CN110611010B - 一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器及其制备方法，其结构从下到上依次包括背面电极、衬底、硅纳米晶层、石墨烯层和正面电极；背面电极为Ti/Au/Ti电极；衬底为n型Si重掺杂；硅纳米晶层使用氢硅倍半环氧乙烷旋涂并高温退火后得到；石墨烯层为单层石墨烯，蒸镀Au转移获得；正面电极为Ti/Au电极。本发明的光电探测器能够对紫外、可见及近红外光学频谱范围进行响应，经硅纳米晶层与石墨烯层间的光致开关效应实现信号倍增，制备工艺简便，与CMOS工艺兼容。

Description

一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测技术，具体涉及一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器及其制备方法。
背景技术
拓宽光电探测器的光学频谱响应范围是提升探测信息获取和识别能力的最直接有效的途径，传统的做法是将现有不同波段响应的光电探测器做简单加法或是将一定波段响应的光电器件光谱响应向两边作延伸，这类做法光谱拓展效果有限，反而造成探测组件体积和信号处理要求大幅增加，不利于系统小型化与高密度集成。利用石墨烯材料零带隙的特点制成的宽光谱光电探测器可以有效拓展光谱范围、缩小探测组件体积，同时可实现硅基衬底异质集成，利用成熟的CMOS工艺加工制作。
石墨烯的单原子层厚度导致其光吸收较弱，使得器件的探测灵敏度普遍较低。在半导体量子点材料中，硅纳米晶具有易于硅基集成的天然优势以及低成本、无毒性、较高的增益等特点。将石墨烯与硅纳米晶结合，利用石墨烯极高的载流子传输能力和硅纳米晶较高的光吸收效率的特点，所制备的光电探测器具有响应度高、响应速度快、光谱响应覆盖紫外、可见和近红外、易于硅基集成的优点。
然而目前国内外制备的胶体量子点/石墨烯光电探测器多使用硫化铅量子点、碳纳米管等与石墨烯进行结合，在器件结构上与制作工艺上与硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器有着本质区别。胶体量子点使用有机大分子作为分散剂将严重影响载流子传输，响应时间长达秒级。而硅纳米晶材料经高温退火后可形成镶嵌于二氧化硅中的硅纳米晶，高密度的硅纳米晶形成载流子传输通道，通过光开关效应实现电信号增强，同时具有响应速度快、光谱响应覆盖紫外、可见和近红外的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种探测响应率高、响应速度快、光谱响应覆盖紫外、可见和近红外的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器，n型Si衬底上依次设置硅纳米晶层、石墨烯层、正面电极，背面电极设置在n型Si衬底下方；
所述n型Si衬底电阻率为1-10Ω/cm；
所述硅纳米晶层由氢硅倍半环氧乙烷旋涂并高温退火后得到，厚度为0.5-0.8μm；
所述正面电极为Ti/Au电极，与石墨烯层接触；
所述背面电极为Ti/Au/Ti电极，与Si衬底接触。
一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、n型Si衬底清洗；
步骤2、硅纳米晶层制备，旋涂HSQ光刻胶，厚度为0.5-0.8μm，放入石英退火炉氮气氛围中进行退火；
步骤3、进行第一步光刻，光刻出硅纳米晶台面图形，使用ICP刻蚀，获得硅纳米晶台面；
步骤4、背面电极层制作，使用电子束蒸发Ti/Au/Ti；
步骤5、石墨烯层制作，在石墨烯层上蒸镀30-50nm Au层，配置铜箔腐蚀液；
步骤6、石墨烯层转移，使用Si衬底片将镀有Au层的石墨烯提拉转移至清水中浸泡后，转移至旋涂有硅纳米晶层的Si衬底上；
步骤7、进行第二次光刻，与硅纳米晶层台面图形套刻对准，光刻出石墨烯台面图形；
步骤8、Au层腐蚀，使用金腐蚀液腐蚀掉金层，使用氧等离子刻蚀获得石墨烯台面图形；
步骤9、进行第三次光刻，光刻出上电极层图形，蒸发电极Ti/Au，丙酮浸泡剥离；
步骤10、台面金层腐蚀，使用金腐蚀液将台面金层腐蚀；
步骤11、Si片划片，封装在管壳上，完成器件的制备工作。
与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)该结构器件可实现对紫外、可见及近红外的入射光进行响应，通过光开关效应实现信号放大，响应度高、响应速度快、光谱响应覆盖紫外、可见和近红外、易于硅基集成，克服了胶体量子点载流子无法有效传输的缺点，可用于宽光谱、高响应率光电探测器的制备；(2)本发明的探测器器件结构具有通用性，制作成本低；(3)该光电探测器通过硅纳米晶层实现紫外、可见和近红外波段光信号转换并放大，载流子传输至石墨烯层，测量石墨烯层电导率变化得到电信号输出，Si衬底下电极加电实现栅压控制。
