CN105633190B - 一种基于石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器，该探测器包括SiO2/Si衬底(4)，所述SiO2/Si衬底(4)上的SiC纳米线(1)，包覆所述SiC纳米线(1)的石墨烯层(2)，所述SiC纳米线(1)和所述石墨烯层(2)纵向两端上的两端电极(3)，所述SiO2/Si衬底(4)背面的背栅电极(5)，以及分别在所述两端电极(3)和背栅电极(5)上的电极引线(6)。本发明提供了石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器技术，综合利用了SiC纳米线微腔结构增强光与SiC的相互作用、抑制光生载流子的复合并促进光生载流子的转移效率，以及石墨烯优良电子输运特性带来的对光生载流子的超快响应的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器及其制备方法，属于光电器件技术领域。
背景技术
石墨烯是由碳原子以六方网格状排列成的单原子层。作为二维纳米材料，石墨烯具有很多优异的性能。尤其是在电学方面，石墨烯具有超高的载流子迁移率和高载流子密度。因此，石墨烯在各种电学器件中的应用得到了广泛的关注。在SiC表面外延的石墨烯器件技术与大规模集成电路工艺相兼容，无需转移过程，因此成为电学器件应用中的一种主流材料。
SiC作为一种宽禁带半导体，具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性。当能量大于SiC带隙的紫外光源照射到碳化硅表面，其导带电子可以在紫外光照射下受激跃迁到导带，使其在紫外探测应用方面具有巨大的应用前景。如果在SiC表面外延生长一层石墨烯，当石墨烯/SiC表面受到紫外光照射时，SiC材料中的价带电子跃迁到导带，并在SiC与石墨烯的界面电场作用下快速转移到石墨烯上，从而改变石墨烯的电导，产生光电响应并实现对紫外光的探测。
近些年来，为了追求器件的小型化，纳米材料在器件中的应用备受关注。本专利就是采用SiC纳米线，在SiC纳米线上外延生长石墨烯，形成由石墨烯包覆的石墨烯-SiC纳米线核壳结构。这种核壳结构不仅实现了紫外探测器的小型化，而且由于纳米线微腔结构的径向电场阻碍了光生载流子的复合，因此会有更多的载流子转移到石墨烯上，大大提高了探测器的灵敏度。
发明内容
本发明基于石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器技术，综合利用了SiC纳米线微腔结构可增强光与SiC的相互作用、有效促进SiC中光生载流子快速转移到石墨烯和石墨烯优良电子输运特性等诸多优势，提出了一种器件工艺简单并与现有大规模集成电路工艺相兼容的紫外探测器结构及其制备方法。
具体地，本发明公开了一种石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器，该探测器包括SiO2/Si衬底(4)，所述SiO2/Si衬底(4)上的SiC纳米线(1)，包覆所述SiC纳米线(1)的石墨烯层(2)，所述SiC纳米线(1)和所述石墨烯层(2)纵向两端上的两端电极(3)，所述SiO2/Si衬底(4)背面的背栅电极(5)，以及分别在所述两端电极(3)和背栅电极(5)上的电极引线(6)。
进一步地，所述SiC纳米线(1)的电阻率大于102Ω·cm，其晶型是4H，6H或者3C。
进一步地，所述SiC纳米线(1)的直径为10nm-1000nm，长度为1μm-1mm。
进一步地，所述的SiC上石墨烯层(2)的层数在10层以下。
进一步地，所述两端探测电极(3)可以是简单的一组，也可以是多组两端电极，或其它实现相同功能的电极结构。
进一步地，所述两端探测电极(3)可以做在单根纳米线两端，也可以做在并列成排的多根纳米线两端。
进一步地，其中还包括一个具有通光窗口的封装壳体，所述电极引线(6)与封装壳体的电极相连，通过通光窗口，紫外光可以照射到石墨烯层(2)和SiC纳米线(1)上。
进一步地，所述SiO2/Si衬底可用其它绝缘衬底来取代。
本发明的优点在于：本发明提供了石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器技术，综合利用了SiC纳米线微腔结构增强光与SiC的相互作用、抑制光生载流子的复合并促进光生载流子的转移效率，以及石墨烯材料优良的电子输运特性带来的对光生载流子的超快响应优势。且探测器器件制作工艺简单，与现有大规模集成电路工艺相兼容，有很大的潜在应用价值。
附图说明
图1：本发明提供的石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器结构示意图。
图2：本发明提供的石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器工作原理图。
图3：多根并联模式的石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器结构示意图。
其中(1)为SiC纳米线，(2)为石墨烯，(3)为两端探测电极，(4)为SiO2/Si衬底，(5)为背栅电极，(6)为电极引线。
具体实施方式
