基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器及制备方法

摘要

本发明公开了一种基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器及制备方法，该光电探测器包括n型硅衬底、顶电极、石墨烯薄膜、掺硼硅量子点薄膜和底电极；本发明光电探测器可以进行宽光谱探测，解决了传统硅基PIN结对红外探测响应低的问题；该探测器以石墨烯作为有源层和透明电极，消除死层，增强入射光的吸收；掺硼硅量子点薄膜在中间减少了硅表面态的影响，同时抑制了反向饱和电流；在一定的反向偏压作用下，光生载流子与硅晶格产生碰撞离子化，获得较高的光电响应；本发明采用的制备工艺简单，成本低廉，具有响应度高，响应速度快，内部增益大，开关比小，易于集成的特点。

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/掺硼硅量子点/硅的光电探测器及制备方法。

背景技术

光学探测器在化学材料分析、医疗卫生、空间技术等方面具有广泛的应用。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。传统硅基PIN结型探测器件需要热扩散或者离子注入工艺，而且对红外光几乎不吸收，因此红外波段响应随入射光波长的增加而迅速降低甚至为零。因此，需要提高硅光探测器件对长波长红外光的响应。

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。单层石墨烯只吸收2.3％的光，可以作为透明导电薄膜。掺硼硅量子点是通过冷等离子体法制备的。通过在等离子体中加入硼原子的前驱体便可以制备硼掺杂的硅量子点。

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/掺硼硅量子点/硅的光电探测器及制备方法。

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/掺硼硅量子点/硅的光电探测器，包括：n型硅衬底、二氧化硅隔离层、顶电极、石墨烯薄膜、掺硼硅量子点薄膜和底电极；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硅窗口，使二氧化硅隔离层成回形结构，在二氧化硅隔离层的上表面覆盖顶电极，顶电极的边界小于二氧化硅隔离层的边界(顶电极的内边界小于二氧化硅隔离层的内边界，顶电极的外边界小于二氧化硅隔离层的外边界)，在硅窗口与n型硅衬底交界处覆盖掺硼硅量子点薄膜；在顶电极的上表面覆盖边界小于顶电极的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的中心部位接触掺硼硅量子点薄膜；在n型硅衬底下表面设置底电极。

进一步地，所述的二氧化硅隔离层厚度为300nm。

进一步地，所述的顶电极是金属薄膜电极，材料为铬金合金。

进一步地，所述的底电极是金属薄膜电极，材料为镓铟合金。

进一步地，所述的掺硼硅量子点薄膜厚度为30-40nm。

进一步地，所述的掺硼硅量子点薄膜是通过冷等离子体法制备的，通过在等离子体中加入硼原子的前驱体制备硼掺杂的硅量子点，硼原子的前驱体为乙硼烷(B₂H₆)。掺硼硅量子点在可见光近红外乃至中红外都有吸收，尤其是中红外有较强的吸收峰，存在局部等离子激元效应(LSPR)。

一种制备基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器的方法，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300nm～500nm，生长温度为900～1200℃；

(2)在二氧化硅隔离层表面光刻出回形顶电极图形，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60nm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)在硅窗口内与n型硅衬底交界处悬涂一层质量浓度为40％溶解在甲苯溶液中的掺硼硅量子点，形成掺硼硅量子点薄膜，悬涂条件为2000r/min，30s。

(5)石墨烯薄膜的制备：采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备石墨烯薄膜；

(6)在顶电极的上表面覆盖边界小于顶电极的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的中心部位接触掺硼硅量子点薄膜；其中，石墨烯的转移方法为：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整块转移到顶电极的上表面和掺硼硅量子点薄膜的上表面；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)在n型硅衬底底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极，与n型硅衬底形成欧姆接触。

本发明具有以下有益效果：

1.入射光照射到本发明光电探测器表面，被石墨烯、掺硼硅量子点和硅衬底吸收。加一定的反向偏压加到器件两端，产生的光生载流子(空穴电子对)在内建电场作用下被分离，空穴在掺硼硅量子点中被缺陷态捕获，电荷在电场作用下被快速抽离，被电极引出，形成光电流。

2.石墨烯和硅形成肖特基浅结，入射光容易被吸收，产生的电子空穴很快被内部电场分离，降低表面复合率，消除死层。

3.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。石墨烯的载流子迁移率很大，可以提高器件的时间响应。

4.掺硼硅量子点在可见光尤其红外波段有很强的吸收峰，存在局部等离子激元效应，在红外光区域，量子效率很高。

5.本发明基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器不但可以扩展在红外部分的响应，而且响应速度较快。

