CN114023844A - 一种自驱动光电探测器及其制备方法 - Google Patents
一种自驱动光电探测器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114023844A CN114023844A CN202111201460.7A CN202111201460A CN114023844A CN 114023844 A CN114023844 A CN 114023844A CN 202111201460 A CN202111201460 A CN 202111201460A CN 114023844 A CN114023844 A CN 114023844A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- graphene
- type semiconductor
- tunneling
- insulating layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 85
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 85
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims abstract description 62
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 58
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 291
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 35
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical group O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 17
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 11
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 claims description 10
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 9
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 6
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 6
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008439 repair process Effects 0.000 abstract description 3
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 29
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 28
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 8
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/108—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0328—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032
- H01L31/0336—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032 in different semiconductor regions, e.g. Cu2X/CdX hetero- junctions, X being an element of Group VI of the Periodic Table
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种自驱动光电探测器及其制备方法，该自驱动探测器通过在n型半导体层和p型石墨烯层之间并排设置一绝缘层和隧穿层，其中绝缘层的厚度大于隧穿层的厚度，绝缘层阻隔n型半导体层与石墨烯层的接触；n型半导体层与石墨烯层之间形成肖特基结构的空间电荷区，利于电子与空穴快速分离，同时隧穿层修复了n型半导体层与石墨烯层之间的缺陷，抑制漏电，提高光电流，第一电极设置于绝缘层上方的石墨烯层上，第二电极设置于n型半导体层上，电子与空穴最终在第一电极和第二电极处被收集。该自驱动光电探测器的暗电流低、响应速度快、开/关电流比高，不需要外加电源工作，综合性能好，并且器件结构简单，易于制造。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种自驱动光电探测器及其制备方法。
背景技术
自驱动光电探测器是光电信息技术领域中的一个重要组成部分。作为第三代半导体的代表，氮化镓(GaN)由于其优异的物理化学性能，例如宽的禁带(3.4eV)、低介电常数、高电子迁移率、耐高温性、耐腐蚀性、抗辐射等特性，被认为是制备探测器的理想材料。
