一種基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯的制造領(lǐng)域，涉及一種石墨烯基的光電探測(cè)器制備方法，尤其涉及一種基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)是一種碳原子以sp2雜化軌道組成六角形，呈蜂巢晶格排列的單層二維晶體。2004年，Novoselov和Geim的團(tuán)隊(duì)用微機(jī)械剝離法制備出室溫下可以穩(wěn)定存在的石墨烯，掀起了石墨烯研究的熱潮。近年來(lái)，石墨烯的材料制備、轉(zhuǎn)移、表征以及在半導(dǎo)體，化學(xué)等功能器件上的應(yīng)用的一系列研究相繼展開(kāi)，進(jìn)展迅速。由于石墨烯獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，室溫下超高的電子迀移率(理論上可達(dá)200，OOOcm2.V 1.s 3，近彈道傳輸?shù)碾娮有再|(zhì)(電子的平均自由程達(dá)亞微米量級(jí))，高導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，從晶體管到化學(xué)傳感器，再到納米機(jī)電器件等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力；由于其獨(dú)特的光吸收特性(對(duì)光的吸收率僅有2.3%，且吸收光的波長(zhǎng)范圍覆蓋了紅外光，可見(jiàn)光和紫外光)，石墨烯在光電器件上的應(yīng)用逐漸被人們發(fā)覺(jué)，并被認(rèn)為是最具潛力的應(yīng)用方向之一。
[0003]傳統(tǒng)的光電探測(cè)器的基本原理如下??給pn結(jié)或者pin結(jié)施加一個(gè)反向偏壓，當(dāng)能量高于半導(dǎo)體吸收層帶隙的入射光照射在耗盡區(qū)時(shí)，光被吸收并產(chǎn)生光生載流子，光生電子空穴對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下分離很快到達(dá)兩側(cè)電極，從而產(chǎn)生光電流達(dá)到探測(cè)光信號(hào)的目的。與傳統(tǒng)的光電探測(cè)器相比，石墨稀基光電探測(cè)器(Graphene-Based Photodetectors,GBPD)由于石墨烯的零帶隙而具有很寬的頻率探測(cè)范圍，因此沒(méi)有傳統(tǒng)探測(cè)器的“長(zhǎng)波限制”。另外，GBro還具有高速特性，這是源于其室溫下載流子的迀移率比普通半導(dǎo)體材料高出一個(gè)量級(jí)。以半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)為有源區(qū)的光電探測(cè)器的光電流產(chǎn)生機(jī)理與傳統(tǒng)的探測(cè)器有所不同，石墨烯-半導(dǎo)體的接觸界面類似于金屬半導(dǎo)體接觸，接觸界面附近的內(nèi)建電場(chǎng)可分離光生載流子，從而產(chǎn)生光電流。另外，光激發(fā)產(chǎn)生的熱載流子亦可導(dǎo)致光熱電效應(yīng)，從而產(chǎn)生光電流。
[0004]原子層沉積技術(shù)(Atomic Layer Deposit1n，ALD)由于其沉積參數(shù)的高度可控型(厚度，成份和結(jié)構(gòu))，優(yōu)異的沉積均勻性和一致性使得其在微納電子和納米材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，是制備薄膜半導(dǎo)體材料最理想的方式，且可將薄膜半導(dǎo)體材料制備到任意半導(dǎo)體、絕緣體、甚至柔性襯底上。
[0005]目前，現(xiàn)有的半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)，如GaN-石墨稀，Ge-石墨烯等，都是將石墨烯轉(zhuǎn)移到固定半導(dǎo)體襯底(如GaN、Ge等)上，不易于硅基集成，且成本較高。而使用薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)作為光電探測(cè)器的有源區(qū)，可以制備在任意半導(dǎo)體、絕緣體、甚至柔性襯底上，易于硅基集成，且有效節(jié)約了工藝成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中制備半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)時(shí)需要將石墨烯轉(zhuǎn)移到固定的半導(dǎo)體襯底上，導(dǎo)致硅基集成困難，且成本較高的問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法，所述制備方法至少包括步驟:
[0008]I)提供一襯底，在所述襯底表面兩側(cè)生長(zhǎng)金屬電極；
[0009]2)在所述襯底及金屬電極表面生長(zhǎng)薄膜半導(dǎo)體層；
[0010]3)去除部分薄膜半導(dǎo)體層，暴露出其中一側(cè)的金屬電極以及部分襯底；
[0011]4)在步驟3)獲得的結(jié)構(gòu)表面形成石墨稀層；
[0012]5)去除所述薄膜半導(dǎo)體層表面多余的石墨烯層，剩下的石墨烯層與所述薄膜半導(dǎo)體層接觸，形成異質(zhì)結(jié)。
[0013]可選地，所述步驟I)中采用lift-off工藝生長(zhǎng)所述金屬電極的具體過(guò)程為:
