CN111933740A - 紫外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，提供了一种紫外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台面结构，并在第一接触层上除台面结构之外区域制备下电极，形成第一样品；将制备的多层石墨烯薄膜转移到第一样品表面并刻蚀，在台面结构表面区域形成石墨烯透明电极；在形成石墨烯透明电极后的第一样品表面上生长第一介质层并刻蚀，形成石墨烯保护层；刻蚀石墨烯透明电极上的第一介质层，获得上电极对应区域，并在石墨烯透明电极上的上电极对应区域制备上电极，获得紫外光电二极管。本发明通过石墨烯透明电极，有利于拓展整个光子探测有源区下方的电场分布，进而大幅度提高紫外光电二极管的探测效率。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种紫外光电二极管及其制备方法。
背景技术
紫外光电探测器是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一重要的光电探测技术，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紫外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，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紫外光电二极管及其制备方法，以解决现有技术中紫外光电探测器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紫外光电二极管及其制备方法，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，形成第一样品；
将制备的多层石墨烯薄膜转移到所述第一样品表面，并刻蚀所述多层石墨烯薄膜，使在所述台面结构表面区域形成石墨烯透明电极；
在形成所述石墨烯透明电极后的第一样品表面上生长第一介质层，并刻蚀所述第一介质层，使在所述第一接触层上除所述下电极对应区域、所述石墨烯透明电极上及所述台面结构侧壁形成石墨烯保护层；
刻蚀所述石墨烯透明电极上的第一介质层，获得上电极对应区域，并在所述石墨烯透明电极上所述上电极对应区域制备上电极，获得紫外光电二极管。
可选的，所述将制备的多层石墨烯薄膜转移到所述第一样品表面，并刻蚀所述多层石墨烯薄膜，使在所述台面结构表面区域形成石墨烯透明电极，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第一样品表面，并刻蚀所述多层石墨烯薄膜，使在所述台面结构表面区域形成石墨烯透明电极。
可选的，所述将所述多层石墨烯薄膜转移到所述第一样品表面，并刻蚀所述多层石墨烯薄膜，使在所述台面结构表面区域形成石墨烯透明电极，包括：
将所述多层石墨烯薄膜转移到所述第一样品表面；
基于等离子刻蚀，对所述台面结构表面区域之外的多层石墨烯薄膜进行刻蚀，形成石墨烯透明电极。
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；
所述第一介质层的厚度为50nm～100nm。
可选的，所述在衬底上依次制备第一接触层和台面结构，包括：
在衬底上依次生长第一接触层、中间层和第二接触层；
基于对位标记对所述中间层和所述第二接触层进行刻蚀，在所述第一接触层上形成所述台面结构。
本发明实施例的第二方面提供了一种紫外光电二极管，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；
在所述台面结构上设置的石墨烯透明电极；
在所述石墨烯透明电极上设置的上电极；
以及，在所述第一接触层上除所述下电极对应区域、所述台面结构侧壁以及所述石墨烯透明电极上除所述上电极对应区域设置的石墨烯保护层。
可选的，所述石墨烯透明电极的层数为2～5层，其中，单层石墨烯电极的厚度为0.35nm～1nm。
可选的，所述衬底的材料为碳化硅，所述第一接触层和所述台面结构形成PIN结构、NIP结构或SAM结构。
可选的，所述石墨烯透明电极覆盖所述台面结构上表面；
所述石墨烯保护层与所述第一接触层上的所述下电极相隔预设距离。
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，形成第一样品；将制备的多层石墨烯薄膜转移到第一样品表面，并刻蚀多层石墨烯薄膜，使在台面结构表面区域形成石墨烯透明电极；在形成石墨烯透明电极后的第一样品表面上生长第一介质层并刻蚀，使在第一接触层上除下电极对应区域、石墨烯透明电极上及台面结构侧壁形成石墨烯保护层；刻蚀石墨烯透明电极上的第一介质层，获得上电极对应区域，并在石墨烯透明电极上的上电极对应区域制备上电极，获得具有石墨烯透明电极的紫外光电二极管。具有石墨烯透明电极的紫外光电二极管工作时，可以利用石墨烯透明电极拓展整个光子探测有源区下方的电场分布，使整个光子探测有源区的电场分布更加均匀，从而能够大幅度提高紫外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紫外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形成石墨烯透明电极的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的形成石墨烯保护层的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的制备紫外光电二极管的流程示意图。