然而由于GaN等n型半导体材料层与其他材料层结合通常存在较大的晶格失配，导致材料层界面具有较大的缺陷，降低器件性能，制备的自驱动器件存在暗电流大、响应速度低、光暗比低等缺陷，如何选择合适的材料，获得低的界面缺陷提高器件性能是亟待解决的问题之一。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种高性能的自驱动光电探测器，该探测器通过在n型半导体层和p型石墨烯层之间并排设置一绝缘层和隧穿层，其中绝缘层的厚度大于隧穿层的厚度，且其材料相同，相同的材料层之间晶格失配最小，从而缺陷少，提升了绝缘层和隧穿层的质量，绝缘层有效的阻隔n型半导体层与石墨烯层的接触；n型半导体层与石墨烯层之间形成肖特基结构的空间电荷区，利于电子与空穴快速分离，同时高质量的隧穿层修复了n型半导体层与石墨烯层之间的缺陷，抑制漏电，提高光电流，第一电极设置于绝缘层上方的石墨烯层上，第二电极设置于n型半导体层上，电子与空穴最终在第一电极和第二电极处被收集。该自驱动光电探测器的暗电流低、响应速度快、开/关电流比高，不需要外加电源工作，综合性能好，并且器件结构简单，易于制造。
本发明的另一目的在于提供一种自驱动光电探测器的制备方法，该工艺方法简单，易于产业化。基于上述理由，本发明至少提供如下技术方案：
一种自驱动光电探测器，包括衬底和设置于衬底上的n型半导体层，并排设置于n型半导体层上的绝缘层和隧穿层，其中所述绝缘层的厚度大于所述隧穿层的厚度，且所述绝缘层和所述隧穿层的材料相同；p型石墨烯层，设置于所述隧穿层和所述绝缘层上；第一电极，设置于所述石墨烯层上；第二电极，设置于所述n型半导体层上；其中，所述石墨烯层与所述n型半导体层之间形成肖特基结。
在一优选实施方式中，所述石墨烯层选用单层石墨烯或双层石墨烯；更优选地，所述石墨烯层选用单层石墨烯。
在一优选实施方式中，所述隧穿层选用三氧化二铝、氮化铝、氮化硼或二氧化钛；更优选地，所述隧穿层选用三氧化二铝。
在一优选实施方式中，所述绝缘层选用三氧化二铝、氮化铝、氮化硼和二氧化钛中的至少一种；更优选地，所述绝缘层选用三氧化二铝。
在一优选实施方式中，所述隧穿层的厚度为0.5nm至5nm。
在一优选实施方式中，所述绝缘层的厚度为25nm至35nm。
在一优选实施方式中，所述n型半导体层选用GaN或氧化锌。
本发明还提供一种自驱动光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上外延生长n型半导体层；
在所述n型半导体层上形成并列排布的绝缘层和隧穿层，所述绝缘层的厚度大于所述隧穿层的厚度；
转移p型石墨烯层至所述绝缘层和所述隧穿层上；
在所述绝缘层上方的石墨烯层上沉积第一电极，在所述n型半导体层上沉积第二电极；
其中，所述石墨烯层与所述n型半导体层之间形成肖特基结。
在一优选实施方式中，在所述n型半导体层上沉积并列排布的绝缘层和隧穿层的步骤包括，在所述n型半导体层上粘贴预定面积的耐高温胶带；
选用ALD沉积工艺在所述n型半导体层上沉积第一预定厚度的三氧化二铝材料层；
去除耐高温胶带；
选用ALD沉积工艺在所述n型半导体层和所述第一预定厚度的三氧化二铝材料层上沉积第二预定厚度的三氧化二铝材料层。
在一优选实施方式中，采用湿法转移技术将p型石墨烯层转移至绝缘层和隧穿层的表面，所述p型石墨烯层为单层石墨烯或双层石墨烯。
在一优选实施方式中，在所述n型半导体层上沉积并列排布的绝缘层和隧穿层的步骤包括，在所述n型半导体层上沉积预定厚度的绝缘材料层，在所述绝缘材料层上形成预定图案的掩膜层，以该掩膜层为掩膜刻蚀所述绝缘材料层，形成并排布置的绝缘层和隧穿层。
相比现有技术，本发明至少具有如下有益效果：
本发明的自驱动光电探测器选用n型半导体层和p型石墨烯层，两层之间并排布置厚度不同但材料相同的绝缘层和隧穿层，第一电极设置于绝缘层上方的石墨烯表面，第二电极设置于n型半导体层的表面，隧穿层的设置修复了n型半导体层和石墨烯层之间的界面缺陷，抑制漏电，提高了光电流。另一方面，绝缘层和隧穿层的材料相同，进一步避免了制备过程中对器件造成的污染，影响器件的性能。尤其是，n型半导体层选用GaN材料层，p型石墨烯选用单层石墨烯层时，大大减小了材料层之间的晶格失配，由于两者之间的费米能级不同，形成肖特基接触，构建的内建电场有利于光生电子空穴对的分离，有效的抑制了光生载流子的复合，形成的自驱动光电探测器具有高的响应速度。
本发明制备获得的光电探测器暗电流低、响应速度快、开/关电流比高，不需要外加电源工作，综合性能好。并且该探测器的结构简单，其优选实施例提供的制备方法简单、可靠度高、易于制造，且成本低。
附图说明
图1为本发明一实施例自驱动光电探测器的三维结构示意图。
图2为本发明一实施例制备工艺过程中第一氧化铝材料层沉积的示意图。
图3为本发明一实施例制备工艺过程中第二氧化铝材料层沉积的示意图。
图4为本发明一实施例制备工艺过程中转移石墨烯层的示意图。
图5为本发明一实施例自驱动光电探测器的截面示意图。
图6为本发明一实施例自驱动光电探测器在325nm不同光功率光照射下的I-V图。
图7为本发明一实施例自驱动光电探测器在0V、325nm不同光功率光照射下的I-T图。
具体实施方式
接下来将结合本发明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，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的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
