CN113707757B - 一种调控紫外光电探测器光响应性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种调控紫外光电探测器光响应性能的方法，该方法利用光刻胶作为保护层通过氧等离子体处理工艺调控样片表面石墨烯条带的长宽比，条带状光刻胶保护层的长宽比为(50‑150)：1，可以大大提高探测器的光响应速度和响应度，制备工艺简单，同时在调控过程中没有引入多余的外加物理场就可以实现明显的性能提升，进一步增加了相关器件的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种调控紫外光电探测器光响应性能的方法，属于半导体器件领域。
背景技术
紫外波段光电探测器在军工、天文、消防、通讯等领域都有着极为宽广的应用前景，具有极高的潜在应用价值。因此制作高性能的紫外光电探测器是极为迫切的，高性能光电探测器意味着探测器要具有高信噪比、高灵敏度、高速度和高稳定性的特点。相比于传统的光电倍增管体积大、易碎的特点，以及窄禁带半导体紫外光电探测器暗电流较大、寿命短的缺点，宽禁带半导体光电材料在紫外波段探测上的优势逐渐体现了出来。其中SiC作为一种具有高禁带宽度、高电子饱和漂移速率，高导热性以及高的化学稳定性的第三代半导体材料成为了制备新型固态紫外探测器的优选材料。
由于原子排列的不同，SiC有着大量的同素异构体，其中只有极少数可以被用于制备电力电子器件，例如具有立方结构的3C-SiC、具有六方结构的4H-SiC以及两种结构都有的6H-SiC等被广泛地用于器件研究。不同的原子结构导致6H-SiC具有更多的各向异性，3C-SiC具有更小的禁带宽度，因此4H-SiC在紫外光电探测器的制备中具有更大的优势。4H-SiC大的禁带宽度使得4H-SiC基固态光电探测器免除了结构中昂贵的滤光片，同时该类型探测器具有极低的暗电流有助于提高器件的信噪比，使单光子探测成为可能。
常见的4H-SiC紫外探测器主要分为4种，分别是p-i-n型、肖特基型、MSM型以及APD型。其中MSM型结构探测器归因于其结构特点，相比其它类型探测器具有制备工艺简单且响应性能可靠的特点，因此被广泛应用于固态光电探测器的研究工作中。虽然宽禁带半导体紫外探测器的研究取得了定的突破但是性能还远没有达到商业应用的要求。制约宽禁带半导体紫外紫外探测器发展和应用的主要难题是材料的质量问题。人们在不断改进材料质量的同时也在不断致力于通过各种方法(例如表面修饰、材料表面功能化、掺杂、优化器件结构、合成低维纳米材料等)来提高紫外探测器的光电性能。由于4H-SiC中本征载流子浓度极低，导致MSM型4H-SiC紫外光电探测器会具有极大的工作电压，而若对4H-SiC进行掺杂再将其应用到光电探测器的制备中无疑会增加制作成本和工艺难度，现在已经开展了利用石墨烯/SiC结构制作MGM型紫外光电探测器的相关工作。其中石墨烯作为一种由碳原子以sp2杂化键相结合形成的二维材料，由于材料结构的特殊性，石墨烯具有许多优秀的物理特性包括极高的载流子迁移率、高透光率以及高热导率等等。因此在石墨烯/SiC探测器结构中在紫外光激发的情况下，SiC中的光生载流子经过两种材料界面之间内建电场的作用转移到石墨烯中，而石墨烯作为探测器的导电沟道层不需要施加较大的偏置电压就可以实现光响应信号的探测极大地降低了探测器的工作能耗，无需再对SiC衬底进行额外的掺杂过程。同时由于石墨烯具有极高的透光率使得探测器的探测过程中的光损耗被大幅降低从而实现稳定的光响应信号。
相比于机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积等方法，SiC热解法以免除复杂的石墨烯转移过程直接得到高质量的石墨烯/SiC异质结样品，成为制作石墨烯/SiC结构的首选方法。其主要原理就是SiC表面在高温条件下会产生热解，同时由于C原子和Si原子具有不同的气态分压，因此在一定的压力条件下，SiC热解产生的Si原子会优先升华，而为了维持整个体系处在低能量状态，C原子会在SiC表面发生重组而形成石墨烯结构，最终可以得到高质量的石墨烯/SiC异质结结构。
