基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器及其制备方法，所述雪崩光电探测器包括n型硅衬底、二氧化硅隔离层、二氧化硅窗口、二氧化硅绝缘层、顶电极、石墨烯叉指电极薄膜和抗反射层。本发明以石墨烯作为透明叉指电极，与衬底硅形成MSM型结构光电探测器。该光电探测器可以进行宽光谱探测，解决了传统硅基PIN结对紫外光探测响应低的问题；抗反射层增强入射光的吸收，增强光生电流；在较大的反向偏压作用下，石墨烯叉指电极之间产生很强的电场，光生载流子与硅晶格易于产生碰撞离子化，获得很高的增益。本发明具有响应度高，响应速度快，内部增益大，开关比小，低功耗的特点。

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于 石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器及其制备方法。

背景技术

雪崩紫外光电探测器具有高灵敏度，高光学响应，响应速度快等优点，在高 速调制和微弱信号监测方面有重要应用。对于硅基雪崩光电探测器达到雪崩条件 需要高电压，功耗较大。因此，需要降低达到雪崩条件的电压。传统硅基PIN 结型紫外探测器件需要热扩散或者离子注入工艺，而且对紫外光存在死层问题， 响应随入射光波长的减小而迅速降低。因此，需要提高硅光探测器件对短波长可 见光至紫外光的响应。

石墨烯是由单层sp²杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异 的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新 型二维导电材料。石墨烯和硅接触可以形成肖特基结，制备工艺简单，在光电探 测领域有广泛应用。

与传统结型器件相比，金属/半导体/金属(MSM)结构对光生载流子的收集 既可以沿着结的纵向上收集，还可以横向收集。该结构对在表面产生的光生载流 子具有更强的收集作用；平面结构侧向电容小，RC时间常数小，可以缩短响应 时间，提高信噪比；两个背靠背的肖特基结在施加偏压情况下，一个结处于正向 偏置，另一个结处于反向偏置，可以获得较小的暗电流。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯/硅/石墨烯的 雪崩光电探测器及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石墨烯/硅/石墨烯的 雪崩光电探测器，包括：n型硅衬底、二氧化硅隔离层、二氧化硅窗口、二氧化 硅绝缘层、顶电极、石墨烯叉指电极薄膜和抗反射层；其中，所述n型硅衬底的 上表面覆盖二氧化硅隔离层，在二氧化硅隔离层上开有二氧化硅窗口，使二氧化 硅隔离层成凹形结构；在二氧化硅隔离层相对的两侧的上表面各覆盖一顶电极， 两个顶电极不连通，且边界小于二氧化硅隔离层的边界；在二氧化硅窗口与n 型硅衬底交界处覆盖二氧化硅绝缘层；在二氧化硅隔离层开口的内侧壁、顶电极 和二氧化硅绝缘层的表面覆盖石墨烯叉指电极薄膜，石墨烯叉指电极薄膜的两翼 分别放在两个顶电极上，顶电极上表面石墨烯叉指电极薄膜的覆盖范围小于顶 电极的边界；在二氧化硅绝缘层和石墨烯叉指电极薄膜的表面覆盖抗反射层。

进一步地，所述的二氧化硅绝缘层厚度为1.5nm～2.5nm。

进一步地，所述的顶电极是金属薄膜电极，金属材料为铝、金或金铬合金。

进一步地，所述的抗反射层是透明薄膜，材料为二氧化硅、三氧化二铝或氧 化钛。

制备上述基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤：

(1)在n型硅衬底的上表面氧化生长二氧化硅隔离层，所用n型硅衬底的电 阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层的厚度为100nm～500nm，生长温度为900～ 1200℃；

(2)在二氧化硅隔离层表面光刻出顶电极图形，然后采用电子束蒸发技术， 首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长50nm的金电极；

(3)在生长有顶电极的二氧化硅隔离层表面光刻出二氧化硅窗口图形，然 后通过反应离子刻蚀技术，采用八氟环丁烷等离子体刻蚀二氧化硅隔离层并用缓 冲氧化物刻蚀溶液去除残留的二氧化硅；其中，所述缓冲氧化物刻蚀溶液由 NH₄F、HF和水组成，NH₄F：HF：H₂O＝60g:30ml:100ml；