[0014]1-1)在所述襯底上旋涂光刻膠，并利用光刻定義金屬電極的位置和形狀；
[0015]1-2)利用顯影技術(shù)將需要生長(zhǎng)金屬電極的位置的光刻膠去除；
[0016]1-3)利用電子束蒸發(fā)或者射頻濺射方式在步驟1-2)獲得的結(jié)構(gòu)表面形成一層金屬，并放入丙酮中，去除光刻膠及光刻膠上金屬，保留的無(wú)光刻膠處的金屬，形成金屬電極。
[0017]可選地，所述襯底為半導(dǎo)體襯底、絕緣襯底或者柔性襯底。
[0018]可選地，所述半導(dǎo)體襯底為S1、Ge或GaN中的一種，所述絕緣襯底為Si02、Al203或!1?)2中的一種，所述柔性襯底為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。
[0019]可選地，所述金屬電極為T1、N1、Ru、Ir、Au、Pt、Co、Ag及其合金中的任意一種。
[0020]可選地，所述薄膜半導(dǎo)體層為AlTiN、TiNO或ZnO中的一種。
[0021]可選地，所述薄膜半導(dǎo)體層的厚度范圍為10?lOOnm。
[0022]可選地，所述步驟3)中去除部分薄膜半導(dǎo)體層之后，還包括進(jìn)行熱退火處理的步驟。
[0023]可選地，所述熱退火處理包括:在真空環(huán)境或惰性氣氛中，在400°C?600°C溫度下，保持0.5?3分鐘后冷卻降溫，使所述薄膜半導(dǎo)體層和金屬電極鍵合，形成歐姆接觸。
[0024]可選地，所述步驟2)中，采用ALD技術(shù)在所述襯底及金屬電極表面生長(zhǎng)薄膜半導(dǎo)體層。
[0025]如上所述，本發(fā)明的基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法，包括步驟:首先，提供一襯底，在所述襯底表面兩側(cè)生長(zhǎng)金屬電極；然后在所述襯底及金屬電極表面生長(zhǎng)薄膜半導(dǎo)體層；接著，去除部分薄膜半導(dǎo)體層，暴露出其中一側(cè)的金屬電極以及部分襯底；接著在整個(gè)結(jié)構(gòu)表面形成石墨烯層；最后，去除所述薄膜半導(dǎo)體層表面多余的石墨烯層，剩下的石墨烯層與所述薄膜半導(dǎo)體層接觸，形成異質(zhì)結(jié)。本發(fā)明通過(guò)ALD技術(shù)生長(zhǎng)薄膜半導(dǎo)體與石墨形成異質(zhì)結(jié)作為光電探測(cè)器的有源區(qū)，該結(jié)構(gòu)可以制備在任意半導(dǎo)體、絕緣體、甚至柔性襯底上，易于硅基集成，且有效節(jié)約了工藝成本。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法的流程圖。
[0027]圖2為本發(fā)明基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法步驟I)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3為本發(fā)明基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法步驟2)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4為本發(fā)明基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法步驟3)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖5為本發(fā)明基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法步驟4)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖6為本發(fā)明基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法步驟5)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0033]SI ?S5 步驟
[0034]10襯底
[0035]20、30金屬電極
[0036]40薄膜半導(dǎo)體層
[0037]50石墨烯層
【具體實(shí)施方式】
[0038]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0039]請(qǐng)參閱附圖1?圖6。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0040]本發(fā)明提供一種薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法，如圖1所示，所述制備方法至少包括以下步驟:
[0041]SI，提供一襯底，在所述襯底表面兩側(cè)生長(zhǎng)金屬電極；
[0042]S2，在所述襯底及金屬電極表面生長(zhǎng)薄膜半導(dǎo)體層；
[0043]S3，去除部分薄膜半導(dǎo)體層，暴露出其中一側(cè)的金屬電極以及部分襯底；
[0044]S4，在步驟3)獲得的結(jié)構(gòu)表面形成石墨稀層；
[0045]S5，去除所述薄膜半導(dǎo)體層表面多余的石墨烯層，剩下的石墨烯層與所述薄膜半導(dǎo)體層接觸，形成異質(zhì)結(jié)。
[0046]下面結(jié)合具體附圖對(duì)本發(fā)明的基于薄膜半導(dǎo)體-石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器制備方法作詳細(xì)的介紹。