CN111244222A - 六方氮化硼紫外光探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种六方氮化硼紫外光探测器及制备方法，该六方氮化硼紫外光探测器包括：衬底；绝缘层，形成于衬底的一表面上，并在绝缘层的中间区域设置有延伸至衬底的窗口，露出衬底；第一石墨烯层，形成于绝缘层上，且覆盖绝缘层上窗口的内表面以及窗口的外周区域；六方氮化硼层，原位形成于第一石墨烯层上；第二石墨烯层，原位形成于六方氮化硼层上；正面电极，形成于窗口之外的第二石墨烯层上；以及背面电极，形成于衬底的另一表面上。本发明采用离子束辅助设备原位生长石墨烯/六方氮化硼/石墨烯异质结，可减小异质结界面污染和缺陷，可保证器件具有高的响应速度及响应度，同时采用纵向器件结构，提高器件的集成度。
Description
技术领域
本发明属于二维材料应用技术领域，涉及一种六方氮化硼紫外光探测器及制备方法。
背景技术
随着石墨烯的发现，二维材料受到人们越来越多的关注，成为当前材料领域最受关注的热点之一。与体材料相比，二维材料具有极高的比表面积和优异的电学、光学特性，在高速电子器件、发光二极管、光探测器、太阳能电池等领域有广阔的应用前景。六方氮化硼，为石墨烯的同构体，具有高的带边吸收系数、宽的能带间隙(5.9eV)、高的热导率等优点，被认为是一种优异的深紫外光探测材料。最近，有报道基于六方氮化硼纳米片的光电导型深紫外探测器，表现出了优异的光谱选择特性。然而，与某些高性能深紫外光探测器相比，该六方氮化硼紫外光探测器的响应速度较慢，响应度较低，还难以满足实际应用的需要。六方氮化硼深紫外光探测器在性能上的不足可以归因于六方氮化硼弱的载流子分离与输运能力。研究表明，构建异质结构可以实现二维材料内光生载流子的快速分离。石墨烯作为一种拥有高的载流子迁移率的材料，被认为是一种优异的载流子输运材料。此外，石墨烯与六方氮化硼为同构体，晶格失配度仅为1.8％，有利于石墨烯/六方氮化硼/石墨烯三明治结构的构建，弥补六方氮化硼性能的不足，提升氮化硼紫外光探测器的性能。此外，传统的石墨烯/六方氮化硼/石墨烯三明治结构多采用转移法制备，容易污染异质结界面，导致缺陷的存在，影响异质结的光电转换效率。因而如何改进方法，提升石墨烯/六方氮化硼/石墨烯三明治结构材料质量，成为制约相关器件制备的的重要瓶颈。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种六方氮化硼紫外光探测器及制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为达到以上目的，作为本发明的一个方面，提供一种六方氮化硼紫外光探测器，包括：衬底；绝缘层，形成于所述衬底的一表面上，并在所述绝缘层的中间区域设置有延伸至衬底的窗口，露出所述衬底；第一石墨烯层，形成于所述绝缘层上，且覆盖所述绝缘层上窗口的内表面以及所述窗口的外周区域；六方氮化硼层，原位形成于所述第一石墨烯层上；第二石墨烯层，原位形成于所述六方氮化硼层上；正面电极，形成于所述窗口之外的第二石墨烯层上；以及背面电极，形成于所述衬底的另一表面上。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种六方氮化硼紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在衬底的一表面上形成一绝缘层；步骤2：在所述绝缘层的中间区域刻蚀至衬底而形成窗口，露出所述衬底；步骤3：通过离子束辅助沉积法在所述绝缘层上形成第一石墨烯层，使所述第一石墨烯层覆盖所述窗口的内表面以及所述窗口外的绝缘层；步骤4：通过离子束溅射沉积法在所述第一石墨烯层上形成六方氮化硼层；步骤5：通过离子束辅助沉积法在所述六方氮化硼上形成第二石墨烯层；步骤6：刻蚀所述第一石墨烯层、六方氮化硼层和第二石墨烯层的边缘部分直至绝缘层，而使所述第一石墨烯层、六方氮化硼层和第二石墨烯层仅覆盖所述窗口的内表面以及所述窗口的外周区域；步骤7：在所述窗口之外的第二石墨烯层上形成正面电极；步骤8：通过机械研磨和化学抛光工艺，自所述衬底的另一表面将衬底厚度减薄；步骤9：在所述衬底的另一表面上形成背面电极。