本发明提出了一种基于石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器及其制备方法，现结合附图和具体实施例，对本发明的实施步骤做进一步说明。此处所描述的具体实施例仅用以说明和解释本发明，并不是限定本发明的应用范畴。
实施例1
首先，对SiC纳米线进行清洗。依次用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗，去除表面有机物；再依次用稀盐酸、稀氢氟酸进行超声清洗，去除表面金属杂质和氧化层；之后用去离子水冲洗后，然后烘干。所述SiC纳米线(1)的电阻率大于102Ω·cm，其晶型可以是4H，6H或者3C，其直径可以在10nm-1000nm，长度可以在1μm-1mm。
将洗净的SiC纳米线(1)放入高温生长炉中，用氩气反复对生长炉进行充放气清洗之后，将系统升高温度到1300℃，之后，抽气至0.01Pa进行石墨烯层(2)生长，生长时间为20min。生长结束后，充氩气至20kPa，降温至室温，取出石墨烯包覆的碳化硅纳米线样品。所述的SiC上石墨烯材料(2)的层数在10层以下。
挑选出一根直径为20nm、长为10μm的石墨烯包覆SiC纳米线的样品放在SiO2/Si衬底上。利用两端探测电极(3)掩膜板，光学曝光技术和金属热蒸发技术，在选定的SiC纳米线两端石墨烯层(2)上蒸镀Ti/Au(6nm/80nm)，得到两端探测电极(3)。在完成金属电极的蒸镀并用丙酮去除光刻胶后，可将样品置于管式炉中，在H2/Ar(97:3)气氛中，常压下加热至300℃并保持6小时以上，更好地去除留在石墨烯上的残余光刻胶，提高石墨烯的光电响应性能。同时，在Si的背面蒸镀背栅电极Ti/Al(5nm/80nm)(5)。
利用超声键合技术，在两端探测电极(3)和背栅电极(5)上引出电极引线(6)，并将电极引线(6)与封装壳体的引线柱连接，完成器件封装。其中，所述封装壳体留有通光窗口，紫外光可以通过通光窗口照射到石墨烯层(2)和SiC纳米线(1)上。
经过上述步骤得到石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器后，对其进行测试。在偏压为0.05mV，分别在无光照和波长为325纳米紫外光(功率为0.1mW)照射条件下，测得石墨烯的光电流为50nA。
实施例2
首先，对SiC纳米线进行清洗。依次用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗，去除表面有机物；再依次用稀盐酸、稀氢氟酸进行超声清洗，去除表面金属杂质和氧化层；之后用去离子水冲洗后，然后烘干。所述SiC纳米线(1)的电阻率大于102Ω·cm，其晶型可以是4H，6H或者3C，其直径可以在10nm-1000nm，长度可以在1μm-1mm。
将洗净的SiC纳米线(1)放入高温生长炉中，用氩气反复充放气进行清洗后，将系统升高温度到1300℃，之后，抽气至0.01Pa进行石墨烯层(2)生长，生长时间为30min。生长结束后，充氩气至20kPa，降温至室温，取出石墨烯包覆的SiC纳米线样品。所述的SiC上石墨烯层(2)的层数在10层以下。
挑选出一根直径为50nm、长为10μm的石墨烯包覆SiC纳米线的样品放在SiO2/Si衬底(4)上。利用两端探测电极(3)掩膜板，光学曝光技术和金属热蒸发技术，在选定的SiC纳米线两端石墨烯层(2)上，蒸镀Ti/Au(6nm/80nm)，得到两端探测电极(3)。在完成金属电极的蒸镀并用丙酮去除光刻胶后，可将样品置于管式炉中，在H2/Ar(97:3)气氛中，常压下加热至300℃并保持6小时以上，更好地去除留在石墨烯上的残余光刻胶，提高石墨烯的光电响应性能。同时，在Si的背面蒸镀背栅电极Ti/Al(5nm/80nm)(5)。
利用超声键合技术，在两端探测电极(3)和背栅电极(5)上引出电极引线(6)，并将电极引线(6)与封装壳体的引线柱连接，完成器件封装。其中，所述封装壳体留有通光窗口，紫外光可以通过通光窗口照射到石墨烯层(2)和SiC纳米线(1)上。
经过上述步骤得到石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器后，对其进行测试。在偏压为0.05mV，分别在无光照和波长为325纳米的紫外光(功率为5mW)照射条件下测出石墨烯的电流，由此获得石墨烯的光电流为500nA。
实施例3
首先，对SiC纳米线进行清洗。依次用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗，去除表面有机物；再依次用稀盐酸、稀氢氟酸进行超声清洗，去除表面金属杂质和氧化层；之后用去离子水冲洗后，然后烘干。所述SiC纳米线(1)的电阻率大于102Ω·cm，其晶型可以是4H，6H或者3C，其直径可以在10nm-1000nm，长度可以在1μm-1mm。
将洗净的半绝缘SiC纳米线(1)放入高温生长炉中，用氩气反复充放气进行清洗后，将系统升高温度到1300℃，之后，抽气至0.01Pa进行石墨烯层(2)生长，生长时间为20min。生长结束后，充氩气至20kPa，降温至室温，取出石墨烯包覆的SiC纳米线样品。所述的SiC上石墨烯层(2)的层数在10层以下。
