CN113284959A - 一种石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，属于光电探测技术领域，包括衬底，在所述衬底的上表面依次形成的半导体吸收层、介电层和金属上电极，在所述衬底的下表面依次形成的石墨烯插入层和金属下电极。本发明中石墨烯插入层促进了碳复合物的形成，将欧姆电极的退火温度降低至400℃，减小了在传统欧姆接触形成需在880℃下退火的限制，减小了高温退火对碳化硅外延层中杂质的激活作用，从而优化了探测器欧姆接触特性和漏电特性；同时基于石墨烯的费米能级可调性能，实现石墨烯/碳化硅高的界面内建电场，提高载流子分离输运，优化探测器的能量分辨率。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，特别涉及一种石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器。
背景技术
宽禁带基的高能量分辨率的电离辐射探测器，其中的宽禁带材料，尤其是SiC及金刚石具有强度高、耐腐蚀、化学惰性、高热导率和低热膨胀系数的特点。这些优点使其成为在传统半导体探测器不能应用的高温和高辐射条件下的替代者。但是传统的欧姆电极制备技术具有相对较高的温度，相对过高的退火温度激发半导体外延层中的杂质并使杂质成为散射中心，暗电流较大，探测效率较低，从而影响探测器的器件性能。
因此，急需研究宽禁带半导体辐射探测器的优化结构，降低欧姆电极的退火温度，减小或避免过高的退火温度激发半导体外延层中的杂质的现象出现，提高探测器的器件性能。
发明内容
有鉴如此，本发明的目的是提供一种石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，石墨烯插入层促进了碳复合物的形成，将欧姆电极的退火温度降低至400℃，减小了在传统欧姆接触形成需在880℃下退火的限制，减小了高温退火对碳化硅外延层中杂质的激活作用，从而优化了探测器欧姆接触特性和漏电特性。同时基于石墨烯的费米能级可调性能，实现石墨烯/碳化硅高的界面内建电场，提高载流子分离输运，优化探测器的能量分辨率。
为实现上述目的，本发明提供一种石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，包括衬底，在所述衬底的上表面依次形成的半导体吸收层、介电层和金属上电极，在所述衬底的下表面依次形成的石墨烯插入层和金属下电极。
进一步地，所述石墨烯插入层的厚度为1-100nm。
进一步地，所述半导体吸收层的材料为SiC、GaN、ZnO、金刚石中任意一种。
进一步地，所述半导体吸收层的结构为PN结结构、PIN结结构或肖特基结构中的任意一种。
进一步地，所述介电层的材料为SiO2、Al2O3、TiO2中的任意一种。
进一步地，所述介电层的厚度为1-500nm。
进一步地，所述金属下电极的材料为Ti、Al、Ni、Au中的任意一种。
进一步地，所述金属下电极的接触类型为欧姆接触。
进一步地，所述石墨烯插入层的制备方法为碳化硅热分解法，或湿法转移CVD石墨烯法，或涂覆石墨烯溶液法；所述涂覆石墨烯溶液法为旋涂石墨烯溶液法，或滴涂石墨烯溶液法，或喷涂石墨烯溶液法。
进一步地，碳化硅热分解法适用于所述半导体吸收层的材料为SiC的探测器。
本发明采用上述技术方案的优点是：
(1)石墨烯促进了碳复合物的形成，降低了退火温度。形成欧姆接触电极时由于退火温度低，可以减小相对过高的退火温度激发半导体外延层中的杂质并使杂质成为散射中心的影响，有效地降低暗电流，从而优化了探测器器件性能。
(2)石墨烯的费米能级在外加偏压下可调节，在反向偏压下石墨烯插入层内表面势垒增大，降低暗电流，促进载流子分离，提高能量分辨率，优化器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器的结构示意图；
图2是本发明中石墨烯优化肖特基型宽禁带半导体辐射探测器的结构示意图；
图3是本发明中石墨烯优化PIN结型宽禁带半导体辐射探测器的结构示意图；
图4是本发明中石墨烯优化PN结型宽禁带半导体辐射探测器的结构示意图；
附图标记说明：1-衬底；2-半导体吸收层；3-介电层；4-金属上电极；5-石墨烯插入层；6-金属下电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，包括衬底1，在所述衬底1的上表面依次形成的半导体吸收层2、介电层3和金属上电极4，在所述衬底1的下表面依次形成的石墨烯插入层5和金属下电极6。
如图2-4所示，对于半导体吸收层2的结构可以选择为PN结结构、PIN结结构或肖特基结构中的任意一种。
