以氟化石墨烯为绝缘层的硅基雪崩光电探测器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种以氟化石墨烯为绝缘层的硅基雪崩光电探测器及制备方法，所述雪崩光电探测器包括n型硅衬底、二氧化硅隔离层、二氧化硅窗口、氟化石墨烯绝缘层、顶电极、石墨烯薄膜和底电极。氟化石墨烯是石墨烯的衍生物，其电阻可达1TΩ以上，本发明专利技术以氟化石墨烯作为绝缘层制作光电探测器，具有非常低的暗电流噪声；氟化石墨烯插入石墨烯和硅之间，还可以减少硅表面态对石墨烯的影响；在较大的反向偏压作用下，光生载流子与硅晶格产生碰撞离子化，获得很高的增益；本发明专利技术以氟化石墨烯为绝缘层的硅基雪崩光电探测器可以进行宽光谱探测，解决了传统硅基PIN结对紫外光探测响应低的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电探测
，涉及光电探测器件结构，尤其是一种以氟化石墨烯作为绝缘层的石墨烯/氟化石墨烯/硅(MIS)结构的Si-APD光电探测器及制备方法。
技术介绍
雪崩光电二极管具有高灵敏度，高光学响应，响应速度快等优点，在高速调制和微弱信号监测方面有重要应用。光学探测器在化学材料分析、医疗卫生、空间技术和光通讯等方面具有广泛的应用。传统硅基PIN结型紫外探测器件需要热扩散或者离子注入工艺，而且对紫外光存在死层问题，响应随入射光波长的减小而迅速降低。因此，需要提高硅光探测器件对短波长可见光至紫外光的响应。石墨烯是由单层sp2杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。石墨烯和硅接触可以形成肖特基结，制备工艺简单，在光电探测领域有广泛应用。由于石墨烯很薄，所形成的肖特基结是浅结，减少表面复合，可以解决死层问题。肖特基结构探测器的暗电流大于PIN结构器件的暗电流，它影响器件的噪声，这在一定程度上抑制了肖特基结构探测器的发展。因此，需要降低肖特基结构探测器的暗电流，使器件的性能得到提高。氟化石墨烯是石墨烯的衍生物，利用氟化氙(XeF2)，六氟化硫(SF6)和八氧环丁烷(C4F8)等含氟气体对石墨烯进行氟化，可以制备氟化石墨烯。通过改变石墨烯的氟化率，禁带宽度可从0.0eV增加到3.0eV，可以将石墨烯由导体变为半导体或者绝缘体。绝缘的氟化石墨烯可以作为隧穿层，形成金属-绝缘体-半导体(MIS)结构，降低暗电流。有利于提高探测器的开光比，减少器件的功耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器(APD)及制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器，包括：n型硅衬底、二氧化硅隔离层、二氧化硅窗口、氟化石墨烯绝缘层、顶电极、石墨烯薄膜和底电极；其中，所述n型硅衬底的上表面覆盖二氧化硅隔离层，在二氧化硅隔离层上开有二氧化硅窗口，使二氧化硅隔离层成凹形结构，在二氧化硅隔离层的上表面覆盖顶电极，顶电极的外边界小于二氧化硅隔离层的外边界，内边界大于二氧化硅隔离层的内边界；在顶电极的上表面，顶电极、二氧化硅隔离层和n型硅衬底包围形成的梯形空间的内表面覆盖氟化石墨烯绝缘层，顶电极上表面氟化石墨烯绝缘层的覆盖范围小于顶电极的边界；在顶电极上表面和氟化石墨烯绝缘层的上表面覆盖石墨烯薄膜，顶电极上表面石墨烯薄膜的覆盖范围小于顶电极的边界且大于氟化石墨烯绝缘层的边界；在n型硅衬底下表面设置底电极。进一步地，所述的氟化石墨烯绝缘层为单层或多层氟化石墨烯薄膜。进一步地，所述的顶电极是金属薄膜电极，金属材料为铝、金或金铬合金。进一步地，所述的底电极是金属薄膜电极，金属材料为镓铟合金、钛金合金或铝。制备上述以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器的方法，包括以下步骤：(1)在n型硅衬底的上表面氧化生长二氧化硅隔离层，所用n型硅衬底的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层的厚度为300nm～500nm，生长温度为900～1200℃；(2)在二氧化硅隔离层表面光刻出顶电极图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长50nm的金电极；(3)在生长有顶电极的二氧化硅隔离层表面光刻出二氧化硅窗口图形，然后通过反应离子刻蚀技术，采用C4F8等离子体刻蚀二氧化硅隔离层并用缓冲氧化物刻蚀溶液去除残留的二氧化硅；其中，所述缓冲氧化物刻蚀溶液由NH4F、HF和水组成，NH4F：HF：H2O＝60g:30ml:100ml；(4)采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备石墨烯薄膜；(5)制备和转移氟化石墨烯绝缘层，具体步骤如下：(5.1)将带有铜箔的石墨烯薄膜进行氟化：将石墨烯薄膜放入反应离子刻蚀系统的真空腔室中，采用六氟化硫等离子体对石墨烯薄膜表面进行氟化，形成氟化石墨烯绝缘层；(5.2)在顶电极的上表面，顶电极、二氧化硅隔离层和n型硅衬底包围形成的梯形空间的内表面覆盖氟化石墨烯绝缘层；其中，氟化石墨烯绝缘层的转移方法为：将氟化石墨烯绝缘层表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撑的氟化石墨烯绝缘层；将聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撑的氟化石墨烯绝缘层用去离子水清洗后转移到顶电极的上表面，顶电极、二氧化硅隔离层和n型硅衬底包围形成的梯形空间的内表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯薄膜；其中，所述刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4：HCl：H2O＝10g:50ml:50ml；(6)在顶电极的上表面以及氟化石墨烯绝缘层上表面覆盖石墨烯薄膜；其中，转移石墨烯薄膜的方法与步骤(5)中转移氟化石墨烯绝缘层的方法相同；(7)在n型硅衬底底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极，与n型硅衬底形成欧姆接触。