CN111933724B - 光电二极管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于光电探测技术领域，提供了一种光电二极管及其制备方法，该方法包括：在衬底上依次制备第一接触层和设置有上电极的台面结构，形成第一样品；在第一样品上生长第一介质层并刻蚀，使在台面结构上表面形成石墨烯场板介质层；将制备的多层石墨烯薄膜转移到石墨烯场板介质层上，形成石墨烯场板，获得第二样品；在第二样品上生长第二介质层并刻蚀，形成石墨烯保护层，获得光电二极管。本发明制备得到具有石墨烯场板的光电二极管，可以使光电二极管的整个光子探测有源区下方的垂直电池均匀分布，使从不同位置入射的光子均可以得到充分的电场加速，进而转化为光电流被检测到，大大提高了光电二极管的探测效率。

Description

光电二极管及其制备方法
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种光电二极管及其制备方法。
背景技术
光电探测技术包括红外光电探测技术、激光探测技术和紫外光电探测技术，其在医学、生物学和军事等领域都具有非常广阔的应用前景，对一个国家的国防和国民经济建设均具有很重要的意义。
其中，光电倍增管(Photo-Multiplier-Tube，PMT)具有体积大、价格昂贵、易碎、需要在高压下工作等缺点，同时利用PMT进行紫外光电探测时，要削弱可见光和红外光对探测紫外光信号的影响，必须要加一个昂贵的滤波器。
4H-SiC光电探测器具有固有的可见盲特性，主流的SiC光电二极管为垂直的PiN结构，上表面吸收紫外光子或红外光子，顶部电极尺寸为了增加有效探测面积，一般不能做得太大，面积过小又使得探测区域的电场分布不均匀，整体探测效率不高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光电二极管方法及其制备方法，以解决现有技术中光电二极管顶部电极既不能做的太大，又不能做的太小，整体探测效率不高的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种光电二极管的制备方法，包括：
在衬底上依次制备第一接触层和台面结构；
在所述第一接触层上除所述台面结构之外区域制备下电极，在所述台面结构上制备上电极，形成第一样品；
在所述第一样品上生长第一介质层，并刻蚀所述第一介质层，使在所述台面结构上表面除所述上电极对应区域形成石墨烯场板介质层；
将制备的多层石墨烯薄膜转移到所述石墨烯场板介质层上，形成石墨烯场板，获得第二样品；
在所述第二样品上生长第二介质层，并刻蚀所述第二介质层，使在所述第一接触层上除所述下电极对应区域、所述台面结构侧壁及所述石墨烯场板上除所述上电极对应区域形成石墨烯保护层，获得光电二极管。
可选的，所述将制备的多层石墨烯薄膜转移到所述石墨烯场板介质层上，形成石墨烯场板，获得第二样品，包括：
基于化学气相沉积技术，在金属衬底上生长多层石墨烯，获得石墨烯样片；
腐蚀掉所述石墨烯样片上的金属衬底，得到多层石墨烯薄膜；
将所述多层石墨烯薄膜转移到所述石墨烯场板介质层，形成石墨烯场板，获得第二样品。
可选的，所述将所述多层石墨烯薄膜转移到所述石墨烯场板介质层，形成石墨烯场板，获得第二样品，包括：
将所述多层石墨烯薄膜转移到形成所述石墨烯场板介质层后的第一样品表面；
基于等离子刻蚀，对所述石墨烯场板介质层上所述台面结构上表面对应区域之外的多层石墨烯薄膜进行刻蚀，形成石墨烯场板，获得第二样品。
可选的，所述金属衬底的材料为铜箔；
所述多层石墨烯薄膜的层数为2～5层，其中，单层石墨烯薄膜的厚度为0.35nm～1nm。
可选的，所述第一介质层的材料为二氧化硅或氮化硅；
所述第一介质层的厚度为200nm～500nm。
可选的，所述第二介质层的材料为二氧化硅；
所述第二介质层的厚度为50nm～100nm。
本发明实施例的第二方面提供了一种光电二极管，包括：
衬底；
在所述衬底上设置的第一接触层，在所述第一接触层上设置的台面结构和下电极，以及在所述台面结构上设置的上电极；
在所述台面结构上除所述上电极之外区域设置的石墨烯场板介质层；
在所述石墨烯场板介质层上所述台面结构上表面对应区域设置的石墨烯场板；