中国专利文件CN108231919A(CN201711495476.7)公开了一种具有石墨烯透明电极的碳化硅雪崩光电探测器，主要将石墨烯作为透明电极，通过碳化硅衬底与衬底上依次设置的第一N型外延缓冲层、N#型外延吸收层、第二外延倍增层和P+型欧姆基础层形成的P-N结型结构进行光电探测。该专利中的探测器结构为APD结构并且其响应性能不可调。
迄今为止，针对外延石墨烯/碳化硅固态紫外光电探测器采用无物理场方法调控探测器响应性能的技术尚未报道，因此，亟需一种简单、能耗低的调节石墨烯/SiC异质结MGM结构光电探测器光响应性能的方法。
发明内容
针对现有石墨烯/SiC异质结MGM结构紫外光电探测器存在的不足，本发明提供一种调控紫外光电探测器光响应性能的方法。
术语解释
禁带宽度：固体材料中自由电子存在的能带成为导带，自由空穴存在的能带成为价带，导带底与价带顶之间的差值被称为禁带，其数值称为禁带宽度。
晶体结构：晶体中实际的原子、离子或分子的具体排列情况。
内建电场：两种固体材料之间由于电荷转移在材料界面的两侧会形成带电属性相反的空间电荷区，空间电荷区形成的电场就成为内建电场。
本发明技术方案如下：
一种调控紫外光电探测器光响应性能的方法，所述的紫外光电探测器为热解石墨烯-碳化硅异质结MGM结构紫外光电探测器，包括步骤如下：
1)将与石墨烯结合的SiC衬底样片分别用丙酮、乙醇浸泡清洗，然后烘干，得到清洗后的样片；
2)在清洗后的样片的石墨烯表面采用光刻工艺和离子束沉积工艺进行定点标记；
3)在定点标记的区域进行光刻胶、曝光、显影，在石墨烯表面得到条带状光刻胶保护层，条带状光刻胶保护层的长宽比为(50-150)：1；
4)将步骤3)中得到的样片进行氧等离子体处理，去除样品表面保护层外的石墨烯；
5)对步骤4)得到的样片分别用丙酮、乙醇清洗，在SiC衬底表面得到与步骤3)中的保护层形状、大小相同的石墨烯条带结构；
6)对步骤5)的样片进行光刻胶、自对准工艺曝光、显影，得到具有源电极、漏电极形状的光刻胶涂层；
7)在步骤6)样片刻胶涂层上采用离子束蒸镀工艺进行金属沉积，并用丙酮剥离多余金属，在石墨烯条带两端形成完整的源电极、漏电极；
8)对步骤7)得到的样片进行退火消除残留光刻胶，然后自然冷却，完成调控。
根据本发明优选的，步骤1)中，与石墨烯结合的SiC衬底样片结构为在SiC衬底表面设置有金属电极对，电极对之间设置有石墨烯层。
根据本发明优选的，步骤1)中，丙酮、乙醇浸泡清洗时间各为3-6min。
根据本发明优选的，步骤1)中，烘干采用低温气流烘干设备进行烘干。
根据本发明优选的，步骤2)中，光刻工艺和离子束沉积工艺均按本领域的现有技术进行。
根据本发明优选的，步骤3)中，条带状光刻胶保护层的长宽比为(60-100)：1。
最为优选的，步骤3)中，条带状光刻胶保护层的长宽比为(80-100)：1。
进一步优选的，步骤3)中，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为6-10μm。
最为优选的，步骤3)中，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为6μm。
根据本发明优选的，步骤4)中，氧等离子体处理的氧气体流量400-600ml/min，工作功率为300-400W，处理时间为10～15min。
根据本发明优选的，步骤5)中，丙酮、乙醇清洗时间各为3-6min。
根据本发明优选的，步骤8)中，退火采用CVD管式炉，在氩气气氛下进行，退火温度为300-400℃，退火时间为5-8h。
进一步优选的，步骤8)中，火温度为350℃，退火时间为6.5h。
本发明在实验过程中意外发现，通过石墨烯条带以及严格控制石墨烯条带的长宽比可以大大提高探测器的光响应速度和响应度，尤其是，当条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为6μm得到的石墨烯条带得到的探测器的光响应速度和响应度最高。
根据本发明优选的，器件制备完成后，使用Keithley半导体测试系统对具有不同宽度石墨烯条带的器件样品进行针对365nm波长，输出功率密度为176.8mW/cm2的紫外光进行光电响应性能测试。采用本发明中的无电场调控方法，实现了探测器性能的大幅提升，探测器响应度最高可达189.7mA/W。
本发明步骤3)、步骤6)中光刻胶、自对准工艺曝光、显影均按本领域的现有技术进行。
离子束蒸镀工艺为本领域的常规技术。