从上述技术方案可以看出，本发明的一种六方氮化硼紫外光探测器及制备方法具有以下有益效果：
(1)本发明采用原位生长石墨烯/六方氮化硼/石墨烯异质结的方法，制备六方氮化硼紫外光探测器，可减少异质结界面处污染，减少界面缺陷，提升器件的光电转换效率；与此同时，采用纵向器件结构能够提高器件的集成度；
(2)石墨烯具高的载流子迁移率以及高的光透过率，将石墨烯与六方氮化硼结合，构建石墨烯/六方氮化硼/石墨烯，通过外加电压调节石墨烯中载流子填充水平，不仅能够实现光生电子空穴对的快速分离还能大幅提高载流子的输运效率。因此，石墨烯/六方氮化硼/石墨烯异质结构有望弥补六方氮化硼紫外光探测器的不足，整体提升器件性能。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明实施例六方氮化硼紫外光探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例六方氮化硼紫外光探测器的制备方法流程图；
图3为对图1的结构施加电压后，石墨烯/六方氮化硼/石墨烯异质结能带示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
10-背面电极，20-衬底，30-绝缘层，40-第一石墨烯层，50-六方氮化硼层，60-第二石墨烯层，70-窗口，80-正面电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1所示，本发明的一些实施例提供一种六方氮化硼紫外光探测器，包括：衬底20；绝缘层30，形成于衬底20的一表面上，在绝缘层30的中间区域设置有延伸至衬底20的窗口70，露出衬底20；第一石墨烯层40，形成于绝缘层20上，且覆盖绝缘层30上窗口70的内表面以及窗口70的外周区域；六方氮化硼层50，原位形成于第一石墨烯层40上；第二石墨烯层60，原位形成于六方氮化硼层50上；正面电极80，形成于窗口70之外的第二石墨烯层上；背面电极10，形成于衬底20的另一表面上。
在本发明的一些实施例中，衬底20的材料为重掺杂的单晶硅或砷化镓；掺杂浓度大于1017cm-3，厚度为100±20微米，以利于电流输运。在本发明的一些实施例中，绝缘层30起到绝缘的作用，绝缘层30的材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为1～500纳米；绝缘层窗口70通过光刻方法刻蚀绝缘层形成，起到了方便后续石墨烯与衬底接触，实现电流输运的作用，如图1所示的绝缘层为方形，边长1-500μm。
在本发明的一些实施例中，如图1所示的该第一石墨烯层40为方形，但并不局限于此，还可为其他形状；第一石墨烯层40为单层、双层或多层(例如3～10层)，主要作用是与六方氮化硼层形成异质结构，从而实现六方氮化硼中光生载流子的快速分离。
在本发明的一些实施例中，六方氮化硼层50的厚度为1～20纳米，六方氮化硼为宽禁带半导体，有很强的光吸收能力，吸收紫外光后产生光生电子空穴对，导电能力增强，实现对紫外光的探测；
在本发明的一些实施例中，第二石墨烯层60为单层、双层或多层(例如3～10层)，第二层石墨烯一方面可以与六方氮化硼形成异质结构，实现载流子的转移，另一方面还可以作为透明电极，在导电的同时减少对紫外光的吸收。
在本发明的一些实施例中，正面电极60为环形电极，内环大于窗口70，由此在制作正面电极60时对衬底20和背面电极10产生较小影响；正面电极60的材料为Ti、Pt、Ni、Ge、Cr、Au、Ag等中的一种或多种，厚度为100～200纳米。
在本发明的一些实施例中，背面电极10的材料为Ti、Pt、Ni、Ge、Cr、Au、Ag等中的一种或多种，厚度为100～200纳米。
请参阅图2并结合参阅图1所示，基于上述的六方氮化硼紫外光探测器，本发明的一些实施例还提供了一种六方氮化硼紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底20的一表面上形成一绝缘层30；