以及在所述第一接触层上除所述下电极之外区域、所述石墨烯场板上除所述上电极之外区域以及所述台面结构的侧壁上设置的石墨烯保护层。
可选的，所述石墨烯场板介质层还设置在所述台面结构的侧壁及所述第一接触层上除所述下电极之外区域。
可选的，所述衬底的材料为碳化硅、硅、氮化镓、氧化镓或氧化锌中的任一种。
可选的，所述石墨烯场板的层数为2～5层，其中，单层石墨烯场板的厚度为0.35nm～1nm。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过在衬底上依次制备第一接触层和台面结构，在第一接触层上除台面结构之外区域制备下电极，在台面结构上制备上电极，形成第一样品；在第一样品上生长第一介质层，并刻蚀第一介质层，使在台面结构上表面除上电极对应区域形成石墨烯场板介质层；将制备的多层石墨烯薄膜转移到石墨烯场板介质层上，形成石墨烯场板，获得第二样品；在第二样品上生长台面结构侧壁及第二介质层，并刻蚀第二介质层，使在第一接触层上除下电极对应区域、石墨烯场板上除上电极对应区域形成石墨烯保护层，获得的光电二极管，可以利用石墨烯场板覆盖光电二极管的整个光子探测有源区，使得整个光子探测有源区下方的垂直电场均匀分布，使从表面不同位置入射的光子，均可以得到充分的电场加速，进而转化为光电流被最终检测到，从而能够大幅度提高光电二极管的探测效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的光电二极管的制备方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的在衬底上依次制备第一接触层和台面结构的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的第一样品的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的在第一样品上形成石墨烯场板介质层的结构示意图；
图5是本发明另一实施例提供的在第一样品上形成石墨烯场板介质层的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的第二样品的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的光电二极管的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的光电二极管的制备方法的实现流程示意图，详述如下。
步骤S101，在衬底上依次制备第一接触层和台面结构。
参见图2，其中，第一接触层101用于与下电极接触形成欧姆接触电极，台面结构可以包括中间层102和第二接触层103，第二接触层103用于与上电极接触形成欧姆接触电极。
可选的，在衬底100上依次制备第一接触层101和台面结构，可以包括：在衬底100上依次生长第一接触层101、中间层102和第二接触层103，对中间层102和第二接触层103进行刻蚀，形成台面结构。
其中，对中间层102和第二接触层103进行刻蚀时，可以先在第二接触层103表面旋涂一层抗刻蚀光刻胶，例如4620或SU8光刻胶，通过接触式光刻曝光、显影形成台面图形，获得光刻胶掩膜。通过光刻胶掩膜掩盖不需要刻蚀的第二接触层103和中间层102，然后对未被光刻胶掩膜覆盖的第二接触层103和中间层102进行刻蚀，形成台面结构。
其中，一般在第一接触层101的中间位置形成台面结构，可以采用等离子干法刻蚀对未被光刻胶掩膜覆盖的第二接触层103和中间层102进行刻蚀，刻蚀气体可以为O2或SF6。利用刻蚀气体对第二接触层103和中间层102刻蚀一定时间，直到露出外侧的第一接触层101，形成需要的台面结构后即可停止刻蚀。
可选的，还可以通过抗刻蚀的金属或者介质材料形成刻蚀掩膜，通过刻蚀掩膜掩盖不需要刻蚀的第二接触层和中间层。代表性的抗刻蚀的金属可以为Ni或Al等，代表性的抗刻蚀的介质材料例如SiO2或SiN等。
通过在衬底上依次制备第一接触层和台面结构，可以形成光电二极管器件间的隔离。
步骤S102，在第一接触层上除台面结构之外区域制备下电极，在台面结构上制备上电极，形成第一样品。
可选的，参见图3，在衬底100上依次制备第一接触层101和台面结构之后，可以在第一接触层101上除台面结构之外区域制备下电极104，在台面结构上制备上电极105，形成第一样品。