本发明方法中所有设备、原料均为市售产品。
本发明的技术特点及优良效果在于：
1、本发明中利用光刻胶作为保护层通过氧等离子体处理工艺调控样片表面石墨烯条带的长宽比可以保证探测器吸收区域的石墨烯质量和结构要求。
2、本发明条带状光刻胶保护层的长宽比为(50-150)：1，可以大大提高探测器的光响应速度和响应度。
3、采用本发明的方法调控石墨烯/碳化硅探测器的响应性能具有相对简单的制备工艺，同时在调控过程中没有引入多余的外加物理场就可以实现明显的性能提升，进一步增加了相关器件的应用价值。
附图说明
图1是采用本发明方法制备的光电探测器结构示意图，其中底层为SiC衬底，左右两侧为金属电极，中间衬底上条带为石墨烯条带。
图2是探测器在365nm波长光源激发下，探测器在不同偏压下的响应度以及外量子效率图，左纵坐标为响应度，右纵坐标为外量子效率。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实例中采用与石墨烯结合的SiC衬底样片为尺寸为10mm*10mm，厚度约为350μm的半绝缘4H-SiC，表面偏轴角度为0度，误差在0.3度之内；参照中国专利文献CN104404620A(申请号CN201410718225.0)公开的方法生长获得。
实施例中采用的测试系统为Keithley 4200半导体测试系统，激发光源为紫外LED，波长365nm，输出功率为200mW。
实施例1：
一种调控紫外光电探测器光响应性能的方法，所述的紫外光电探测器为热解石墨烯-碳化硅异质结MGM结构紫外光电探测器，包括步骤如下：
1)将与石墨烯结合的SiC衬底样片分别用丙酮、乙醇泡清洗各5min，并用低温气流烘干设备烘干；
2)在清洗后的样片的石墨烯表面采用光刻工艺和离子束沉积工艺进行定点标记；
3)在定点标记的区域进行光刻胶、曝光、显影，在石墨烯表面得到条带状光刻胶保护层，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为6μm；
4)将步骤3)中得到的样片进行氧等离子体处理，去除样品表面保护层外的石墨烯；氧等离子体处理的氧气体流量500ml/min，工作功率为350W，处理时间为12min；
5)对步骤4)得到的样片分别用丙酮、乙醇清洗5min，在SiC衬底表面得到与步骤3)中的保护层形状、大小相同的石墨烯条带结构；
6)对步骤5)的样片进行光刻胶、自对准工艺曝光、显影，得到具有源电极、漏电极形状的光刻胶涂层；
7)在步骤6)样片刻胶涂层上采用离子束蒸镀工艺进行金属沉积，并用丙酮剥离多余金属，在石墨烯条带两端形成完整的源电极、漏电极；
8)对步骤7)得到的样片进行退火消除残留光刻胶，退火温度为350℃，持续时间为6.5h，然后自然冷却，得到紫外光电探测器，结构如图1所示。
实施例2：
同实施例1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，不同之处在于：
步骤3)中，在定点标记的区域进行光刻胶、曝光、显影，在石墨烯表面得到条带状光刻胶保护层，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为10μm。
实施例3：
同实施例1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，不同之处在于：
步骤3)中，在定点标记的区域进行光刻胶、曝光、显影，在石墨烯表面得到条带状光刻胶保护层，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为12μm。
实施例4：
同实施例1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，不同之处在于：
步骤3)中，在定点标记的区域进行光刻胶、曝光、显影，在石墨烯表面得到条带状光刻胶保护层，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为4μm。
对比例1
同实施例1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，不同之处在于：