如图1所示，本发明一实施例提供一种高性能自驱动光电探测器，包括衬底10、n型半导体层20、绝缘层30、隧穿层40、p型石墨烯层50、第一电极60和第二电极70。其中，绝缘层30的厚度大于隧穿层40的厚度。
优选地，衬底10选用图形化蓝宝石衬底，有利于生长质量好的GaN薄膜层，提高器件的性能。在一优选实施例中，n型半导体层20选用n型GaN层或n型ZnO层，更优选地，n型半导体层选用n型GaN层。GaN层的厚度选用4～5μm。在一优选实施例中，蓝宝石衬底与n型GaN层之间设置一AlN缓冲层。
绝缘层30和隧穿层40并列布置于n型半导体层20的表面，绝缘层30的厚度大于隧穿层40的厚度，p型石墨烯层50经转移覆盖于绝缘层30和隧穿层40的表面。绝缘层30隔绝n型半导体层20和与其上方的p型石墨烯层50的接触。在一优选实施例中，绝缘层30选用氧化铝、氮化铝、氮化硼或二氧化钛。绝缘层的厚度为25nm至35nm。更优选地，绝缘层30选用氧化铝绝缘层。Al2O3绝缘层的厚度低于25nm，其不能阻隔石墨烯层与GaN层，起不到绝缘的作用；若Al2O3绝缘层的厚度大于35nm会使得后续转移的单层石墨烯层产生破损，导致器件的暗电流增加。在另一优选实施例中，绝缘层选用氮化铝绝缘层，氮化铝绝缘层的厚度选用30nm。
隧穿层40选用与绝缘层30相同的材料，相同的材料层之间晶格失配最小，从而缺陷少，绝缘层和隧穿层的质量高。绝缘层有效的阻隔n型半导体层与石墨烯层的接触，同时高质量的隧穿层修复n型半导体层与石墨烯层之间的缺陷，抑制漏电，提高光电流。另一方面，隧穿层和绝缘层选用相同的材料，能够避免器件制备的过程对器件造成污染，影响探测器的性能。隧穿层40可以选用三氧化二铝、氮化铝、氮化硼或二氧化钛。其厚度选用0.5nm至5nm。隧穿层插设于n型半导体层与p型石墨烯层之间，改善了n型半导体层与p型石墨烯层之间的界面缺陷，抑制漏电，提高光电流。在一优选实施例中，隧穿层选用Al2O3，Al2O3隧穿层的厚度小于0.5nm，则无法修复n型半导体层与石墨烯层之间的缺陷；若其厚度大于5nm，则会使得电子无法隧穿，降低光电流。在另一优选实施例中，隧穿层选用氮化铝，氮化铝隧穿层的厚度优选5nm。最优选实施例中，绝缘层和隧穿层均选用三氧化二铝材料。
隧穿层与绝缘层之间不同的厚度设置，使得两者之间形成台阶状，台阶的高度差应严格遵循上述的厚度范围设置，过大的台阶差会使得后续转移的石墨烯层产生破损，导致器件的暗电流增加。
p型石墨烯层50选用单层石墨烯或双层石墨烯，优选地，经湿法转移工艺转移至绝缘层30和隧穿层40的表面。在一优选实施例中，p型石墨烯层50选用单层石墨烯，n型半导体层20选用GaN层。单层石墨烯与GaN层结合可以大大减小材料之间的晶格失配。并且单层石墨烯的厚度低，透光性好，有利于氮化镓的光吸收，提高光的转化效率。另一方面由于单层石墨烯与GaN的费米能级不同，两个材料层之间形成肖特基结，产生大的内建电场，利于光生电子空穴对的分离，有效抑制光生载流子的复合，构成的自驱动光电探测器，提高了探测器的响应速度。当石墨烯层的厚度增加时，费米能级发生变化，且透光性下降。优选实施例中石墨烯层的厚度不超过两层。
第一电极60设置于绝缘层30上方的石墨烯层上，第二电极70设置于n型半导体层上。优选地，第一电极60和第二电极70选用Au电极。
GaN与单层石墨烯费米能级不同，两个材料层之间形成肖特基接触，构成大的内建电场，有利于光生电子空穴对的分离，有效抑制光生载流子的复合，提高探测器的响应速度，形成自驱动光电探测器。其工作原理是：n型GaN层20吸收入射光，产生光生电子空穴对，在n型GaN层20与单层石墨烯50之间形成肖特基结构造的空间电荷区使得电子与空穴快速分离；Al2O3隧穿层40修复了GaN与单层石墨烯之间的大量缺陷，抑制了漏电，提高了光电流；电子与空穴最终在金属电极60与70处被收集。
本发明另一方面提供一种高性能自驱动光电探测器的制备方法，参见图2至图4，该方法具体包括以下步骤：
首先在蓝宝石衬底上生长n型GaN层。在一优选实施方式中，选用金属有机化学气相沉积工艺，在蓝宝石衬底上外延生长一层氮化铝缓冲层；在所述氮化铝缓冲层上外延生长所述GaN层。
在n型GaN层上沉积并列排布的氧化铝绝缘层和氧化铝隧穿层。在一优选实施方式中，将生长有GaN层的蓝宝石衬底清洗干净，根据制备器件的大小，在清洁的GaN层上粘贴预定面积的高温胶带，选用耐高温度超过200℃的高温胶带，例如选用铁氟龙胶带。之后选用ALD沉积工艺，将粘贴有高温胶带的蓝宝石衬底放置于ALD设备中，沉积预定厚度的第一Al2O3材料层。
之后，去除粘贴的高温胶带，依次使用丙酮、异丙醇和去离子水分别对沉积了第一Al2O3材料层的衬底表面进行清洗，去除胶带的残留。如图2示。
清洗之后，选用ALD工艺继续在第一Al2O3材料层和n型GaN表面生长预定厚度的第二Al2O3材料层，形成并列排布的Al2O3绝缘层30和Al2O3隧穿层40，如图3所示，氧化铝绝缘层30的厚度大于氧化铝隧穿层40的厚度。由于隧穿层的厚度较薄，采用该工艺制备获得厚度不同的绝缘层和隧穿层，可以不采用光刻工艺，从而避免了复杂的光刻过程，另外该工艺成本较低，流程简单易于制备。
接着，转移p型石墨烯层至氧化铝绝缘层和氧化铝隧穿层上。在一优选实施例中，选用湿法转移技术转移单层石墨烯层。具体地，将生长有单层石墨烯的铜基底放入配置好的氯化铁溶液中，浸泡45分钟；接着将悬浮在氯化铁溶液中的单层石墨烯转移至去离子水中，浸泡10分钟，该步骤重复三次；将上述沉积了Al2O3绝缘层和隧穿层的衬底放入漂浮了单层石墨烯的去离子水溶液中，捞取单层石墨烯，随后放置于烘箱中加热60分钟，使得石墨烯与氧化铝材料层紧密接触；随后将转移了石墨烯的蓝宝石衬底浸泡在丙酮溶液中60分钟，去除PMMA支撑层。得到单层石墨烯覆盖的GaN蓝宝石衬底。如图4所示。
