[发明专利]一种含有插层的石墨烯/硅肖特基结光电探测器及制备工艺

说明书

本发明公开了一种含有插层的石墨烯/硅肖特基结光电探测器及制备工艺。该探测器包括硅基底、二氧化硅、背面电极、硅窗口、钆铁石榴石插层、石墨烯和正面环形电极。利用钆铁石榴石薄膜优异的绝缘性能提高石墨烯/硅肖特基结的势垒高度，进而增大内建电场并抑制反向饱和暗电流；利用钆铁石榴石薄膜优异的均匀性和连续性，钝化硅表面，降低表面态密度，进而减小表面复合暗电流。使得该探测器的暗电流得到抑制，光电流提到提升，进而提高器件的开关比、探测率及可靠性。相应的制备工艺操作简单，稳定性好。本发明有助于突破远距离微弱辐射信号探测的技术瓶颈。

技术领域

本发明属于光电探测、半导体物理及微纳制造技术领域，具体涉及一种含有插层的石墨烯/硅肖特基结光电探测器及制备工艺。

背景技术

当今社会已进入信息化时代，而光电探测技术是现代信息获取的主要手段之一，在自动驾驶、数码成像、光通信等领域具有广泛而迫切的应用需求。石墨烯与硅接触形成的肖特基结是有效的光电探测器件，但通常存在着较大的暗电流。光电探测器的暗电流会降低信噪比，尤其是探测微弱辐射信号时，较大的暗电流将严重干扰到光电流的读取，使得探测器的开关比(光电流与暗电流之比)和探测率降低，限制其走向应用。研究发现，石墨烯/硅肖特基结的暗电流与肖特基势垒高度呈指数关系，也与接触界面质量密切相关。较低的势垒高度使得热激发载流子易越过势垒，形成反向饱和暗电流。由于石墨烯不可避免的悬挂键和硅平面较多的缺陷态，石墨烯/硅肖特基结的接触界面通常具有较高的表面态密度，从而产生费米能级钉扎效应，造成载流子重组，形成较大的重组暗电流。文献表明，在肖特基结界面处插入一层薄的绝缘性氧化薄膜，把石墨烯和硅在空间上一定程度地隔开，可以有效抑制暗电流。Li等人曾利用硅表面的自然氧化层(二氧化硅)作为中间插层，当厚度为2nm左右时，暗电流得到有效抑制。但由于硅的自然氧化会长期持续，因此插层厚度不断增加，较厚的氧化层会阻挡光生载流子的隧穿，降低器件的光响应。此外，一些研究者引入氧化铝薄膜来优化石墨烯/硅太阳能电池的肖特基结界面，但没有报道表明其在光电探测器上的可行性。最近，Wang等人通过溶液悬涂法在石墨烯/硅肖特基光电探测器中插入了氧化石墨烯纳米片，使暗电流降低了10倍以上。但基于溶液的界面层面临着非均匀涂布和不稳定性问题。因此，石墨烯/硅肖特基结的暗电流较大及稳定性较低的难题始终没有得到较好的解决，寻找均匀稳定的插层材料对构建高性能石墨烯/硅光电探测器有着深远的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对石墨烯/硅肖特基结光电探测器存在的暗电流较大及稳定性较低的问题，提供了一种含有插层的石墨烯/硅肖特基结光电探测器及制备工艺，有效抑制暗电流，并避免上述现有技术所存在的不足之处，提高器件的开关比、探测率及稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种含有插层的石墨烯/硅肖特基结光电探测器，包括硅基底、二氧化硅绝缘层、背面电极、钆铁石榴石薄膜和正面环形电极；其中，

硅基底为N型轻掺杂；除硅窗口区域外，硅基底被二氧化硅绝缘层所覆盖；硅基底位于器件下层，下方设置有与硅呈欧姆接触的背面电极；石墨烯位于器件上层，上方设置有与石墨烯呈欧姆接触的正面环形电极；正面环形电极不超出硅窗口以外的石墨烯区域；石墨烯和硅窗口接触形成肖特基结；钆铁石榴石薄膜厚度为1-2nm，位于硅窗口和石墨烯(6)的中间，作为插层。

本发明进一步的改进在于，钆铁石榴石薄膜的介电常数10。

本发明进一步的改进在于，钆铁石榴石薄膜的算术平均粗糙度0.5nm。

本发明进一步的改进在于，钆铁石榴石薄膜在1000℃高温及大气中水氧环境下不会发生化学反应，能够保持稳定。

一种含有插层的石墨烯/硅肖特基结光电探测器的制备工艺，包括如下步骤：

1)准备清洁的氧化硅片，其中硅为N型轻掺杂，晶向为100，二氧化硅绝缘层的厚度为200-300nm；