在本发明的一些实施例中，本步骤采用原子层沉积(ALD)或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)方法在重掺杂的单晶硅或GaAs的衬底20上生长绝缘层30，举例而言，其为一层SiO2或Si3N4介质膜30，通过调节生长时间，调节绝缘层厚度为1～500纳米；需要说明的是，ALD和PECVD技术属于公知技术，在此不作赘述。
步骤2：在绝缘层30的中间区域刻蚀至衬底20而形成窗口，露出衬底20；
在本发明的一些实施例中，通过光刻工艺在衬底20上形成图案化的掩模，具体而言，包括在沉积有绝缘层30旋涂一层光刻胶，经前烘、曝光、显影后形成一方形图案，露出绝缘层30，采用干法或湿法刻蚀工艺，将方形图案处的绝缘层30刻蚀去除，去胶后，形成窗口70。
步骤3：通过离子束辅助沉积法在绝缘层30上形成第一石墨烯层40，使第一石墨烯层40覆盖窗口70的内表面以及窗口70外的绝缘层30；
在本发明的一些实施例中，本步骤是将步骤2中所得结构置于一离子束辅助沉积设备中，向离子束辅助沉积设备中通入一定量CH4/H2，在衬底20上生长第一石墨烯层40，覆盖于整个衬底的上方，即其正面。需要说明的是，离子束辅助沉积法相对于化学气相沉积法拓宽了石墨烯生长所使用的基底材料种类，本发明采用离子束辅助沉积法还可以在绝缘衬底上生长出高质量的石墨烯结构，利于原位生长高质量的石墨烯/六方氮化硼/石墨烯结构，避免了传统转移法所带来的异质结界面污染和缺陷问题。
步骤4：通过离子束溅射沉积法在第一石墨烯层40上形成六方氮化硼层50；
在本发明的一些实施例中，本步骤是使用离子束轰击BN靶材，使得溅射出的B和N离子沉积在石墨烯层上，而生长一层六方氮化硅层50。
步骤5：通过离子束辅助沉积法在六方氮化硼层50上形成第二石墨烯层60；
在本发明的一些实施例中，本步骤与步骤3类似，是继续向离子束辅助沉积设备中通入CH4/H2气体，在含有第一石墨烯/六方氮化硼的薄膜上继续生长一层第二石墨烯层60。
需要说明的是，上述步骤3～5可以在同一离子束辅助沉积设备中完成，更有利于避免异质结界面污染和缺陷的问题，而离子束辅助沉积技术属于公知技术，在此不作赘述。
步骤6：刻蚀第一石墨烯层40、六方氮化硼层50和第二石墨烯层60的边缘部分直至绝缘层30，而使第一石墨烯层、六方氮化硼层和第二石墨烯层仅覆盖窗口70的内表面以及窗口70的外周区域；
在本发明的一些实施例中，本步骤具体是通过光刻工艺在第一石墨烯/六方氮化硼/第二石墨烯的上表面形成另一图案化的掩模，具体而言，在上述生长有第一石墨烯/六方氮化硼/第二石墨烯的上表面上旋涂光刻胶，经过光刻显影留下方形光刻胶，面积远大于窗口面积，而露出边缘部分；随后采用干法刻蚀工艺，将未被光刻胶覆盖区域第一石墨烯/六方氮化硼/第二石墨烯刻蚀干净，形成第一石墨烯/六方氮化硼/第二石墨烯异质结。随后对样品进行清洗，去除光刻胶。本步骤中，由于生长的三明治结构的边缘部分一般缺陷较大，导致性能较差，去除后有利于器件性能的提高。
步骤7：在窗口70之外的第二石墨烯层60上形成正面电极80；
在本发明的一些实施例中，本步骤正面电极80为环形电极，更具体为方环形电极，但并不局限于此，还可为其他形状；在经过步骤6处理的结构上表面旋涂光刻胶，经光刻显影后形成方环状图形，环状内部光刻被去除，随后样品被置于电子束蒸发台中，沉积正面金属电极Ti/Pt/Au。采用剥离工艺，去除多余金属，形成正面电极80。随后对样品进行清洗，去除光刻胶。
步骤8：通过机械研磨和化学抛光工艺，自衬底20的另一表面将衬底20厚度减薄；
在发明的一些实施例中，本步骤具体采用光刻胶保护器件正面，采用机械研磨和化学抛光工艺，将衬底厚度减小到100±20微米，以利于电流输运，随后对样品进行清洗，去除正面光刻胶。
步骤9：在衬底20的另一表面上形成背面电极80；
在发明的一些实施例中，将步骤8所得器件置于电子束蒸发台中，在器件衬底20下表面沉积金属电极Ni/Ge/Au，经退火后形成欧姆接触。
对通过上述步骤1～9制得的六方氮化硼紫外光探测器施加栅压后，石墨烯/六方氮化硼/石墨烯异质结能带如图3所示。外加栅压可调控石墨烯的费米能级，实现BN中光生电子、空穴的分离输运。光生载流子产生与输运的空间分离，有助于大幅提高探测器的性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种六方氮化硼紫外光探测器，包括：