6.本发明基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器在加反向偏压时除了具有红外高速探测功能，还可以在加一定的正向偏压时具有发光作用，可作为无机发光二极管，进行深入研究。

7.本发明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/掺硼硅量子点/硅的光电探测器的结构示意图；

图2为本发明中实施例所制备的光电探测器工作在-1V～1V下，在无光和1315nm红外光照射下的暗电流和光电流反向偏压变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

石墨烯/硅肖特基结是一种常用的器件结构，在光电子器件的研究已有很多报道。掺硼硅量子点在可见光近红外乃至中红外都有吸收，尤其是中红外有较强的吸收峰，存在局部等离子激元效应(LSPR)，制备工艺简单，在光电探测领域有广泛应用。由于掺硼硅量子点薄膜与石墨烯接触，会向石墨烯转移电荷，同时也是层增透膜，减少表面复合，可以解决死层问题，提高红外光学响应。在石墨烯和硅中加入一层较薄的掺硼硅量子点，一方面，可以利用掺硼硅量子点在红外波段的强吸收作用扩展光电探测器在红外波段的响应，另一方面，在载流子扩散运输过程中起到缓冲层作用，减小表面态。同时该探测器在加较大正向电压时，可作为无机发光二极管观察其发光现象。

如图1所示，本发明提供的一种基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器，包括：n型硅衬底1、二氧化硅隔离层2、顶电极3、石墨烯薄膜4、掺硼硅量子点薄膜5和底电极6；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上开有硅窗口，使二氧化硅隔离层2成回形结构，在二氧化硅隔离层2的上表面覆盖顶电极3，顶电极3的边界小于二氧化硅隔离层2的边界顶电极3的内边界小于二氧化硅隔离层2的内边界，顶电极3的外边界小于二氧化硅隔离层2的外边界，在硅窗口与n型硅衬底1交界处覆盖掺硼硅量子点薄膜5；在顶电极3的上表面覆盖边界小于顶电极3的石墨烯薄膜4，石墨烯薄膜4的中心部位接触掺硼硅量子点薄膜5；在n型硅衬底1下表面设置底电极6。

制备上述基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器的方法，包括以下步骤：

(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300nm～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3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60nm的金电极；

(3)在生长有顶电极5的二氧化硅隔离层2表面光刻出回形硅窗口图形，然后通过反应离子刻蚀技术，采用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)在硅窗口内与n型硅衬底交界处悬涂一层浓度为40％溶解在甲苯溶液中的掺硼硅量子点，形成掺硼硅量子点薄膜5，悬涂条件为2000r/min，30s；

(5)石墨烯薄膜4的制备：采用化学气相沉积方法(CVD)在铜箔基底上制备石墨烯薄膜4；

(6)在顶电极3的上表面覆盖边界小于顶电极3的石墨烯薄膜4，石墨烯薄膜4的中心部位接触掺硼硅量子点薄膜5；其中，石墨烯的转移方法为：将石墨烯薄膜4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4；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜4用去离子水清洗后整块转移到顶电极3的上表面和掺硼硅量子点薄膜5的上表面；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)在n型硅衬底1底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极6，与n型硅衬底1形成欧姆接触。

对上述基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器，在可见光和红外光照下加较小的反向偏压，即可使其可以得到光电流，有一定的光电响应。其中电压的正极连接在如图1所示器件的底电极6上，电压的负电极连接在器件的顶电极3上。

本实例所制备的基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器工作在-1V～1V下，在无光和1315nm红外光照射下的暗电流和光电流反向偏压变化曲线如图2所示。其中电压的正极连接在器件的底电极6上，电压的负电极连接在器件的顶电极3上。从图2可以看出，所制备的有量子点器件和无量子点器件在无光条件下，暗电流均很小；当波长为1315nm、光能量为8mW/cm²的红外光照射时两种器件均能产生明显的光电流，不同点在于，图中所示的gra-BSQD-si器件即本发明的基于石墨烯/掺硼硅量子点/硅的光电探测器器件在红外光照下的光电响应要大于图中的graphene-si即传统的石墨烯/硅的光电探测器，证实该器件对普通的石墨烯/硅肖特基结光电探测器的红外响应有明显的改善作用。且该器件在可见脉冲光下测得时间响应为上升沿10ns左右，具有高速响应的特点，有利于高速成像等作用。

由于发明中的掺硼硅量子点本身具有电致发光的特性，在石墨烯和硅之间，将石墨烯作为透明导电膜，给器件施加大于8V的正向偏压，可以观察到微弱的发光现象，即该器件也可用于LED的电致发光研究，具有多功能用途。