(4)在二氧化硅窗口与n型硅衬底交界处采用快速热氧方法生长二氧化硅绝 缘层；通入500sccm氮气和500sccm氧气，快速升温到900℃，反应30s；然后 在500℃下退火10min；

(5)采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备石墨烯薄膜；

(6)在二氧化硅隔离层开口的内侧壁、顶电极和二氧化硅绝缘层的表面覆 盖石墨烯薄膜；其中，石墨烯薄膜的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一 层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲 基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离 子水清洗后转移到二氧化硅隔离层开口的内侧壁、顶电极和二氧化硅绝缘层的表 面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO₄、 HCl和水组成，CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:50ml:50ml；

(7)对步骤(6)中转移后的石墨烯薄膜光刻出叉指电极图形，将光刻好的 石墨烯薄膜放入反应离子刻蚀系统真空腔室，通入氧气对石墨烯薄膜进行刻蚀， 获得石墨烯叉指电极薄膜；

(8)在二氧化硅绝缘层和石墨烯叉指电极薄膜的表面光刻出反射层图形， 然后采用电子束蒸发技术生长30～200nm的三氧化二铝薄膜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、入射光照射到本发明电探测器表面，被石墨烯和硅衬底吸收。反向偏压 加到器件两端，产生的光生载流子(空穴电子对)在APD光电二极管表面和内 部高电场作用下高速运动，在运动过程中通过碰撞电离效应，产生数量为初始电 子空穴对的几十倍二次、三次新空穴电子对，从而形成很大的光信号电流，具有 很高的增益。

二、石墨烯和硅形成肖特基浅结，产生的电子空穴对容易被电场分离，降低 表面复合，消除死层。在紫外光区域，量子效率很高。

三、石墨烯作为透明电极，增强入射光吸收，提高光生电流，具有很高的光 学响应。

四、叉指状的石墨烯电极之间可以形成很强的电场，更容易产生雪崩效应， 降低能耗；相邻电极之间距离小，石墨烯的载流子迁移率很大，可以提高器件的 时间响应。

四、二氧化硅钝化/绝缘层对多子形成很高的势垒，抑制硅衬底中的多子(电 子)运动到石墨烯，大大降低暗电流，具有很高的开关比。

五、本发明提供的光电探测器所用材料以硅为基本材料，制备过程简单，成 本低，易与现有半导体标准工艺兼容。

附图说明

图1为本发明基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器的结构示意图；

图2为本发明基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器的剖面结构示意图， 其中剖开面经过其中一个石墨烯叉指电极；

图3为本发明中实施例所制备的MSM Si-APD光电探测器的石墨烯叉指电 极光学显微镜图；

图中，n型硅衬底1、二氧化硅隔离层2、二氧化硅窗口3、二氧化硅绝缘层 4、顶电极5、石墨烯叉指电极薄膜6、抗反射层7。

具体实施方式

本发明提供的基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器的工作原理如下：

石墨烯与n型硅基底接触形成肖特基结，相邻石墨烯叉指电极与硅基底形成 两个背靠背的肖特基结。两端电极加偏压后，一个肖特基结正向偏置，另一个肖 特基结反向偏置。当入射光照射到石墨烯/硅界面，石墨烯和硅基底吸收入射光 并产生电子-空穴对。在电场作用下，空穴流向正电极，电子流向负电极，形成 光生电流。石墨烯和硅形成肖特基浅结，入射光产生的电子空穴很快被电场分离， 减小表面复合，消除死层；叉指状的石墨烯电极之间可以形成很强的电场，更容 易产生雪崩效应，降低能耗。