衬底；
绝缘层，形成于所述衬底的一表面上，并在所述绝缘层的中间区域设置有延伸至衬底的窗口，露出所述衬底；
第一石墨烯层，形成于所述绝缘层上，且覆盖所述绝缘层上窗口的内表面以及所述窗口的外周区域；
六方氮化硼层，原位形成于所述第一石墨烯层上；
第二石墨烯层，原位形成于所述六方氮化硼层上；
正面电极，形成于所述窗口之外的第二石墨烯层上；
背面电极，形成于所述衬底的另一表面上。
2.根据权利要求1所述的六方氮化硼紫外光探测器，其特征在于，所述衬底的材料为重掺杂的单晶硅或砷化镓衬底，掺杂浓度大于1017cm-3；所述衬底的厚度为100±20微米。
3.根据权利要求1所述的六方氮化硼紫外光探测器，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅；所述绝缘层的厚度为1～500纳米。
4.根据权利要求1所述的六方氮化硼紫外光探测器，其特征在于，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层分别为单层、双层或多层，所述六方氮化硼层的厚度为1～20纳米。
5.根据权利要求1所述的六方氮化硼紫外光探测器，其特征在于，所述正面电极和背面电极的材料分别选自Ti、Pt、Ni、Ge、Cr、Au、Ag中的一种或多种，厚度分别为100～200纳米；所述正面电极为环形电极。
6.一种六方氮化硼紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底的一表面上形成一绝缘层；
步骤2：在所述绝缘层的中间区域刻蚀至衬底而形成窗口，露出所述衬底；
步骤3：通过离子束辅助沉积法在所述绝缘层上形成第一石墨烯层，使所述第一石墨烯层覆盖所述窗口的内表面以及所述窗口外的绝缘层；
步骤4：通过离子束溅射沉积法在所述第一石墨烯层上形成六方氮化硼层；
步骤5：通过离子束辅助沉积法在所述六方氮化硼层上形成第二石墨烯层；
步骤6：刻蚀所述第一石墨烯层、六方氮化硼层和第二石墨烯层的边缘部分直至绝缘层，而使所述第一石墨烯层、六方氮化硼层和第二石墨烯层仅覆盖所述窗口的内表面以及所述窗口的外周区域；
步骤7：在所述窗口之外的第二石墨烯层上形成正面电极；
步骤8：通过机械研磨和化学抛光工艺，自所述衬底的另一表面将衬底厚度减薄；
步骤9：在所述衬底的另一表面上形成背面电极。
7.根据权利要求6所述的六方氮化硼紫外光探测器的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料为重掺杂的单晶硅或砷化镓片，掺杂浓度大于1017cm-3；所述绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅，所述绝缘层的厚度为1～500纳米。
8.根据权利要求6所述的六方氮化硼紫外光探测器的制备方法，其特征在于，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层分别为单层、双层或多层，所述六方氮化硼层的厚度为1～20纳米。
9.根据权利要求6所述的六方氮化硼紫外光探测器的制备方法，其特征在于，所述正面电极和背面电极的材料分别选自Ti、Pt、Ni、Ge、Cr、Au、Ag中的一种或多种，厚度分别为100～200纳米。
10.根据权利要求6所述的六方氮化硼紫外光探测器的制备方法，其特征在于，
步骤1中，通过原子层沉积或等离子体增强化学气相沉积法形成所述绝缘层；
步骤2中，通过光刻工艺并以干法或湿法刻蚀所述绝缘层而形成所述窗口，所述光刻工艺包括涂胶、前烘、曝光和显影；
步骤3和5中，在一离子束辅助沉积设备中通入甲烷/氢气而分别沉积形成所述第一石墨烯层和第二石墨烯层；
步骤4中，在所述离子束辅助沉积设备中使用离子束轰击氮化硼靶材，使溅射出的硼、氮离子在衬底上沉积形成所述六方氮化硼；
步骤6中，通过光刻工艺并以干法刻蚀所述第一石墨烯层、六方氮化硼层和第二石墨烯层的边缘部分；
步骤7和9中，通过电子束蒸发形成所述正面电极和背面电极。
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