石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器及其制備方法，其是在氧化鋅單晶基片的上表面覆蓋與氧化鋅單晶基片呈肖特基接觸的石墨烯薄膜，下表面設置有與氧化鋅單晶基片呈歐姆接觸的鈦/金電極；在氧化鋅單晶基片與石墨烯薄膜之間的局部位置設置有二氧化硅絕緣層；在石墨烯薄膜的上方引出有與石墨烯薄膜呈歐姆接觸的銀電極，其不超出二氧化硅絕緣層所在的區域。本發明的紫外光電探測器一方面利用了結晶質量優異的氧化鋅單晶基片，另一方面利用了石墨烯優異的透光和電學特性，所得器件光吸收能力強、響應度大、且具有很高的可靠性，為氧化鋅單晶材料在光電探測領域的應用中開拓了新的前景。
【專利說明】
石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于半導體光電探測領域，具體涉及一種肖特基結紫外光電探測器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]紫外光是一種波長在10nm-400nm的電磁波，在社會生活中比較常用的主要細分為三類，UVA(320nm-400nm)、UVB(280nm-320nm)、UVC(180-280nm)。紫外光在軍事和民用領域應用廣泛，在軍事領域主要用于通信、干擾、警告等，民用領域主要有紫外線殺菌消毒、疾病治療和診斷、印刷、光固化等，由于紫外光對人體特別是皮膚和眼睛的危害，如何高效實時的檢測紫外線意義重大。
[0003]光電探測從工作機制上可分為光子效應探測器和熱輻射探測器。光子效應是利用光子與電子的直接相互作用，激發光的波長需要和半導體帶隙相匹配，由于粒子間的作用時間很短，其響應速度一般比較快。另一種熱輻射探測器是基于材料吸收了光輻射能量后溫度升高，從而改變了它的電學性能，其區別于光子探測器的最大特點是對光輻射的波長無選擇性。光電探測從是否需要外界能量驅動工作可分為光電導型和光伏型，光電導型一般是單純利用半導體的光敏特性制成的器件，而光伏型則是利用內光電效應也即光伏效應產生電壓驅動自身工作的器件。光電探測器的主要參數有響應度、探測率、光譜響應、頻率響應、量子效率、噪聲等效功率等等。
[0004]氧化鋅是具有直接帶隙且禁帶寬度達到了3.4eV的半導體，又由于其具有很強的激子結合能，在I1-VI族半導體中被廣泛研究，并被應用于光通訊、成像、發光等領域。基于氧化鋅的光電探測器也是層出不窮，已見報道的有一維的納米線、納米棒、納米柱等納米結構，二維的有薄膜等，但由于其制備過程比較復雜，而且很難調控微觀形貌和尺寸，又由于納米級的器件多數不具有可重現性和可靠性，這一定程度阻礙了氧化鋅光電探測器的應用。
[0005]石墨烯首次是由英國曼徹斯特大學的兩位科學家利用機械剝離的方法制備出來的，石墨烯具有優異的力學、光學、電學性質，在石墨烯二維平面內，每一個碳原子都以0鍵同相鄰的三個碳原子相連，相鄰兩個鍵之間的夾角為120°，鍵長約為0.142nm，這些C-C鍵使石墨烯具有良好的結構剛性，石墨烯是世界上已知的最牢固的材料，其斷裂強度可達130GPa，楊氏模量為llOGPa，如此高強輕質的薄膜材料，有望用于航空航天等眾多領域。石墨烯的每個晶格內有三個σ鍵，所有碳原子的P軌道均與Sp2雜化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一個離域η鍵，其貫穿整個石墨烯3電子在平面內可以自由移動，使石墨烯具有良好的導電性。石墨烯獨特的結構使其具有室溫半整數量子效應、雙極性電場效應、超導電性、高載流子迀移率等優異的電學性質，載流子迀移率在室溫下可超過15000cm2/V.S。由于其獨有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學家甚至預言其將“徹底改變21世紀”。由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。美國NASA開發出應用于航天領域的石墨烯傳感器，能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測，并且石墨烯在超輕型飛機材料領域的應用上也發揮了重要的作用。因其電阻率極低，電子迀移的速度極快，因此被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。在光電探測領域，雖然石墨烯具有很寬的吸收帶寬，但也存在著明顯的劣勢:本征石墨烯自身由于光吸收率低、缺乏光增益機制，導致石墨烯探測器的響應度較低;石墨烯自身的光生載流子壽命短，僅皮秒左右，導致光生載流子難以有效收集，也嚴重影響探測器的響應度，因此單純的石墨烯基的探測器無法滿足實際應用的需要。