附图说明
图1为硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器结构示意图。
图2为硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的制备流程图。
图3为硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的光学显微镜照片。
具体实施方式
本发明的一种能够探测紫外波段至近红外波段的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器，其结构从下到上依次包括背面电极5、n型Si衬底4、硅纳米晶层3、石墨烯层2和正面电极1。
n型Si衬底4上依次设置硅纳米晶层3、石墨烯层2、正面电极1，背面电极5设置在n型Si衬底4下方；
所述n型Si衬底4电阻率为1-10Ω/cm；
所述硅纳米晶层3由氢硅倍半环氧乙烷旋涂并高温退火后得到，厚度为0.5-0.8μm；
所述正面电极1为Ti/Au电极，与石墨烯层2接触；
所述背面电极5为Ti/Au/Ti电极，与Si衬底4接触。
所述的石墨烯层2为单层结构，在石墨烯表面蒸镀30-50nm厚金层，将石墨烯与金层同时由铜箔转移至硅纳米晶层3。
进一步的，硅纳米晶层3使用氢硅倍半环氧乙烷旋涂并高温处理，退火温度为900-1100℃。
进一步的，石墨烯层2与硅纳米晶层3间接触使用紫外灯辐照处理，处理时间1小时以上。
进一步的，背面电极5中Ti/Au/Ti的厚度分别为20nm/180nm/20nm。
进一步的，正面电极1中Ti/Au的厚度分别为20nm/300nm。
本发明还提供一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、n型Si衬底4清洗；
步骤2、硅纳米晶层3制备，旋涂HSQ光刻胶，转速3000转/分，厚度为0.5-0.8μm，放入石英退火炉氮气氛围中进行退火；
步骤3、进行第一步光刻，光刻出硅纳米晶台面图形，使用ICP刻蚀，获得硅纳米晶台面；
步骤4、背面电极层5制作，使用电子束蒸发Ti/Au/Ti；
步骤5、石墨烯层2制作，在石墨烯层上蒸镀30-50nm Au层，配置铜箔腐蚀液；
步骤6、石墨烯层2转移，使用Si衬底片将镀有Au层的石墨烯提拉转移至清水中浸泡后，转移至旋涂有硅纳米晶层3的Si衬底上；
步骤7、进行第二次光刻，与硅纳米晶层3台面图形套刻对准，光刻出石墨烯台面图形；
步骤8、Au层腐蚀，使用金腐蚀液腐蚀掉金层，使用氧等离子刻蚀获得石墨烯台面图形；
步骤9、进行第三次光刻，光刻出上电极层1图形，蒸发电极Ti/Au，丙酮浸泡剥离；
步骤10、台面金层腐蚀，使用金腐蚀液将台面金层腐蚀；
步骤11、Si片划片，封装在管壳上，完成器件的制备工作。
进一步的，步骤1使用丙酮、酒精超声清洗衬底片，氮气吹干。
进一步的，步骤4中Ti/Au/Ti的厚度分别为20nm/180nm/20nm。
进一步的，步骤9中，蒸发电极Ti/Au，厚度分别为20nm/300nm。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器，n型Si衬底4上依次为硅纳米晶层3、石墨烯层2、正面电极1，背面电极5位于n型Si衬底4的下方。
n型Si衬底4的电阻率为1-10Ω/cm，厚度为500μm；
硅纳米晶层3，由氢硅倍半环氧乙烷HSQ旋涂并高温退火后得到，退火温度为900-1100℃，厚度为0.5-0.8μm；
石墨烯层2为单层结构，由CVD方法生长于铜箔上，石墨烯表面蒸镀30nm厚金层，将石墨烯与金层同时由铜箔转移至硅纳米晶层3；
正面电极1为Ti/Au电极，形状为方形电极，如图2所示，与石墨烯层2接触；
背面电极5为Ti/Au/Ti电极，与Si衬底4接触。
如图2所示，硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的制备工艺步骤如下：
步骤1：n型Si衬底4清洗，一次使用丙酮、酒精超声清洗衬底片，氮气吹干；
步骤2：硅纳米晶层3制备，旋涂HSQ光刻胶，转速3000转/分，厚度为0.5-0.8μm，放入石英退火炉氮气氛围中进行900-1100℃退火，退火时间1小时；
步骤3：进行第一步光刻，光刻出硅纳米晶台面图形，使用ICP刻蚀，获得硅纳米晶台面；
步骤4：背面电极层5制作，使用电子束蒸发Ti/Au/Ti，厚度分别为20nm/180nm/20nm；
步骤5：石墨烯层2制作，在石墨烯层上蒸镀30-50nm Au层，配置铜箔腐蚀液，腐蚀时间大于四小时；