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方法作进一步的说明。

如图1和图2所示，基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器，包括：n型硅 衬底1、二氧化硅隔离层2、二氧化硅窗口3、二氧化硅绝缘层4、顶电极5、石 墨烯叉指电极薄膜6和抗反射层7；其中，所述n型硅衬底1的上表面覆盖二氧 化硅隔离层2，在二氧化硅隔离层2上开有二氧化硅窗口3，使二氧化硅隔离层 2成凹形结构；在二氧化硅隔离层2相对的两侧的上表面各覆盖一顶电极5，两 个顶电极5不连通，且边界小于二氧化硅隔离层2的边界；在二氧化硅窗口3 与n型硅衬底1交界处覆盖二氧化硅绝缘层4；在二氧化硅隔离层2开口的内侧 壁、顶电极5和二氧化硅绝缘层4的表面覆盖石墨烯叉指电极薄膜6，石墨烯叉 指电极薄膜6的两翼分别放在两个顶电极5上，顶电极5上表面石墨烯叉指电 极薄膜6的覆盖范围小于顶电极5的边界；在二氧化硅绝缘层4和石墨烯叉指电 极薄膜6的表面覆盖抗反射层7。

所述的二氧化硅绝缘层4厚度为1.5nm～2.5nm。

所述的顶电极5是金属薄膜电极，金属材料为铝、金或金铬合金。

所述的抗反射层7是透明薄膜，材料为二氧化硅、三氧化二铝或氧化钛。

本实施例中制作基于石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器的步骤具体如下：

(1)在n型硅衬底1的上表面氧化生长二氧化硅隔离层2，所用n型硅衬底1 的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层2的厚度为100nm～500nm，生长温度 为900～1200℃；

(2)在二氧化硅隔离层2表面光刻出顶电极5图形，然后采用电子束蒸发技 术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长50nm的金电极；

(3)在生长有顶电极5的二氧化硅隔离层2表面光刻出二氧化硅窗口3图形， 然后通过反应离子刻蚀技术，采用八氟环丁烷(C₄F₈)等离子体刻蚀二氧化硅隔 离层2并用缓冲氧化物刻蚀(BOE)溶液去除残留的二氧化硅；其中，所述BOE 溶液由氟化氨(NH₄F)、氢氟酸(HF)和水组成，NH₄F：HF：H₂O＝60g:30ml:100ml；

(4)在二氧化硅窗口3与n型硅衬底1交界处采用快速热氧方法生长二氧化硅 绝缘层4；通入500sccm氮气和500sccm氧气，快速升温到900℃，反应30s； 然后在500℃下退火10min；

(5)采用化学气相沉积方法(CVD)在铜箔基底上制备石墨烯薄膜；

(6)在二氧化硅隔离层2开口的内侧壁、顶电极5和二氧化硅绝缘层4的 表面覆盖石墨烯薄膜；其中，石墨烯薄膜的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀 涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除 铜箔，留下由PMMA支撑的石墨烯薄膜；将PMMA支撑的石墨烯薄膜用去离 子水清洗后转移到二氧化硅隔离层2开口的内侧壁、顶电极5和二氧化硅绝缘层 4的表面；最后用丙酮和异丙醇去除PMMA；其中，所述刻蚀溶液由CuSO₄、 HCl和水组成，CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:50ml:50ml；

(7)对步骤(6)中转移后的石墨烯薄膜光刻出叉指电极图形，将光刻好的 石墨烯薄膜放入反应离子刻蚀系统真空腔室，通入氧气(O₂)对石墨烯薄膜进行 刻蚀，获得石墨烯叉指电极薄膜6；

(8)在二氧化硅绝缘层4和石墨烯叉指电极薄膜6的表面光刻出反射层7 图形，然后采用电子束蒸发技术生长30～200nm的三氧化二铝薄膜。

对上述石墨烯/硅/石墨烯的雪崩光电探测器加偏压，使其可以产生雪崩效应， 实现增益。其中电压的正极和负极分别连接到两个顶电极5上，如图1所示。

图3为本发明中实施例所制备的石墨烯叉指电极光学显微镜图片。每根石墨 烯叉指电极是连续的，相邻石墨烯叉指电极是断开的。通过本实施例可以获得较 高质量的石墨烯叉指电极。