接着在单层石墨烯和GaN层上沉积第一电极和第二电极。在一优选实施例中，选用热蒸镀或离子溅射工艺在氧化铝绝缘层上方的石墨烯上以及n型GaN层上沉积Au层形成Au电极。如图5所示。
图6至图7是本发明一实施例获得的自驱动光电探测器的性能测试图。如图示，该光电探测器在-2V外加电压下，检测到无光照条件下的电流(暗电流)为10-9A；在照射波长为325nm的条件下，不同强度光照射下产生不同的电流(光电流)。在325nm，0.52mw/cm2光照射下，电流提升了4065倍。在外加电压0V，325nm，0.52mw/cm2光照射下，光暗比高达104。当撤去光源时，光电流的下降时间为5.83ms；当重新提供光照时，光电流的上升时间为3.55ms。这些数据充分说明了本发明的光电探测器的可行性，且性能较好。(注：上升时间指的是给光照时暗电流上升到稳定电流的90％所需时间，下降时间指的是移除光照时光电流下降到原来稳定的10％所需时间。mW/cm2表示的是光功率密度，表示每平方厘米所受到的光照辐射强度，光功率密度越大，说明光照越强。)
本发明的优选实施例中，选用n型GaN层结合单层或双层p型石墨烯层形成肖特基结克服了GaN材料与其他材料结合具有较大的晶格失配的问题，同时在n型层和p型层之间插入一定厚度的隧穿层改善了界面缺陷，获得了高性能的自驱动光电探测器。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种自驱动光电探测器，包括衬底和设置于衬底上的n型半导体层，其特征在于，还包括，并排设置于n型半导体层上的绝缘层和隧穿层，其中所述绝缘层的厚度大于所述隧穿层的厚度，且所述绝缘层和所述隧穿层的材料相同；
p型石墨烯层，设置于所述隧穿层和所述绝缘层上；
第一电极，设置于所述石墨烯层上；
第二电极，设置于所述n型半导体层上；
其中，所述石墨烯层与所述n型半导体层之间形成肖特基结。
2.根据权利要求1的所述自驱动光电探测器，其特征在于，所述石墨烯层选用单层石墨烯或双层石墨烯；
优选地，所述石墨烯层选用单层石墨烯。
3.根据权利要求1或2的所述自驱动光电探测器，其特征在于，所述隧穿层选用三氧化二铝、氮化铝、氮化硼或二氧化钛；
优选地，所述隧穿层选用三氧化二铝。
4.根据权利要求1或2的所述自驱动光电探测器，其特征在于，所述绝缘层选用三氧化二铝、氮化铝、氮化硼或二氧化钛；
优选地，所述绝缘层选用三氧化二铝。
5.根据权利要求3的所述自驱动光电探测器，其特征在于，所述隧穿层的厚度为0.5nm至5nm。
6.根据权利要求5的所述自驱动光电探测器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为25nm至35nm。
7.根据权利要求1或2的所述自驱动光电探测器，其特征在于，所述n型半导体层选用GaN或氧化锌。
8.一种自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上外延生长n型半导体层；
在所述n型半导体层上形成并列排布的绝缘层和隧穿层，所述绝缘层的厚度大于所述隧穿层的厚度，且所述绝缘层和所述隧穿层的材料相同；
转移p型石墨烯层至所述绝缘层和所述隧穿层上；
在所述绝缘层上方的石墨烯层上沉积第一电极，在所述n型半导体层上沉积第二电极；
其中，所述石墨烯层与所述n型半导体层之间形成肖特基结。
9.根据权利要求8的所述制备方法，其特征在于，在所述n型半导体层上沉积并列排布的绝缘层和隧穿层的步骤包括，
在所述n型半导体层上粘贴预定面积的耐高温胶带；
选用ALD沉积工艺在所述n型半导体层上沉积第一预定厚度的三氧化二铝材料层；
去除耐高温胶带；
选用ALD沉积工艺在所述n型半导体层和所述第一预定厚度的三氧化二铝材料层上沉积第二预定厚度的三氧化二铝材料层。
10.根据权利要求8或9的所述制备方法，其特征在于，采用湿法转移技术将p型石墨烯层转移至绝缘层和隧穿层的表面，所述p型石墨烯层为单层石墨烯或双层石墨烯。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111201460.7A CN114023844B (zh) | 2021-10-15 | 2021-10-15 | 一种自驱动光电探测器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111201460.7A CN114023844B (zh) | 2021-10-15 | 2021-10-15 | 一种自驱动光电探测器及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114023844A true CN114023844A (zh) | 2022-02-08 |
| CN114023844B CN114023844B (zh) | 2024-08-09 |
Family