【發明內容】
[0006]本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，旨在充分利用石墨烯和氧化鋅各自的優勢，獲得光吸收能力強、響應度大、且具有很高的可靠性的紫外光電探測器。
[0007]本發明為解決技術問題采用如下技術方案:
[0008]本發明石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，其特點在于:在氧化鋅單晶基片的上表面覆蓋與氧化鋅單晶基片呈肖特基接觸的石墨烯薄膜，下表面設置有與氧化鋅單晶基片呈歐姆接觸的鈦/金電極;在所述氧化鋅單晶基片與所述石墨烯薄膜之間的局部位置設置有與石墨烯薄膜和氧化鋅單晶基片均絕緣的二氧化硅絕緣層;在所述石墨烯薄膜的上方引出有與石墨烯薄膜呈歐姆接觸的銀電極，所述銀電極不超出所述二氧化硅絕緣層所在的區域。
[0009]具體的，所述石墨稀薄膜為通過CVD方法制備的本征石墨稀薄膜。所述鈦/金電極是在厚度5nm的鈦薄膜上沉積有厚度50nm的金薄膜，所述鈦/金電極以鈦薄膜與所述氧化鋅單晶基片接觸。所述二氧化硅絕緣層的厚度為50nm。所述石墨烯薄膜的面積占氧化鋅單晶基片上表面面積的4/5?I;所述二氧化硅絕緣層的面積占氧化鋅單晶基片上表面面積的I/6 ?1/5。
[0010]本發明上述石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器的制備方法是按如下步驟進行:
[0011](I)將氧化鋅單晶基片依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，然后用氮氣槍吹干備用;
[0012](2)通過電子束鍍膜的方法在氧化鋅單晶基片的下表面依次蒸鍍鈦薄膜和金薄膜，構成鈦/金電極；
[0013](3)通過磁控濺射的方法在氧化鋅單晶基片的上表面的局部位置蒸鍍二氧化硅絕緣層；
[0014](4)利用濕法轉移將石墨烯薄膜轉移到氧化鋅單晶基片的上表面，使其完整遮蓋二氧化硅絕緣層，且不超出氧化鋅單晶基片的上表面；
[0015](5)在石墨烯薄膜的上表面點上銀漿作為銀電極，且銀電極不超出所述二氧化硅絕緣層(4)所在的區域，即獲得石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器。
[0016]本發明的紫外光電探測器一方面利用結晶質量優異的氧化鋅單晶基片，不僅可以減少氧化鋅內部缺陷對器件性能的影響，同時由于塊體材料擁有光滑且大面積的二維表面，這可以使石墨烯與氧化鋅基底進行良好的接觸，有助于載流子收集和輸運，從而提升器件的綜合性能；另一方面利用石墨烯這種具有優異的透光和電學特性的材料，可以提高氧化鋅對光的吸收和利用效率，平面電極可以有助于載流子傳輸。本發明利用簡單的工藝結合優異的材料和簡單實用的器件結構可以獲得光吸收能力強、響應度大、且具有很高的可靠性的石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器。
[0017]本發明的石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，對光的吸收能力強、光電流大，具體工作原理如下:氧化鋅單晶基片(呈η型)與底部的鈦/金電極構成良好的歐姆接觸，CVD方法制備的本征石墨烯薄膜為弱P型的類金屬材料，所以氧化鋅與石墨烯薄膜形成肖特基異質結。當對器件施加負偏壓時，由于肖特基的整流效應，此時的反向電流很小，若將紫外光照至器件時，氧化鋅體內會迅速產生電子-空穴對，同時，在電場的作用下，會迅速分離，由于載流子的數目迅速增大，負偏壓下的電流會變得很大，這種有光無光下的電流差異是檢測環境光照的關鍵。本發明中的氧化鋅單晶基片既作為襯底又作為吸收層，與其他器件結構相比可以避免半導體材料和襯底的接觸問題;氧化鋅單晶基片相比與納米和薄膜材料，具有較高的結晶質量和較少的缺陷，這可以提高器件的載流子迀移率，從而提升器件的光電流;單晶基片具有平滑且大面積的二維表面，這可以使石墨烯與氧化鋅的接觸面積大大增大，這有助于載流子的收集和輸運。石墨烯薄膜具有很大的面積，有利于載流子的傳輸，并且具有透光的特性，可以使照向器件的光充分的被氧化鋅吸收轉化。該發明中器件的制備方法簡單，條件容易控制，方便以后大規模生產。相比以往的納米和薄膜器件結構，本發明利用簡單的方法又達到提高器件性能的目的，是未來制備光電器件不錯的途徑。