其中，台面结构一般包括中间层102和第二接触层103，可以在台面结构中的第二接触层103上制备上电极105。
可选的，制备上电极105和下电极104时，可以一次性制备上电极和下电极，也可以分别制备上电极和下电极。
作为本发明的一实施例，可以先在第一接触层101上除台面结构之外区域和台面结构上表面旋涂单层光刻胶或者多层光刻胶，对单层光刻胶或者多层光刻胶进行曝光显影，获得上电极图形和下电极图形，再采用电子束蒸发的方法，在对应的上电极位置和下电极位置蒸发一定厚度的金属叠层，例如Ni/Ti/Al/Au或Ti/Al/Pt/Au等，其中，对应金属叠层的厚度可以为50/100/200/150nm。然后经过剥离工艺得到上电极和下电极，分别作为光电二极管的阴极电极和阳极电极，最后采用快速退火工艺形成阴极电极和阳极电极的欧姆接触，获得第一样品。其中，退火的温度范围可以为800℃～1000℃，退火的时间可以为2min～5min。
步骤S103，在第一样品上生长第一介质层，并刻蚀第一介质层，使在台面结构上表面除上电极对应区域形成石墨烯场板介质层。
可选的，参见图4和图5，可以采用等离子增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)技术或原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)技术在第一样品上生长第一介质层，对台面结构之外区域及台面结构上电极105对应区域的第一介质层进行刻蚀，形成石墨烯场板介质层106。
其中，可以采用干法刻蚀的方法对第一介质层进行刻蚀，对台面结构之外区域及台面结构上电极对应区域的第一介质层进行刻蚀的目的在于将第一接触层上的下电极和台面结构上的上电极暴露出来，如图5所述，也可以保留台面结构侧壁的第一介质层，以及第一接触层的下电极之外区域的部分第一介质层，以便于后续多层石墨烯薄膜的转移。其中，只要第一接触层101的下电极104不与第一介质层接触即可。
可选的，第一介质层的材料可以为表面疏水的SiO2或SiN等，第一介质层的厚度可以为200nm～500nm。其中，表面疏水的第一介质层可以和后续转移的多层石墨烯薄膜形成良好的物理吸附，便于多层石墨烯薄膜的转移。
步骤S104，将制备的多层石墨烯薄膜转移到石墨烯场板介质层上，形成石墨烯场板，获得第二样品。
可选的，可以基于化学气相沉积技术，在金属衬底上生长多层石墨烯，获得石墨烯样片；腐蚀掉石墨烯样片上的金属衬底，得到多层石墨烯薄膜；将多层石墨烯薄膜转移到石墨烯场板介质层，形成石墨烯场板，获得第二样品。
其中，基于化学气相沉积技术制备多层石墨烯薄膜的反应源可以为CH4、H2和Ar，生长温度可以为1000℃，可以在铜箔衬底上生长多层石墨烯薄膜，在多层石墨烯薄膜表面旋涂一定厚度的光刻胶，获得石墨烯样片，然后将石墨烯样片放在腐蚀溶液中腐蚀掉石墨烯样片上的金属衬底，例如FeCl3溶液中。多层石墨烯薄膜及其表面的光刻胶会从金属衬底表面脱落，然后将其捞出，转移至石墨烯场板介质层表面，石墨烯场板介质层和多层石墨烯薄膜形成牢固的物理吸附，同时部分多层石墨烯薄膜会与台面结构上的上电极实现电学接触形成石墨烯场板，获得如图6所示的第二样品。
其中，基于化学气相沉积技术生长的多层石墨烯薄膜可以为2～5层，一般情况下，单层石墨烯薄膜的厚度为0.35nm～1nm。
其中，石墨烯材料具有超高透光性以及良好的导电性，透明的石墨烯场板与台面结构上的上电极实现电学接触，且覆盖整个光子探测有源区，可以使整个光子探测有源区下方的垂直电场均匀分布，光子从表面不同位置入射后，均可以得到充分的电场加速，进行转换为光电流被检测到，从而大幅度提高光电二极管的探测效率。同时，基于化学气相沉积法生长多层石墨烯薄膜，并转移至石墨烯场板介质层表面，技术可行性强且成本较低。
可选的，可以将多层石墨烯薄膜转移到形成石墨烯场板介质层后的第一样品表面；基于等离子刻蚀，对石墨烯场板介质层上台面结构上表面对应区域之外的多层石墨烯薄膜进行刻蚀，形成石墨烯场板，获得第二样品。
步骤S105，在第二样品上生长第二介质层，并刻蚀第二介质层，使在第一接触层上除下电极对应区域、台面结构侧壁及石墨烯场板上除上电极对应区域形成石墨烯保护层，获得光电二极管。