ID=80056379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111201460.7A Active CN114023844B (zh) | 2021-10-15 | 2021-10-15 | 一种自驱动光电探测器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114023844B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114725235A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-08 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 双极性响应多波长光电探测器、其制作方法及应用 |
| CN114883434A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-08-09 | 华南理工大学 | 自供电MSM型ZnO基紫外光电探测器及制备方法 |
| CN115312615A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-11-08 | 杭州格蓝丰纳米科技有限公司 | 自驱动n型半导体/极性液体/p型半导体光致液体极化紫外光电探测器及其制备方法 |
| CN115411132A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-11-29 | 华南理工大学 | 石墨烯/非极性GaN紫外偏振探测器及其制备方法与应用 |
Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080111181A1 (en) * | 2006-11-15 | 2008-05-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nonvolatile memory devices, methods of operating the same and methods of forming the same |
| CN105244389A (zh) * | 2014-07-07 | 2016-01-13 | Lg电子株式会社 | 太阳能电池 |
| US20170256667A1 (en) * | 2016-03-02 | 2017-09-07 | Gwangju Institute Of Science And Technology | Graphene-semiconductor schottky junction photodetector of having tunable gain |
| KR20180017991A (ko) * | 2016-08-12 | 2018-02-21 | 성균관대학교산학협력단 | 그래핀 베이스 광 검출 장치 및 이의 제조방법 |
| CN109148362A (zh) * | 2018-08-28 | 2019-01-04 | 武汉新芯集成电路制造有限公司 | 半导体器件及其制作方法 |
| CN109461772A (zh) * | 2018-09-26 | 2019-03-12 | 东南大学 | 一种基于石墨的隧穿晶体管的反相器及其制备方法 |
| CN109830548A (zh) * | 2017-11-23 | 2019-05-31 | 三星电子株式会社 | 雪崩光电探测器、图像传感器及光探测和测距系统 |
| CN110416238A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-05 | 德淮半导体有限公司 | 图像传感器及其形成方法 |
| CN110783423A (zh) * | 2019-09-09 | 2020-02-11 | 浙江大学 | 石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹探测器及其制作方法 |
| CN111682088A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-09-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于范德华异质结的隧穿型光电探测器及其制备方法 |
| US20200350443A1 (en) * | 2019-05-03 | 2020-11-05 | Gwangju Institute Of Science And Technology | Graphene-semiconductor heterojunction photodetector and method of manufacturing the same |
| KR20200127778A (ko) * | 2019-05-03 | 2020-11-11 | 광주과학기술원 | 어레이형 그래핀-반도체 이종접합 광전소자 및 이의 제조방법 |
| CN112635614A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-09 | 华南理工大学 | 一种采用栅调制石墨烯/半导体肖特基结的光电探测器及制备方法 |
| CN113451428A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-28 | 复旦大学 | 双半浮栅光电存储器及其制备工艺 |
-
2021