[0018]與已有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0019]1、本發明通過簡單的工藝方法制備了石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，采用氧化鋅單晶基片作為襯底和吸收層，可以同時解決石墨烯和襯底與氧化鋅的接觸問題，提高了器件的響應度和增益，這是器件的可靠性和可重復性的關鍵；
[0020]2、本發明利用透光和電學性能優異的石墨烯作為頂電極，一方面可以使照向器件的光充分被氧化鋅吸收轉化；另一方面完整的二維平面可以和石墨烯獲得很好的接觸，有利于載流子的輸運，從而提升器件的綜合性能。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明實施例中石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器的結構示意圖；
[0022]圖2為本發明實施例中石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器的實物照片圖；
[0023]圖3為本發明實施例中器件分別在黑暗和365nm光照下的電流與電壓關系特性曲線；
[0024]圖4為本發明實施例中器件隨電壓和波長變化下的各種參數變化關系，圖4(a)表示器件隨電壓變化下的響應度和增益的聯合曲線，圖4(b)表示器件隨波長變化下的光電流和吸收變化情況；
[0025]圖5為本發明實施例中器件分別在黑暗和紫外光照射下的時間響應曲線，其中圖5(a)為時間響應曲線，(Tr表示上升時間，Tf表示下降時間)，圖5(b)為三個月以后的時間響應曲線；
[0026]圖中標號:I為氧化鋅單晶基片;2為石墨烯薄膜;3為鈦/金電極;4為二氧化硅絕緣層;5為銀電極。
【具體實施方式】
[0027]實施例1
[0028]參見圖1，本實施例石墨烯/氧化鋅肖特基結紫外光電探測器具有如下結構:
[0029]在氧化鋅單晶基片I的上表面覆蓋有與氧化鋅單晶基片I呈肖特基接觸的石墨烯薄膜2，下表面設置有與氧化鋅單晶基片I呈歐姆接觸的鈦/金電極3;在氧化鋅單晶基片I與石墨烯薄膜2之間的局部位置設置有與石墨烯薄膜2和氧化鋅單晶基片I均絕緣的二氧化硅絕緣層4;在石墨烯薄膜2的上方引出有與石墨烯薄膜呈歐姆接觸的銀電極5，銀電極不超出二氧化硅絕緣層4所在的區域。器件照片圖見圖2。
[0030]具體的，本實施例石墨烯薄膜為通過CVD方法制備的本征石墨烯薄膜。鈦/金電極是在厚度5nm的鈦薄膜上沉積有厚度50nm的金薄膜。二氧化娃絕緣層的厚度為50nm。石墨稀薄膜的面積占氧化鋅單晶基片上表面面積的4/5; 二氧化硅絕緣層的面積占氧化鋅單晶基片上表面面積的1/5。
[0031]本實施例中石墨烯/氧化鋅肖特基結紫外光電探測器的制備方法是按如下步驟進行:
[0032](I)將氧化鋅單晶基片依次用丙酮、酒精超聲10分鐘，再用去離子水超聲5分鐘，然后用氮氣槍吹干，獲得潔凈的上下表面；
[0033](2)通過電子束鍍膜的方法在氧化鋅單晶基片的下表面依次蒸鍍5nm的鈦薄膜和50nm的金薄膜，構成鈦/金電極；
[0034](3)通過磁控濺射的方法在氧化鋅單晶基片的上表面一側的局部位置蒸鍍50nm的二氧化硅絕緣層；
[0035](4)利用濕法轉移將石墨烯薄膜轉移到氧化鋅單晶基片的上表面，使其完整遮蓋二氧化硅絕緣層，且不超出氧化鋅單晶基片的上表面；
[0036](5)在石墨烯薄膜的上表面點上銀漿作為銀電極，且銀電極不超出二氧化硅絕緣層(4)所在的區域，即獲得石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器。
[OO37 ] 本實施例所得器件在黑暗(dark)和36 5nm光照射下(I i gh t)的電流和電壓的關系特性曲線如圖3所示，可以看出器件具有很好的整流特性和光響應，正負區間具有很好的整流比，為理想的肖特基結。而且器件的光響應主要在負向區間，光電流變為原來的兩倍，正向區間電流幾乎沒有改變，保持在4 X 10—3A左右，這證明了肖特基結型光電探測器為少子器件，工作在反向偏置，也間接表明鈦/金電極與氧化鋅單晶基片有很好的歐姆接觸，石墨烯也與氧化鋅單晶基片形成了很好的肖特基接觸。
[0038]為了進一步研究器件的響應度、增益等參數情況，本實施例根據數據繪出了響應度、增益隨電壓的變化情況如圖4(a)所示，從圖中可以看出，反向偏壓的響應度和增益遠遠大于正向，這也說明，本實施例的器件工作在反向偏置下，隨著反向偏壓的逐漸增大，響應度和增益也在增加，當電壓達到-3V時，器件響應度和增益分別達到了3X 14AW-1和I X 105，和相似的材料和器件結構的探測器相比，具有非常明顯的性能優勢，而且隨著反向偏壓的繼續增大，兩個參數還應該會進一步增大。