为了提高传统硅基光电探测器对短波长可见光至紫外光的响应，并减小暗电流，本专利技术采用石墨烯和硅半导体材料形成肖特基浅结，降低光生载流子在硅表面的复合，增强入射光的吸收，从而提高光生电流；氟化石墨烯是一种宽禁带二维半导体，近似为绝缘体；采用氟化石墨烯插入石墨烯和硅之间，对硅中的多子形成很高的势垒，抑制多子传输到石墨烯，可以大大降低探测器的反向饱和电流；氟化石墨烯没有表面态，可以抑制硅的表面态对石墨烯的影响。以氟化石墨烯为绝缘层，将会提高硅基雪崩光电探测器的性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、入射光照射到MIS Si-APD光电探测器表面，被石墨烯，氟化石墨烯和硅衬底吸收。较大反向偏压加到器件两端，产生的光生载流子(空穴电子对)在APD光二极管内部高电场作用下高速运动，在运动过程中通过碰撞电离效应，产生数量为初始电子空穴对的几十倍二次、三次新空穴电子对，从而形成很大的光信号电流，具有很高的增益。2、石墨烯和硅形成肖特基浅结，入射紫外光容易被吸收，产生的电子空穴很快被内部电场分离，降低表面复合，消除死层。在紫外光区域，量子效率很高。3、石墨烯作为透明电极，增强入射光吸收，提高光生电流，具有很高的光学响应。石墨烯的载流子迁移率很大，可以提高器件的时间响应。4、氟化石墨烯绝缘层对多子形成很高的势垒，抑制硅衬底中的多子(电子)运动到石墨烯，大大降低暗电流，具有很高的开关比。5、本专利技术提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器，其特征在于，包括：n型硅衬底(1)、二氧化硅隔离层(2)、二氧化硅窗口(3)、氟化石墨烯绝缘层(4)、顶电极(5)、石墨烯薄膜(6)和底电极(7)；其中，所述n型硅衬底(1)的上表面覆盖二氧化硅隔离层(2)，在二氧化硅隔离层(2)上开有二氧化硅窗口(3)，使二氧化硅隔离层(2)成凹形结构，在二氧化硅隔离层(2)的上表面覆盖顶电极(5)，顶电极(5)的外边界小于二氧化硅隔离层(2)的外边界，内边界大于二氧化硅隔离层(2)的内边界；在顶电极(5)的上表面，顶电极(5)、二氧化硅隔离层(2)和n型硅衬底(1)包围形成的梯形空间的内表面覆盖氟化石墨烯绝缘层(4)，顶电极(5)上表面氟化石墨烯绝缘层(4)的覆盖范围小于顶电极(5)的边界；在顶电极(5)上表面和氟化石墨烯绝缘层(4)的上表面覆盖石墨烯薄膜(6)，顶电极(5)上表面石墨烯薄膜(6)的覆盖范围小于顶电极(5)的边界且大于氟化石墨烯绝缘层(4)的边界；在n型硅衬底(1)下表面设置底电极(7)。

【技术特征摘要】
1.以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器，其特征在于，包括：n型硅衬
底(1)、二氧化硅隔离层(2)、二氧化硅窗口(3)、氟化石墨烯绝缘层(4)、顶
电极(5)、石墨烯薄膜(6)和底电极(7)；其中，所述n型硅衬底(1)的上表
面覆盖二氧化硅隔离层(2)，在二氧化硅隔离层(2)上开有二氧化硅窗口(3)，
使二氧化硅隔离层(2)成凹形结构，在二氧化硅隔离层(2)的上表面覆盖顶电
极(5)，顶电极(5)的外边界小于二氧化硅隔离层(2)的外边界，内边界大于
二氧化硅隔离层(2)的内边界；在顶电极(5)的上表面，顶电极(5)、二氧化
硅隔离层(2)和n型硅衬底(1)包围形成的梯形空间的内表面覆盖氟化石墨烯
绝缘层(4)，顶电极(5)上表面氟化石墨烯绝缘层(4)的覆盖范围小于顶电极
(5)的边界；在顶电极(5)上表面和氟化石墨烯绝缘层(4)的上表面覆盖石
墨烯薄膜(6)，顶电极(5)上表面石墨烯薄膜(6)的覆盖范围小于顶电极(5)
的边界且大于氟化石墨烯绝缘层(4)的边界；在n型硅衬底(1)下表面设置底
电极(7)。
2.根据权利要求1所述的以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器，其特征
在于，所述的氟化石墨烯绝缘层(4)为单层或多层氟化石墨烯薄膜。
3.根据权利要求1所述的以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器，其特征
在于，所述的顶电极(5)是金属薄膜电极，金属材料为铝、金或金铬合金。
4.根据权利要求1所述的以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器，其特征
在于，所述的底电极(7)是金属薄膜电极，金属材料为镓铟合金、钛金合金或
铝。
5.制备如权利要求1所述的以氟化石墨烯为绝缘层的雪崩光电探测器的方
法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在n型硅衬底(1)的上表面氧化生长二氧化硅隔离层(2)，所用n型
硅衬底(1)的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅隔离层(2)的厚度为300nm～500
nm，生长温度为900～1200℃；
(2)在二氧化硅隔离层(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐杨，万霞，孟楠，陆薇，阿亚兹，王锋，施添锦，俞滨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33