- 2021-10-15 CN CN202111201460.7A patent/CN114023844B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080111181A1 (en) * | 2006-11-15 | 2008-05-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nonvolatile memory devices, methods of operating the same and methods of forming the same |
| CN105244389A (zh) * | 2014-07-07 | 2016-01-13 | Lg电子株式会社 | 太阳能电池 |
| US20170256667A1 (en) * | 2016-03-02 | 2017-09-07 | Gwangju Institute Of Science And Technology | Graphene-semiconductor schottky junction photodetector of having tunable gain |
| KR20180017991A (ko) * | 2016-08-12 | 2018-02-21 | 성균관대학교산학협력단 | 그래핀 베이스 광 검출 장치 및 이의 제조방법 |
| CN109830548A (zh) * | 2017-11-23 | 2019-05-31 | 三星电子株式会社 | 雪崩光电探测器、图像传感器及光探测和测距系统 |
| CN109148362A (zh) * | 2018-08-28 | 2019-01-04 | 武汉新芯集成电路制造有限公司 | 半导体器件及其制作方法 |
| CN109461772A (zh) * | 2018-09-26 | 2019-03-12 | 东南大学 | 一种基于石墨的隧穿晶体管的反相器及其制备方法 |
| US20200350443A1 (en) * | 2019-05-03 | 2020-11-05 | Gwangju Institute Of Science And Technology | Graphene-semiconductor heterojunction photodetector and method of manufacturing the same |
| KR20200127778A (ko) * | 2019-05-03 | 2020-11-11 | 광주과학기술원 | 어레이형 그래핀-반도체 이종접합 광전소자 및 이의 제조방법 |
| CN110416238A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-05 | 德淮半导体有限公司 | 图像传感器及其形成方法 |
| CN110783423A (zh) * | 2019-09-09 | 2020-02-11 | 浙江大学 | 石墨烯/三氧化二铝/砷化镓太赫兹探测器及其制作方法 |
| CN111682088A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-09-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于范德华异质结的隧穿型光电探测器及其制备方法 |
| CN112635614A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-09 | 华南理工大学 | 一种采用栅调制石墨烯/半导体肖特基结的光电探测器及制备方法 |
| CN113451428A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-28 | 复旦大学 | 双半浮栅光电存储器及其制备工艺 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHIQIAN WU等: ""Graphene/h-BN/ZnO van der Waals tunneling heterostructure based ultraviolet photodetector", 《OPTICS EXPRESS》, vol. 23, no. 15, pages 18864 - 18871 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114725235A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-08 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 双极性响应多波长光电探测器、其制作方法及应用 |
| CN114883434A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-08-09 | 华南理工大学 | 自供电MSM型ZnO基紫外光电探测器及制备方法 |
| CN114883434B (zh) * | 2022-04-08 | 2024-04-16 | 华南理工大学 | 自供电MSM型ZnO基紫外光电探测器及制备方法 |
| CN115312615A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-11-08 | 杭州格蓝丰纳米科技有限公司 | 自驱动n型半导体/极性液体/p型半导体光致液体极化紫外光电探测器及其制备方法 |