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紫外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。
可选的，参见图2，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，基于对位标记对中间层102和第二接触层103进行刻蚀，在第一接触层101上形成台面结构。
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表面旋涂一层光刻胶，曝光显影后采用电子束蒸发一定厚度金属，剥离不需要的金属后得到对位标记，然后根据对位标记，再在第二接触层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，可以形成紫外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，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，形成第一样品。
其中，在第一接触层101上除台面结构之外区域制备下电极104时，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的上表面上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，获得下电极图形，再采用电子束蒸发的方法，在对应的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下电极104，作为紫外光电二极管的阴极电极，最后采用快速退火工艺形成阴极电极和第一接触层101之间的欧姆接触，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，将制备的多层石墨烯薄膜转移到第一样品表面，并刻蚀多层石墨烯薄膜，使在台面结构表面区域形成石墨烯透明电极。
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第一样品表面，并刻蚀多层石墨烯薄膜，使在台面结构表面区域形成石墨烯透明电极。
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，转移至第一样品表面，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。
可选的，参见图4，可以将多层石墨烯薄膜转移到第一样品表面；基于等离子刻蚀，对台面结构表面区域之外的多层石墨烯薄膜进行刻蚀，形成石墨烯透明电极105。
由于石墨烯材料具有超高透光性以及良好的导电性，形成的石墨烯透明电极105有利于拓展整个光子探测有源区下方的电场分布，可以使整个光子探测有源区的电场分布更加均匀，从而大幅度提高紫外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，并转移至第一样品表面，技术可行性强且成本较低。
步骤S104，在形成石墨烯透明电极后的第一样品表面上生长第一介质层，并刻蚀第一介质层，使在第一接触层上除下电极对应区域、石墨烯透明电极上及台面结构侧壁形成石墨烯保护层。
可选的，参见图5，可以采用原子层沉积技术热沉积方法生长第一介质层，避免石墨烯透明电极105的损伤，经过湿法腐蚀去除第一接触层101表面下电极104对应区域的第一介质层，使第一接触层101表面下电极104不与第一介质层相接触，形成石墨烯保护层106。
可选的，第一介质层的材料可以为高质量的SiO2薄膜，第一介质层的厚度一般控制在50nm～100nm范围内。
其中，经过刻蚀后的第一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，进一步提高紫外光电二极管的光子探测效率。
步骤S105，刻蚀石墨烯透明电极上的第一介质层，获得上电极对应区域，并在石墨烯透明电极上的上电极对应区域制备上电极，获得紫外光电二极管。
参见图6，可以先对石墨烯透明电极上的第一介质层进行刻蚀，获得上电极对应区域，并在石墨烯透明电极上的上电极对应区域制备上电极，制备上电极的方法与制备下电极的方法类似，在此不再赘述。制备的上电极作为接触电极，与石墨烯透明电极结合，便于石墨烯透明电极拓展整个光子探测有源区下方的电场分布，使整个光子探测有源区的电场分布更加均匀，从而大幅度提高紫外光电二极管的探测效率。
上述紫外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，形成第一样品；将制备的多层石墨烯薄膜转移到第一样品表面，并刻蚀多层石墨烯薄膜，使在台面结构表面区域形成石墨烯透明电极；在形成石墨烯透明电极后的第一样品表面上生长第一介质层并刻蚀，使在第一接触层上除下电极对应区域、石墨烯透明电极上及台面结构侧壁形成石墨烯保护层；刻蚀石墨烯透明电极上的第一介质层，获得上电极对应区域，并在石墨烯透明电极上的上电极对应区域制备上电极，获得具有石墨烯透明电极的紫外光电二极管。具有石墨烯透明电极的紫外光电二极管工作时，可以利用石墨烯透明电极拓展整个光子探测有源区下方的电场分布，使整个光子探测有源区的电场分布更加均匀，从而能够大幅度提高紫外光电二极管的探测效率，经过刻蚀后的第一介质层形成的石墨烯保护层，可以在保护石墨烯场板不被氧化腐蚀的同时，作为增透膜进一步提高紫外光电二极管的光子探测效率。