可选的，参见图7，可以采用原子层沉积技术热沉积方法生长第二介质层，避免石墨烯场板107的损伤，经过湿法腐蚀去除第一接触层101表面下电极104对应区域及石墨烯场板107表面上电极105对应区域的第二介质层，使第一接触层101表面下电极104不与第二介质层相接触，形成石墨烯保护层108，获得光电二极管。
可选的，第二介质层的材料可以为高质量的SiO2薄膜，第二介质层的厚度一般控制在50nm～100nm范围内。
其中，经过刻蚀后的第二介质层形成的石墨烯保护层除保护石墨烯场板不被氧化腐蚀外，还可以作为增透膜，进一步提高光电二极管的光子探测效率。
上述光电二极管的制备方法，通过在衬底上依次制备第一接触层和台面结构，在第一接触层上除台面结构之外区域制备下电极，在台面结构上制备上电极，形成第一样品；在第一样品上生长第一介质层，并刻蚀第一介质层，使在台面结构上表面除上电极对应区域形成石墨烯场板介质层；将制备的多层石墨烯薄膜转移到石墨烯场板介质层上，形成石墨烯场板，获得第二样品；在第二样品上生长台面结构侧壁及第二介质层，并刻蚀第二介质层，使在第一接触层上除下电极对应区域、石墨烯场板上除上电极对应区域形成石墨烯保护层，获得光电二极管。其中，石墨烯场板介质层可以与后续转移的多层石墨烯薄膜形成良好的物理吸附，便于多层石墨烯薄膜的转移；石墨烯场板可以覆盖光电二极管的整个光子探测有源区，使得整个光子探测有源区下方的垂直电场分布均匀，进而使入射的光子均可以得到充分的电场加速，转化为光电流被检测到，从而大幅度提高光电二极管的探测效率。石墨烯保护层可以在保护石墨烯场板不被氧化的同时，作为增透膜层进一步提高光电二极管的探测效率。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的光电二极管的制备方法，图7示出了本发明实施例提供的光电二极管的结构示意图。如图7所示，该光电二极管可以包括：衬底100；在衬底100上设置的第一接触层101，在第一接触层101上设置的台面结构和下电极104，以及在台面结构上设置的上电极105；在台面结构上除上电极105之外区域设置的石墨烯场板介质层106；在石墨烯场板介质层106上台面结构上表面对应区域设置的石墨烯场板107；以及在第一接触层101上除下电极104之外区域、石墨烯场板107上除上电极105之外区域以及台面结构的侧壁上设置的石墨烯保护层108。
其中，第一接触层101、包括中间层102和第二接触层103的台面结构可以形成PIN结构、NIP结构或分离吸收层与倍增层(Separate Absorption And Multiplication，SAM)结构。
可选的，制备光电二极管的衬底101可以为碳化硅、硅、氮化镓、氧化镓或氧化锌。
作为本发明的一实施例，当制备光电二极管的衬底101为碳化硅时，第一接触层101、包括中间层102和第二接触层103的台面结构从下到上依次可以为n型重掺杂SiC衬底100，p型SiC重掺杂第一接触层101，本征SiC中间层102以及n型SiC重掺杂第二接触层103，形成PIN结构，进而可以制备得到探测效率大大提高的紫外光电二极管。
作为本发明的另一实施例，当制备光电二极管的衬底101为碳化硅时，第一接触层101、包括中间层102和第二接触层103的台面结构从下到上依次可以为n型重掺杂SiC衬底100、p型重掺杂SiC第一接触层101、n型轻掺杂SiC吸收层和n型次轻掺杂SiC倍增层形成的中间层102，以及n型重掺杂SiC第二接触层102，形成SAM结构，进而可以制备得到探测效率大大提高的紫外光电二极管。
可选的，结合图5，石墨烯场板介质层106还可以设置在台面结构的侧壁及第一接触层101上除下电极104之外的区域，只要第一接触层101的下电极104不与第一介质层接触即可。
可选的，本发明实施例提供的光电二极管中石墨烯场板107的层数可以为2～5层，其中，单层石墨烯场板的厚度为0.35nm～1nm。
可选的，第一介质层的材料可以为表面疏水的SiO2或SiN等，第一介质层的厚度可以为200nm～500nm。其中，表面疏水的第一介质层可以和后续转移的多层石墨烯薄膜形成良好的物理吸附，便于多层石墨烯薄膜的转移。