[0039]為了研究器件的吸收和響應隨波長變化的情況，本實施例利用紫外-可見-近紅外吸收光譜儀和光譜響應測試系統分別測試了探測器的吸收和光譜響應的情況如圖4(b)所示，從圖中可以看出，器件的吸收主要在紫外波段，而且在380nm出現了明顯的下降，這與氧化鋅的帶隙是相符的，這也說明器件的吸收層主要是氧化鋅單晶基片，通過光譜響應的測試，可以發現器件在370nm左右出現了最大光電流的峰值，這和吸收曲線匹配度非常好，而且，探測器在370nm左右均出現了光電流下降的情況，這說明氧化鋅的單晶質量很高，探測器的光譜選擇性很好。
[0040]為了研究器件的響應速度，本實施例測試了器件的時間響應情況，如圖5(a)所示，在-4V偏壓下，器件的上升時間ir〈ls、下降時間Tf?22s，與同是氧化鋅基的其他探測器相比，具有較快的上升和下降時間。三個月后，按照同樣的測試條件測試器件的時間響應情況，如圖5(b)所示，其與三個月前的測試結果相比，器件的暗電流和光電流幾乎沒有變化，而且響應度也沒有出現下降的情況，這說明本實施例的紫外探測器具有很好的可靠性。
【主權項】
1.石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，其特征在于:在氧化鋅單晶基片(I)的上表面覆蓋有與氧化鋅單晶基片(I)呈肖特基接觸的石墨烯薄膜(2)，下表面設置有與氧化鋅單晶基片(I)呈歐姆接觸的鈦/金電極(3)； 在所述氧化鋅單晶基片(I)與所述石墨烯薄膜(2)之間的局部位置設置有與石墨烯薄膜(2)和氧化鋅單晶基片(I)均絕緣的二氧化硅絕緣層(4); 在所述石墨烯薄膜(2)的上方引出有與石墨烯薄膜呈歐姆接觸的銀電極(5)，所述銀電極不超出所述二氧化硅絕緣層(4)所在的區域。2.根據權利要求1所述的石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，其特征在于:所述石墨稀薄膜為通過CVD方法制備的本征石墨稀薄膜。3.根據權利要求1所述的石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，其特征在于:所述鈦/金電極是在厚度5nm的鈦薄膜上沉積有厚度50nm的金薄膜，所述鈦/金電極以鈦薄膜與所述氧化鋅單晶基片接觸。4.根據權利要求1所述的石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，其特征在于:所述二氧化硅絕緣層的厚度為50nm。5.根據權利要求1所述的石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器，其特征在于:所述石墨烯薄膜的面積占氧化鋅單晶基片上表面面積的4/5?I;所述二氧化硅絕緣層的面積占氧化鋅單晶基片上表面面積的1/6?1/5。6.—種權利要求1?5中任意一項所述的石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器的制備方法，其特征是按如下步驟進行: (1)將氧化鋅單晶基片依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，然后用氮氣槍吹干備用； (2)通過電子束鍍膜的方法在氧化鋅單晶基片的下表面依次蒸鍍鈦薄膜和金薄膜，構成鈦/金電極； (3)通過磁控濺射的方法在氧化鋅單晶基片上表面的局部位置蒸鍍二氧化硅絕緣層； (4)利用濕法轉移將石墨烯薄膜轉移到氧化鋅單晶基片的上表面，使其完整遮蓋二氧化硅絕緣層，且不超出氧化鋅單晶基片的上表面； (5)在石墨烯薄膜的上表面點上銀漿作為銀電極，且銀電極不超出所述二氧化硅絕緣層(4)所在的區域，即獲得石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器。
【文檔編號】H01L31/0224GK106098804SQ201610393017
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日 公開號201610393017.7, CN 106098804 A, CN 106098804A, CN 201610393017, CN-A-106098804, CN106098804 A, CN106098804A, CN201610393017, CN201610393017.7
【發明人】羅林保, 張騰飛, 張登月, 王友義, 鄭坤
【申請人】合肥工業大學