步骤6：石墨烯层2转移，使用三寸Si衬底片将镀有Au层的石墨烯提拉转移至清水中，浸泡10分钟，转移至旋涂有硅纳米晶层3的Si衬底上；
步骤7：进行第二次光刻，与硅纳米晶层3台面图形套刻对准，光刻出石墨烯台面图形；
步骤8：Au层腐蚀，使用金腐蚀液腐蚀掉金层，腐蚀时间超过20秒，使用氧等离子刻蚀获得石墨烯台面图形；
步骤9：进行第三次光刻，光刻出上电极层1图形，蒸发电极Ti/Au，厚度分别为20nm/300nm，丙酮浸泡剥离；
步骤10：台面金层腐蚀，使用金腐蚀液将台面金层腐蚀，腐蚀时间超过20秒；
步骤11：Si片划片，封装在管壳上，完成器件的制备工作，图3为制备好的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的光学显微镜照片。
该结构器件可实现对紫外、可见及近红外的入射光进行响应，通过光开关效应实现信号放大，响应度高、响应速度快、光谱响应覆盖紫外、可见和近红外、易于硅基集成，克服了胶体量子点载流子无法有效传输的缺点，可用于宽光谱、高响应率光电探测器的制备。

Claims (9)

1.一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器，其特征在于，n型Si衬底(4)上依次设置硅纳米晶层(3)、石墨烯层(2)、正面电极(1)，背面电极(5)设置在n型Si衬底(4)下方；
所述n型Si衬底(4)电阻率为1-10Ω/cm；
所述硅纳米晶层(3)由氢硅倍半环氧乙烷旋涂并高温退火后得到，退火温度为900-1100℃，厚度为0.5-0.8μm；
所述正面电极(1)为Ti/Au电极，与石墨烯层(2)接触；
所述背面电极(5)为Ti/Au/Ti电极，与Si衬底(4)接触。
2.根据权利要求1所述的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器，其特征在于，所述的石墨烯层(2)为单层结构，在石墨烯表面蒸镀30-50nm厚金层，将石墨烯与金层同时由铜箔转移至硅纳米晶层(3)。
3.根据权利要求1所述的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器，其特征在于，石墨烯层(2)与硅纳米晶层(3)间接触使用紫外灯辐照处理，处理时间1小时以上。
4.根据权利要求1所述的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器，其特征在于，背面电极(5)中Ti/Au/Ti的厚度分别为20nm/180nm/20nm。
5.根据权利要求1所述的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器，其特征在于，正面电极(1)中Ti/Au的厚度分别为20nm/300nm。
6.一种硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、n型Si衬底清洗；
步骤2、硅纳米晶层制备，旋涂HSQ光刻胶，厚度为0.5-0.8μm，放入石英退火炉氮气氛围中进行退火；
步骤3、进行第一步光刻，光刻出硅纳米晶台面图形，使用ICP刻蚀，获得硅纳米晶台面；
步骤4、背面电极层制作，使用电子束蒸发Ti/Au/Ti；
步骤5、石墨烯层制作，在石墨烯层上蒸镀30-50nm Au层，配置铜箔腐蚀液；
步骤6、石墨烯层转移，使用Si衬底片将镀有Au层的石墨烯提拉转移至清水中浸泡后，转移至旋涂有硅纳米晶层的Si衬底上；
步骤7、进行第二次光刻，与硅纳米晶层台面图形套刻对准，光刻出石墨烯台面图形；
步骤8、Au层腐蚀，使用金腐蚀液腐蚀掉金层，使用氧等离子刻蚀获得石墨烯台面图形；
步骤9、进行第三次光刻，光刻出正面电极图形，蒸发电极Ti/Au，丙酮浸泡剥离；
步骤10、台面金层腐蚀，使用金腐蚀液将台面金层腐蚀；
步骤11、Si片划片，封装在管壳上，完成器件的制备工作。
7.根据权利要求6所述的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤1使用丙酮、酒精超声清洗衬底片，氮气吹干。
8.根据权利要求6所述的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤4中Ti/Au/Ti的厚度分别为20nm/180nm/20nm。
9.根据权利要求6所述的硅纳米晶/石墨烯宽光谱光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤9中蒸发电极Ti/Au，厚度分别为20nm/300nm。
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