可选的，第二介质层的材料可以为高质量的SiO2薄膜，第二介质层的厚度一般控制在50nm～100nm范围内。其中，经过刻蚀后的第二介质层形成的石墨烯保护层除保护石墨烯场板不被氧化腐蚀外，还可以作为增透膜层，进一步提高光电二极管的光子探测效率。
上述光电二极管，通过设置石墨烯场板介质层，便于在形成石墨烯场板介质层后的第一样品表面转移多层石墨烯薄膜；通过多层石墨烯薄膜形成的石墨烯场板，可以覆盖光电二极管的整个光子探测有源区，使得整个光子探测有源区下方的垂直电场分布均匀，进而使入射的光子均可以得到充分的电场加速，转化为光电流被检测到，从而大幅度提高光电二极管的探测效率；通过设置石墨烯保护层，在保护石墨烯场板不被氧化腐蚀的同时，还可以作为增透膜层，进一步提高光电二极管的光子探测效率。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电二极管的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次制备第一接触层和台面结构；
在所述第一接触层上除所述台面结构之外区域制备下电极，在所述台面结构上制备上电极，形成第一样品；
在所述第一样品上生长第一介质层，并刻蚀所述第一介质层，使在所述台面结构上表面除所述上电极对应区域形成石墨烯场板介质层；
将制备的多层石墨烯薄膜转移到所述石墨烯场板介质层和所述上电极上，形成石墨烯场板，获得第二样品，以通过所述石墨烯场板覆盖所述台面结构对应的整个光子探测有源区；
在所述第二样品上生长第二介质层，并刻蚀所述第二介质层，使在所述第一接触层上除所述下电极对应区域、所述台面结构侧壁及所述石墨烯场板上除所述上电极对应区域形成石墨烯保护层，获得光电二极管。
2.如权利要求1所述的光电二极管的制备方法，其特征在于，所述将制备的多层石墨烯薄膜转移到所述石墨烯场板介质层和所述上电极上，形成石墨烯场板，获得第二样品，包括：
基于化学气相沉积技术，在金属衬底上生长多层石墨烯，获得石墨烯样片；
腐蚀掉所述石墨烯样片上的金属衬底，得到多层石墨烯薄膜；
将所述多层石墨烯薄膜转移到所述石墨烯场板介质层和所述上电极上，形成石墨烯场板，获得第二样品。
3.如权利要求2所述的光电二极管的制备方法，其特征在于，所述将所述多层石墨烯薄膜转移到所述石墨烯场板介质层和所述上电极上，形成石墨烯场板，获得第二样品，包括：
将所述多层石墨烯薄膜转移到形成所述石墨烯场板介质层后的第一样品表面；
基于等离子刻蚀，对所述石墨烯场板介质层和所述上电极上所述台面结构上表面对应区域之外的多层石墨烯薄膜进行刻蚀，形成石墨烯场板，获得第二样品。
4.如权利要求2或3所述的光电二极管的制备方法，其特征在于，
所述金属衬底的材料为铜箔；
所述多层石墨烯薄膜的层数为2~5层，其中，单层石墨烯薄膜的厚度为0.35nm~1nm。
5.如权利要求1-3中任一项所述的光电二极管的制备方法，其特征在于，
所述第一介质层的材料为二氧化硅或氮化硅；
所述第一介质层的厚度为200nm~500nm。
6.如权利要求1-3中任一项所述的光电二极管的制备方法，其特征在于，
所述第二介质层的材料为二氧化硅；
所述第二介质层的厚度为50nm~100nm。
7.一种光电二极管，其特征在于，包括：
衬底；
在所述衬底上设置的第一接触层，在所述第一接触层上设置的台面结构和下电极，以及在所述台面结构上设置的上电极；
在所述台面结构上除所述上电极之外区域设置的石墨烯场板介质层；
在所述石墨烯场板介质层和所述上电极上所述台面结构上表面对应区域设置的石墨烯场板；所述石墨烯场板覆盖所述台面结构对应的整个光子探测有源区；
以及在所述第一接触层上除所述下电极之外区域、所述石墨烯场板上除所述上电极之外区域以及所述台面结构的侧壁上设置的石墨烯保护层。
8.如权利要求7所述的光电二极管，其特征在于，
所述石墨烯场板介质层还设置在所述台面结构的侧壁及所述第一接触层上除所述下电极之外区域。
9.如权利要求7或8所述的光电二极管，其特征在于，
所述衬底的材料为碳化硅、硅、氮化镓、氧化镓或氧化锌中的任一种。
10.如权利要求7所述的光电二极管，其特征在于，
所述石墨烯场板的层数为2~5层，其中，单层石墨烯场板的厚度为0.35nm~1nm。
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