其中，所述石墨烯插入层5的厚度优选为1-100nm。所述半导体吸收层2的材料优选为SiC、GaN、ZnO、金刚石等宽禁带半导体材料中任意一种。所述介电层3的材料优选为SiO2、Al2O3、TiO2等介电材料中的任意一种，厚度优选为1-500nm。所述金属下电极6的材料为Ti、Al、Ni、Au中的任意一种，所述金属下电极6的接触类型为欧姆接触。衬底1可以选择为能满足辐射吸收层生长的任意基底材料。
所述石墨烯插入层5的制备方法可选择为碳化硅热分解法，或湿法转移CVD石墨烯法，或涂覆石墨烯溶液法；所述涂覆石墨烯溶液法为旋涂石墨烯溶液法，或滴涂石墨烯溶液法，或喷涂石墨烯溶液法。其中，碳化硅热分解法主要应用于所述半导体吸收层2的材料为SiC的探测器；湿法转移CVD石墨烯法，可以应用于任何材料的辐射探测器，例如SiC、GaN、ZnO、金刚石辐射探测器；旋涂/滴涂/喷涂石墨烯溶液法，可以应用于任何材料的辐射探测器，例如SiC、GaN、ZnO、金刚石辐射探测器。
在一优选实施例中，石墨烯优化肖特基型宽禁带半导体辐射探测器，衬底1为导电碳化硅衬底，肖特基型SiC外延结构的半导体吸收层2制备在导电碳化硅衬底1上；在半导体吸收层2上表面化学气相沉积法沉积一层SiO2介电层3；再在介电层3的上表面利用电子束蒸发和热蒸发工艺形成金属上电极4；利用湿法转移CVD石墨烯于导电碳化硅衬底1下表面，形成石墨烯插入层5；金属下电极6为Ti/Al/Ti/Au欧姆电极利用电子束蒸发和热蒸发工艺在石墨烯插入层5下表面形成，并进行退火操作，使金属下电极6稳定形成。
本发明的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，主要包括依次形成于衬底上方的半导体吸收层和介电层、金属上电极以及形成于衬底下方具有降低退火温度作用的石墨烯插入层以及金属下电极，具有以下有益效果：
(1)石墨烯促进了碳复合物的形成，降低了退火温度。形成欧姆接触电极时由于退火温度低，可以减小相对过高的退火温度激发半导体外延层中的杂质并使杂质成为散射中心的影响，有效地降低暗电流，从而优化了探测器器件性能。
(2)石墨烯的费米能级在外加偏压下可调节，在反向偏压下石墨烯插入层内表面势垒增大，降低暗电流，促进载流子分离，提高能量分辨率，优化器件性能。
当然本发明的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (10)
1.一种石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，包括衬底，在所述衬底的上表面依次形成的半导体吸收层、介电层和金属上电极，在所述衬底的下表面依次形成的石墨烯插入层和金属下电极。
2.根据权利要求1所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，所述石墨烯插入层的厚度为1-100nm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，所述半导体吸收层的材料为SiC、GaN、ZnO、金刚石中任意一种。
4.根据权利要求1所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，所述半导体吸收层的结构为PN结结构、PIN结结构或肖特基结构中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，所述介电层的材料为SiO2、Al2O3、TiO2中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，所述介电层的厚度为1-500nm。
7.根据权利要求1所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，所述金属下电极的材料为Ti、Al、Ni、Au中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，所述金属下电极的接触类型为欧姆接触。
9.根据权利要求1所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，所述石墨烯插入层的制备方法为碳化硅热分解法，或湿法转移CVD石墨烯法，或涂覆石墨烯溶液法；所述涂覆石墨烯溶液法为旋涂石墨烯溶液法，或滴涂石墨烯溶液法，或喷涂石墨烯溶液法。
10.根据权利要求9所述的石墨烯优化宽禁带半导体辐射探测器，其特征在于，碳化硅热分解法适用于所述半导体吸收层的材料为SiC的探测器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210820 |