半导体衬底表面能带造成周期性调制，形成周期性势阱\势垒，在势垒处可以俘获空穴，在势阱处俘获电子，将电子-空穴分别俘获在声表面波的不同位置，减小电子-空穴的复合，将远处的光生载流子传送至两个背对背的肖特基电极内建电场区域，提高光电转换效率。
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