[發明專利]一種石墨烯半導體輻射探測器件及其制備方法

有效

• 申請號: 202010857537.5
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112054087B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 黎淼;王巍;霍軍;趙汝法;樊琦;丁立
• 申請（專利權）人: 重慶中易智芯科技有限責任公司
• 主分類號: H01L31/119
• 分類號: H01L31/119;H01L31/18
• 代理公司: 重慶啟恒騰元專利代理事務所(普通合伙) 50232
• 代理人: 黎志紅

1.一種基于石墨烯半導體輻射探測器件的制備方法，所述石墨烯半導體輻射探測器件采用石墨烯場效應管電阻值作為測量物理量，具體包括：半導體晶體材料層、絕緣隔離層、石墨烯材料層及感應信號電極層，其中，所述半導體晶體材料層表面設置有絕緣隔離層，在絕緣隔離層上設置有石墨烯材料層，石墨烯材料層表面設置有感應信號電極層，半導體晶體材料層采用高原子序數CdZnTe晶體制備，用于與入射輻射光子產生相互作用并生成電子云，其接受輻射表面制備金屬電極陰級層，并施加外加偏置電壓，絕緣隔離層用于阻斷探測器半導體漏電流，石墨烯材料層用于感應由于輻射作用導致的半導體材料內部電場變化，及感應信號電極層用于連接石墨烯材料及阻值測量電路的前端信號收集，收集與石墨烯材料層阻態成正比的電信號，所述石墨烯材料層為面元陣列結構石墨烯材料層，其阻態與入射輻射強度成正比，構建面元陣列形式的石墨烯場效應管結構，探測器信號輸出端為感應信號電極層，采用高功函數材料制備電極，探測器結構中絕緣隔離層、石墨烯材料層與感應信號收集層形成了石墨烯場效應管結構；所述半導體晶體材料層厚度及絕緣隔離層厚度滿足1000：1的比例關系；半導體輻射探測器件在正常進行輻射探測前，需要優化調節外加偏壓，使石墨烯材料層處于狄拉克Dirac曲線臨界點，在這一條件下，一旦石墨烯材料層偏置電場產生變化，石墨烯材料層的阻值會發生明顯變化，絕緣隔離層采用SiO₂，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、首先，采用機械剝離及化學氣相沉積的方法在CdTe及CdZnTe晶體表面制備石墨烯層，石墨烯沉積在已施加偏置電壓的CdZnTe晶體表面；

步驟2、采用標準等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)在CdZnTe晶體表面制備SiO2薄膜作為絕緣隔離層，實現500nm SiO2薄膜沉積以SiO2絕緣層為基底，采用化學氣相沉積制備石墨烯，再從制備基底上轉移石墨烯到SiO2絕緣層；

步驟3、轉移石墨烯完成后，采用標準半導體光刻技術進行面元陣列石墨烯層制備，光刻圖形為面元陣列形狀，在器件的石墨烯層上形成面元陣列石墨烯層，關鍵步驟在于：需要保留的石墨烯面元陣列部分保留光刻膠，其余部分通過顯影液去除光刻膠，通過干法刻蝕機去除器件多余石墨烯材料，刻蝕參數為氧等離子體壓強20mTorr(毫托)，功率30W(瓦)，氧氣流量30sccm(標準狀態毫升/分鐘)條件，刻蝕時間20s(秒)；

步驟4、面元陣列石墨烯層制備完畢后，再次利用標準半導體工藝進行電極制備，光刻圖形為面元陣列形狀，在面元陣列石墨烯層上形成面元陣列電極，采用電子束蒸發儀器生長100nm厚度金屬電極，器件制備完成。

2.根據權利要求1所述的輻射探測器件的制備方法，其特征在于，

所述步驟2從制備基底上轉移石墨烯到SiO2絕緣層的步驟如下：

(1)采用旋涂工藝在石墨烯表面制備PMMA膠體；

(2)高溫環境靜置15分鐘，通過PMMA膠體有機溶劑揮發提高PMMA膠體均勻性，增強石墨烯薄膜與PMMA膠體結合度；

(3)通過8％Fe(NO3)3溶液腐蝕清除石墨烯制備基底，腐蝕時間9小時，完成基底腐蝕后將表面制備了石墨烯的PMMA膠使用去離子水清洗，并用CdZnTe晶體的SiO2薄膜層一側吸附石墨烯層一側；

(4)將器件置于50攝氏度環境烘干至表面水分蒸發，分別升溫至90攝氏度加熱15分鐘，130攝氏度加熱10分鐘；

(5)將器件倒置，使用沖洗裝置用丙酮溶液自下而上沖洗器件的石墨烯/PMMA層一側，去除PMMA膠體，最終獲得CdZnTe/SiO2襯底表面的石墨烯薄膜。