挑选出一根直径为100nm、长为20μm的石墨烯包覆SiC纳米线的样品放在SiO2/Si衬底(4)上。利用两端探测电极(3)掩膜板，光学曝光技术和金属热蒸发技术，在选定的SiC纳米线两端石墨烯层(2)上，蒸镀Ti/Au(6nm/80nm)，得到两端探测电极(3)。在完成金属电极的蒸镀并用丙酮去除光刻胶后，可将样品置于管式炉中，在H2/Ar(97:3)气氛中，常压下加热至300℃并保持6小时以上，更好地去除留在石墨烯上的残余光刻胶，提高石墨烯的光电响应性能。同时，在Si的背面蒸镀背栅电极Ti/Al(5nm/80nm)(5)。
利用超声键合技术，在两端探测电极(3)和背栅电极(5)上引出电极引线(6)，并将电极引线(6)与封装壳体的引线柱连接，完成器件封装。其中，所述封装壳体留有通光窗口，紫外光可以通过通光窗口照射到石墨烯层(2)和SiC纳米线(1)上。
经过上述步骤得到石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器后，对其进行测试。在偏压为0.05mV，分别在无光照和波长为325纳米的紫外光(功率为5mW)照射条件下测出石墨烯的电流，并由此得到石墨烯的光电流为800nA。
实施例4
首先，对SiC纳米线进行清洗。依次用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗，去除表面有机物；再依次用稀盐酸、稀氢氟酸进行超声清洗，去除表面金属杂质和氧化层；之后用去离子水冲洗后，然后烘干。所述SiC纳米线(1)的电阻率大于102Ω·cm，其晶型可以是4H，6H或者3C，其直径可以在10nm-1000nm，长度可以在1μm-1mm。
将洗净的半绝缘SiC纳米线(1)放入高温生长炉中，用氩气反复充放气进行清洗后，将系统升高温度到1300℃，之后，抽气至0.01Pa进行石墨烯层(2)生长，生长时间为20min。生长结束后，充氩气至20kPa，降温至室温，取出石墨烯包覆的SiC纳米线样品。所述的SiC上石墨烯层(2)的层数在10层以下。
利用光刻胶在SiO2/Si衬底(4)上制备出凹槽阵列，然后挑选出10根直径为20-30nm、长为20±0.5μm的石墨烯包覆SiC纳米线的样品，利用Langmuir-Blodgett技术将有序分散的纳米线样品排列在衬底的凹槽阵列中，再利用丙酮将光刻胶去掉。利用两端探测电极(3)掩膜板，光学曝光技术和金属热蒸发技术，在选定的SiC纳米线两端石墨烯层(2)上，蒸镀Ti/Au(6nm/80nm)，得到两端探测电极(3)。在完成金属电极的蒸镀并用丙酮去除光刻胶后，可将样品置于管式炉中，在H2/Ar(97:3)气氛中，常压下加热至300℃并保持6小时以上，更好地去除留在石墨烯上的残余光刻胶，提高石墨烯的光电响应性能。然后，在Si的背面蒸镀背栅电极Ti/Al(5nm/80nm)(5)。
利用超声键合技术，在两端探测电极(3)和背栅电极(5)上引出电极引线(6)，并将电极引线(6)与封装壳体的引线柱连接，完成器件封装。其中，所述封装壳体留有通光窗口，紫外光可以通过通光窗口照射到石墨烯层(2)和SiC纳米线(1)上。
经过上述步骤得到石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器后，对其进行测试。在偏压为0.05mV，分别在无光照和波长为325纳米的紫外光(功率为5mW)照射条件下测出石墨烯的电流，并由此得到石墨烯的光电流为8μA。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，只是为本发明提供优选的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种石墨烯包覆SiC纳米线的紫外探测器，该探测器包括SiO2/Si衬底(4)，所述SiO2/Si衬底(4)上的SiC纳米线(1)，包覆所述SiC纳米线(1)的石墨烯层(2)，所述SiC纳米线(1)和所述石墨烯层(2)纵向两端上的两端电极(3)，所述SiO2/Si衬底(4)背面的背栅电极(5)，以及分别在所述两端电极(3)和背栅电极(5)上的电极引线(6)。
2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述SiC纳米线(1)的电阻率大于102Ω·cm，其晶型是4H，6H或者3C。
3.根据权利要求1或2所述的紫外探测器，其特征在于，所述SiC纳米线(1)的直径为10nm-1000nm，长度为1μm-1mm。
4.根据权利要求3所述的紫外探测器，其特征在于，所述的SiC上石墨烯层(2)的层数在10层以下。
5.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述两端电极(3)是一组，或者是多组两端电极。
6.根据权利要求5所述的紫外探测器，其特征在于，所述两端电极(3)做在单根纳米线两端，或者做在并列成排的多根纳米线两端。
7.如权利要求1所述的紫外探测器，其中还包括一个具有通光窗口的封装壳体，所述电极引线(6)与封装壳体的电极相连，通过通光窗口，紫外光照射到石墨烯层(2)和SiC纳米线(1)上。
8.如权利要求1所述的紫外探测器，所述SiO2/Si衬底由其它绝缘衬底来取代。
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