步骤3)中，在定点标记的区域进行光刻胶、曝光、显影，在石墨烯表面得到条带状光刻胶保护层，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为20μm。
对比例2
同实施例1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，不同之处在于：
步骤3)中，在定点标记的区域进行光刻胶、曝光、显影，在石墨烯表面得到条带状光刻胶保护层，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为40μm。
实验例：
将实施例1-2以及对比例1-2制得的光电探测器用Keithley半导体测试系统对所得器件样品进行针对365nm波长，200mW输出功率的光电性能测试，测试结果如图2所示。
从图2可以看出，采用本发明中的无电场调控方法，实现了探测器性能的大幅提升，探测器响应度最高可达189.7mA/W。
Claims (10)
1.一种调控紫外光电探测器光响应性能的方法，所述的紫外光电探测器为热解石墨烯-碳化硅异质结MGM结构紫外光电探测器，包括步骤如下：
1)将与石墨烯结合的SiC衬底样片分别用丙酮、乙醇浸泡清洗，然后烘干，得到清洗后的样片；
2)在清洗后的样片的石墨烯表面采用光刻工艺和离子束沉积工艺进行定点标记；
3)在定点标记的区域进行光刻胶、曝光、显影，在石墨烯表面得到条带状光刻胶保护层，条带状光刻胶保护层的长宽比为(50-150)：1；
4)将步骤3)中得到的样片进行氧等离子体处理，去除样品表面保护层外的石墨烯；
5)对步骤4)得到的样片分别用丙酮、乙醇清洗，在SiC衬底表面得到与步骤3)中的保护层形状、大小相同的石墨烯条带结构；
6)对步骤5)的样片进行光刻胶、自对准工艺曝光、显影，得到具有源电极、漏电极形状的光刻胶涂层；
7)在步骤6)样片刻胶涂层上采用离子束蒸镀工艺进行金属沉积，并用丙酮剥离多余金属，在石墨烯条带两端形成完整的源电极、漏电极；
8)对步骤7)得到的样片进行退火消除残留光刻胶，然后自然冷却，完成调控。
2.根据权利要求1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤1)中，与石墨烯结合的SiC衬底样片结构为在SiC衬底表面设置有金属电极对，电极对之间设置有石墨烯层。
3.根据权利要求1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤1)中，丙酮、乙醇浸泡清洗时间各为3-6min。
4.根据权利要求1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤3)中，条带状光刻胶保护层的长宽比为(60-100)：1。
5.根据权利要求4所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤3)中，条带状光刻胶保护层的长宽比为(80-100)：1。
6.根据权利要求1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤3)中，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为6-10μm。
7.根据权利要求6所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤3)中，条带状光刻胶保护层长为600μm，宽度为6μm。
8.根据权利要求1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤4)中，氧等离子体处理的氧气体流量400-600ml/min，工作功率为300-400W，处理时间为10～15min。
9.根据权利要求1所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤8)中，退火采用CVD管式炉，在氩气气氛下进行，退火温度为300-400℃，退火时间为5-8h。
10.根据权利要求9所述的调控紫外光电探测器光响应性能的方法，其特征在于，步骤8)中，火温度为350℃，退火时间为6.5h。
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