| CN115312615B (zh) * | 2022-06-23 | 2023-06-30 | 杭州格蓝丰科技有限公司 | 自驱动n型半导体/极性液体/p型半导体光致液体极化紫外光电探测器及其制备方法 |
| CN115411132A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-11-29 | 华南理工大学 | 石墨烯/非极性GaN紫外偏振探测器及其制备方法与应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114023844B (zh) | 2024-08-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114023844B (zh) | 一种自驱动光电探测器及其制备方法 | |
| CN107452823B (zh) | 一种微米线阵列光探测器及其制备方法 | |
| KR100847741B1 (ko) | ｐ-ｎ접합 계면에 패시베이션층을 구비하는 점 접촉 이종접합 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법 | |
| CN104157721B (zh) | 基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| JP2004014958A (ja) | 薄膜多結晶太陽電池とその製造方法 | |
| CN110707218A (zh) | 一种氮化镓微米线阵列光电探测器及其制备方法 | |
| US20130125964A1 (en) | Solar cell and manufacturing method thereof | |
| US20130029450A1 (en) | Method for manufacturing solar cell | |
| US20140373917A1 (en) | Photovoltaic devices and method of making | |
| KR100809427B1 (ko) | 광전 변환 소자 및 이의 제조 방법 | |
| CN210866245U (zh) | 一种氮化镓微米线阵列光电探测器 | |
| CN112054074A (zh) | 光电探测器阵列及其制备方法、光电探测器及其制备方法 | |
| JP5465860B2 (ja) | 光起電力素子、および、その製造方法 | |
| WO2023098038A1 (zh) | 一种钙钛矿太阳能电池的柱状电极结构的制备方法 | |
| TWI600176B (zh) | 化合物太陽能電池以及光吸收層的製作方法 | |
| JPWO2019188716A1 (ja) | 太陽電池およびその製造方法 | |
| KR101013326B1 (ko) | Ｃｉｓ계 태양전지 및 그의 제조방법 | |
| KR20160034061A (ko) | 태양 전지의 제조 방법 | |
| KR101223021B1 (ko) | 태양전지의 제조방법 및 태양전지 | |
| CN114038933B (zh) | 一种高性能位置灵敏探测器及其制备方法 | |
| JP5530618B2 (ja) | 光起電力素子、および、その製造方法 | |
| Correia et al. | Locally-confined electrodeposition of Cu (In, Ga) Se 2 micro islands for micro-concentrator solar cells | |
| Nair et al. | Non-aqueous electrodeposited CdHgTe films for solar cell application | |
| CN108649095A (zh) | 基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件及其制备方法 | |
| Goffard et al. | Multi-resonant light trapping in ultrathin CIGS solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20240509 Address after: 511466, No.106 Fengze East Road, Nansha District, Guangzhou City, Guangdong Province (self designated Building 1) X1301-D010825 (cluster registration) (JM) Applicant after: Guangzhou Chengyi Technology Consulting Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 510630 No. 55, Zhongshan Avenue, Tianhe District, Guangdong, Guangzhou Applicant before: SOUTH CHINA NORMAL University Country or region before: China |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |