一種基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯新型傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅的光電傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光電探測(cè)器在通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生、空間技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。肖特基結(jié)光電探測(cè)器具有高靈敏度，高光學(xué)響應(yīng)，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在高速信號(hào)調(diào)制、微弱信號(hào)探測(cè)等方面有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)硅基光電探測(cè)器件，無論是通過熱擴(kuò)散還是離子注入工藝加工的器件，它們對(duì)紫外光和部分可見光都存在死層，即光電響應(yīng)非常小，而且響應(yīng)度隨入射光波長(zhǎng)的減小而迅速降低。
[0003]二維晶體在平面內(nèi)具有無限重復(fù)的周期結(jié)構(gòu)，但在垂直于平面的方向只具有納米尺度，因此，二維晶體可以看作是具有宏觀尺度的納米材料，可表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性能。與普通金屬不同，石墨烯是一種具有透明和柔性的新型二維導(dǎo)電材料。石墨烯和硅接觸可以形成肖特基結(jié)，制備工藝簡(jiǎn)單，在光電探測(cè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。由于石墨烯和硅之間有一個(gè)功函差，所以電子從功函較高的硅界面向功函較低的石墨烯界面運(yùn)動(dòng)，界面的固定電荷處形成一個(gè)指向石墨稀方向的電場(chǎng)，當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡，形成具有整流特性的肖特基勢(shì)皇。肖特基結(jié)器件是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，在高頻中有廣泛的應(yīng)用。由于p-n結(jié)正向?qū)〞r(shí)，從P區(qū)注入η去的空穴或從η區(qū)注入P區(qū)的電子，都是少數(shù)載流子，它們需要先形成一定的積累，然后靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電流。這種注入的非平衡載流子的積累稱為電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，嚴(yán)重地影響了 P-n結(jié)的高頻性能。而肖特基勢(shì)皇二極管的正向電流，主要是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子進(jìn)入金屬形成的。它是多子載流子器件。例如對(duì)于金屬和n型半導(dǎo)體的接觸，正向?qū)〞r(shí)，從半導(dǎo)體中月過界面進(jìn)入金屬的電子并不發(fā)生積累，而是直接成為漂移電流而流走。因此肖特基勢(shì)皇二極管比P-n結(jié)二極管有更好的高頻特性，同時(shí)還具有導(dǎo)通壓降較低、開關(guān)速度快、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電傳感器。這種光電傳感器響應(yīng)范圍廣(300?IlOOnm)，響應(yīng)和恢復(fù)速度較快，且其制備方法是基于半導(dǎo)體成熟的硅工藝，能直接集成到電路上，制成光電傳感器芯片。
[0005]本發(fā)明的基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅的光電傳感器，自下而上依次有底電極、η型硅襯底和二氧化硅隔離層，所述的二氧化硅隔離層上開有窗口，窗口內(nèi)η型硅基體暴露出來，二氧化硅隔離層上表面設(shè)有頂電極，頂電極上疊蓋有單層石墨烯和硅量子點(diǎn)薄膜層，單層石墨稀與窗口區(qū)域內(nèi)的η型娃基體接觸形成石墨稀/娃肖特基結(jié)，頂電極的邊界小于二氧化硅隔離層的邊界，單層石墨烯和硅量子點(diǎn)薄膜層的邊界均小于頂電極的外邊界。
[0006]其中，所述的η型硅襯底的厚度通常為500μπι左右，電阻率為I?10Ω.cm。
[0007]所述的二氧化硅隔離層的厚度為300?500nm。
[0008]所述的硅量子點(diǎn)薄膜層的厚度為50?60nm。
[0009]所述的頂電極是與石墨烯形成歐姆接觸的電極，優(yōu)選鉻金電極，厚度比例為5nm:50nmo
[0010]本發(fā)明形成的硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電傳感器是在肖特基結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化和改進(jìn)，除了具有肖特基結(jié)本身具有的優(yōu)點(diǎn)，如依靠多子傳輸，響應(yīng)速度快，反應(yīng)靈敏夕卜，還利用硅量子點(diǎn)作為響應(yīng)增大層，能有效提高器件在整個(gè)波段的響應(yīng)度，尤其是紫外和可見部分的響應(yīng)度，解決了傳統(tǒng)硅基PIN結(jié)對(duì)紫外光探測(cè)響應(yīng)低的問題。當(dāng)然傳感器還利用到了石墨烯特有的透明性，高電導(dǎo)率，高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)，非常適用于超常規(guī)條件下的特殊應(yīng)用。該探測(cè)器在極低的反向偏壓下即可工作，是一種非常有實(shí)用價(jià)值的低能耗器件。這種結(jié)構(gòu)的光電傳感器，制作簡(jiǎn)便，能快速簡(jiǎn)便測(cè)量，可與成熟的半導(dǎo)體硅技術(shù)結(jié)合封裝制備成集成傳感器，市場(chǎng)化前景可觀。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電傳感器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖中:η型硅襯底1、二氧化硅隔離層2、硅窗口3、頂電極4、單層石墨烯5、硅量子點(diǎn)薄膜6和底電極7。
[0014]圖3為基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電傳感器測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0015]參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電傳感器，自下而上依次有底電極7、η型硅基體1、二氧化硅隔離層2，所述的二氧化硅隔離層2上開有窗口3，二氧化硅隔離層上表面設(shè)有頂電極4，頂電極4上疊蓋有單層石墨烯5和硅量子點(diǎn)薄膜6，單層石墨稀5與窗口 3內(nèi)的η型娃基體接觸形成石墨稀/娃肖特基結(jié)，頂電極4的邊界小于二氧化硅隔離層2的邊界，單層石墨烯5和硅量子點(diǎn)烯薄膜層6的邊界均小于頂電極4的外邊界。
[0016]其中，所述的η型硅基體采用厚度為300?500μπι，電阻率為I?10 Ω.cm的η型硅。
[0017]所述的二氧化硅隔離層的厚度為300?500nm。
[0018]所述的硅量子點(diǎn)薄膜的厚度為50?60nm。
[0019]所述的頂電極是與石墨烯形成歐姆接觸的電極，優(yōu)選鉻金電極，厚度比例為5:50nmo
[0020]采用本發(fā)明制備的硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅肖特基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電傳感器，響應(yīng)范圍在300nm的紫外區(qū)域，一直到IlOOnm以上的紅外波段區(qū)域都有很大的響應(yīng)度，響應(yīng)曲線如圖3所示。本發(fā)明中的光電傳感器可以擴(kuò)展到采用成熟的工業(yè)半導(dǎo)體硅技術(shù)結(jié)合封裝制備成集成傳感器，市場(chǎng)化前景可觀。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅的光電傳感器，其特征在于，自下而上依次是底電極(7)、n型硅襯底(I)、二氧化硅隔離層(2)，所述的二氧化硅隔離層(2)上開有窗口(3)使η型硅基體暴露，二氧化硅隔離層上表面設(shè)有頂電極(4)，頂電極(4)上疊蓋有單層石墨烯(5)和硅量子點(diǎn)薄膜層(6)，單層石墨烯(5)與窗口(3)內(nèi)的η型硅基體接觸形成石墨烯/硅肖特基結(jié)，單層石墨烯(5)與頂電極(4)形成歐姆接觸，頂電極(4)的邊界小于二氧化硅隔離層(2)的邊界，單層石墨烯(5)和硅量子點(diǎn)薄膜層(6)的邊界均小于頂電極(4)的外邊界。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅的光電傳感器，其特征在于，所述的硅量子點(diǎn)薄膜層(6)的厚度為50?60nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅的光電傳感器，其特征在于，所述的二氧化娃隔離層(2)厚度為300?500nmo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅的光電傳感器，其特征在于，所述的頂電極(4)采用鉻金電極。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅的光電傳感器，其特征在于，所述的頂電極中絡(luò)層與金層的厚度分別為5nm和50nmo
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于硅量子點(diǎn)/石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電傳感器，該光電傳感器自下而上依次有底電極、n型硅襯底和二氧化硅隔離層，二氧化硅隔離層上開有窗口，窗口內(nèi)n型硅基體暴露出來，二氧化硅隔離層上設(shè)有頂電極，頂電極上疊蓋有單層石墨烯和硅量子點(diǎn)薄膜層，單層石墨烯與窗口內(nèi)的n型硅基體接觸形成石墨烯/硅肖特基結(jié)。本發(fā)明的光電傳感器是在肖特基結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的優(yōu)化和改進(jìn)，除了具有肖特基結(jié)本身具有的優(yōu)點(diǎn)外，還利用硅量子點(diǎn)作為響應(yīng)增大層，能有效提高器件在整個(gè)波段的響應(yīng)度，尤其是紫外和可見部分的響應(yīng)度，解決了傳統(tǒng)硅基PIN結(jié)對(duì)紫外光探測(cè)響應(yīng)低的問題。該探測(cè)器在極低的反向偏壓下即可工作，是一種應(yīng)用前景可觀的低能耗器件。
【IPC分類】B82Y30/00, H01L31/108, H01L31/0352, H01L31/028, B82Y40/00
【公開號(hào)】CN105679857
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610039114
【發(fā)明人】徐楊, 王 鋒, 萬霞, 施添錦, 王雪, 俞濱
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年1月20日