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紫外光电二极管的制备方法，图6示出了本发明实施例提供的紫外光电二极管的示例图。如图6所示，该紫外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；在台面结构上设置的石墨烯透明电极105；在石墨烯透明电极105上设置的上电极107；以及在第一接触层101上除下电极104对应区域、台面结构侧壁以及石墨烯透明电极105上除上电极107对应区域设置的石墨烯保护层106。
可选的，制备透明电极光电二极管的衬底101可以为碳化硅。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。
作为本发明的一实施例，当第一接触层101、包括中间层102和第二接触层103的台面结构从下到上形成PIN结构时，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，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形成SAM结构时，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，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，本发明实施例提供的紫外光电二极管中石墨烯透明电极105的层数可以为2～5层，其中，单层石墨烯透明电极的厚度可以为0.35nm～1nm。
可选的，本发明实施例提供的紫外光电二极管中的石墨烯透明电极105覆盖台面结构上表面。
可选的，石墨烯保护层的材料可以为高质量的SiO2薄膜，石墨烯保护层的厚度一般控制在50nm～100nm范围内。其中，通过刻蚀第一介质层形成的石墨烯保护层一般与第一接触层上的下电极相隔预设距离，不相互接触。形成的石墨烯保护层除保护石墨烯透明电极不被氧化腐蚀外，还可以作为增透膜层，进一步提高紫外光电二极管的光子探测效率。
上述紫外光电二极管，通过设置石墨烯透明电极，结合上电极，便于拓展整个光子探测有源区下方的电场分布，使整个光子探测有源区的电场分布更加均匀，从而能够大幅度提高紫外光电二极管的探测效率。通过设置石墨烯保护层，可以在保护石墨烯场板不被氧化腐蚀的同时，作为增透膜层，进一步提高紫外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)
1.一种紫外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，形成第一样品；
将制备的多层石墨烯薄膜转移到所述第一样品表面，并刻蚀所述多层石墨烯薄膜，使在所述台面结构表面区域形成石墨烯透明电极；
在形成所述石墨烯透明电极后的第一样品表面上生长第一介质层，并刻蚀所述第一介质层，使在所述第一接触层上除所述下电极对应区域、所述石墨烯透明电极上及所述台面结构侧壁形成石墨烯保护层；
刻蚀所述石墨烯透明电极上的第一介质层，获得上电极对应区域，并在所述石墨烯透明电极上所述上电极对应区域制备上电极，获得紫外光电二极管。
2.如权利要求1所述的紫外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第一样品表面，并刻蚀所述多层石墨烯薄膜，使在所述台面结构表面区域形成石墨烯透明电极，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第一样品表面，并刻蚀所述多层石墨烯薄膜，使在所述台面结构表面区域形成石墨烯透明电极。
3.如权利要求2所述的紫外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第一样品表面，并刻蚀所述多层石墨烯薄膜，使在所述台面结构表面区域形成石墨烯透明电极，包括：
将所述多层石墨烯薄膜转移到所述第一样品表面；
基于等离子刻蚀，对所述台面结构表面区域之外的多层石墨烯薄膜进行刻蚀，形成石墨烯透明电极。
4.如权利要求2或3所述的紫外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中任一项所述的紫外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；
所述第一介质层的厚度为50nm～100nm。
6.如权利要求1-3中任一项所述的紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，所述在衬底上依次制备第一接触层和台面结构，包括：
在衬底上依次生长第一接触层、中间层和第二接触层；
基于对位标记对所述中间层和所述第二接触层进行刻蚀，在所述第一接触层上形成所述台面结构。
7.一种紫外光电二极管，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；
在所述台面结构上设置的石墨烯透明电极；
在所述石墨烯透明电极上设置的上电极；
以及，在所述第一接触层上除所述下电极对应区域、所述台面结构侧壁以及所述石墨烯透明电极上除所述上电极对应区域设置的石墨烯保护层。
8.如权利要求7所述的紫外光电二极管，其特征在于，所述石墨烯透明电极的层数为2～5层，其中，单层石墨烯电极的厚度为0.35nm～1nm。
9.如权利要求7或8所述的紫外光电二极管，其特征在于，所述衬底的材料为碳化硅，所述第一接触层和所述台面结构形成PIN结构、NIP结构或SAM结构。
10.如权利要求7或8所述的紫外光电二极管，其特征在于，
所述石墨烯透明电极覆盖所述台面结构上表面；
所述石墨烯保护层与所述第一接触层上的所述下电极相隔预设距离。
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