[發(fā)明專利]一種石墨烯透明電極金剛石基紫外探測器及其制備方法

有效

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• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106711241B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發(fā)明（設計）人: 王瑋;王宏興;問峰;劉璋成;李奉南;王艷豐;侯洵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/0236;H01L31/101;H01L31/028;H01L31/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發(fā)明屬于光電子領域，特別是涉及一種金剛石基紫外探測器及其制作方法。

背景技術

隨著光學技術和微電子技術日新月異的發(fā)展，紫外探測技術在國民經(jīng)濟及國防建設諸多領域展現(xiàn)出不可替代的應用價值，極具發(fā)展前景，已廣泛應用于輻射檢測、消毒控制生物檢測等，檢測迅速、準確，而且直觀清楚。另外，紫外探測技術在早期導彈預警、制導、通訊等軍事領域也有著十分重要的應用。

硅基探測器由于硅材料為間接帶隙、禁帶寬度小(室溫下約1.1eV)、本征載流子濃度高、耐化學腐蝕性能差、抗輻射能力差等特點，限制了其在紫外探測方面、高溫以及惡劣環(huán)境下的應用。GaN和AlGaN作為化合物半導體，其自發(fā)極化和壓電極化所產(chǎn)生的材料缺陷，界面態(tài)缺陷，以及Al在空氣中氧化產(chǎn)生的缺陷嚴重影響了其器件的工作特性。

相比之下，作為擁有四面體晶格結構的單質(zhì)半導體，金剛石材料從禁帶寬度(5.5eV)、載流子遷移率(電子：4500cm²/V·s，空穴：3800cm²/V·s)、熱導率(22W/cm·K)、擊穿場強(>10MV/cm^-1)、抗輻射、耐腐蝕等方面全面超越了前幾代半導體材料，在克服了第三代半導體由于極化效應產(chǎn)生缺陷而造成的不足的同時還具備“日盲”特性，吸收截至波長降至約225nm，器件在可見光背景下工作時無需配置濾光片或介電涂層。可見，基于金剛石材料的紫外探測器具有獨特的性能優(yōu)勢，和巨大的應用潛力，尤其是在抗輻射、系統(tǒng)重量要求比較高的武器裝備、航空航天等領域，其將成為今后發(fā)展的主流方向。

然而目前仍有兩個問題制約了金剛石基紫外探測器的發(fā)展，一、金屬電極阻擋紫外線的入射，減小了有效探測面積，以及金屬對紫外線的吸收都使得紫外探測器的響應度與外量子效應受到影響；二、平面結構設計限制了薄膜對紫外線的吸收。因此，新型透明電極材料，以及準三維結構的設計對實現(xiàn)對器件探測能力的提升有著迫切的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯透明電極金剛石基紫外探測器及其制備方法，以解決傳統(tǒng)金屬電極對紫外線的阻擋及吸收問題，以及平面結構對紫外線吸收的限制，提高現(xiàn)有金剛石紫外探測器的響應度和外量子效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種石墨烯透明電極金剛石基紫外探測器，從下至上至少包含絕緣襯底、金剛石紫外敏感層、透明石墨烯層和金屬電極；金剛石紫外敏感層的表面處形成金剛石表面終端；所述透明石墨烯層設置于金剛石紫外敏感層的金剛石表面終端上；所述金剛石紫外敏感層中均布有若干三維結構。

進一步的，所述絕緣襯底為金剛石、氮化鋁、氧化鋁或氧化鎂；所述金剛石紫外敏感層為單晶或多晶形式，其厚度為0.1-20微米。優(yōu)選的，絕緣襯底為金剛石，透明石墨烯為單層結構。

進一步的，所述若干三維結構為周期性的凸起或凹槽；所述凸起或凹槽截面形狀為三角形、圓形或方形；邊長或直徑為0.1-50微米，間距為0.1-50微米，高度為0.1-5微米。

進一步的，所述金剛石表面終端為氧、氮或氟終端。

進一步的，所述透明石墨烯層為單層或多層石墨烯結構，其覆蓋在金剛石紫外敏感層上，與金剛石表面終端緊密接觸。

進一步的，透明石墨烯層未完全填充滿凹槽三維結構中的凹槽，凹槽內(nèi)部具有空隙。

進一步的，透明石墨烯層未完全填充滿凸起三維結構中凸起之間形成的凹槽，凹槽內(nèi)部具有空隙。

進一步的，所述金屬電極為金、鈀、鉑、鈦、鎢、鋯、鉬中一種或幾種。優(yōu)選的，金屬電極為鎢/金或者鈀/金組合。

一種石墨烯透明電極金剛石基紫外探測器的制備方法，包括如下步驟：

1)對絕緣襯底進行清洗及預處理；

2)在絕緣襯底上外延一層金剛石紫外敏感層；

3)利用光刻、刻蝕技術在金剛石紫外敏感層上獲得周期性排布的凸起或凹槽三維結構，同時形成臺面結構；

4)對外延的金剛石紫外敏感層表面處理，形成金剛石表面終端；

5)在三維結構表面形成單層或多層透明石墨烯層，或者將制備好的石墨烯薄膜轉移至三維結構表面形成透明石墨烯層；

6)利用光刻、電子束蒸發(fā)技術，在金剛石紫外敏感層以及透明石墨烯層上形成金屬電極，金屬電極部分覆蓋透明石墨烯層，金剛石紫外敏感層上的下金屬電極為條形或閉合環(huán)形結構，透明石墨烯層上的上金屬電極為條形或圓形。