一种基于石墨烯/β‑Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于石墨烯/β‑Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器及其制备方法，其特征在于：是以金属铜片作为衬底，在衬底上固定有β‑Ga2O3单晶片和石墨烯的肖特基结构；该肖特基结构是在β‑Ga2O3单晶片的未抛光面设置有铬/金电极，抛光面设置有石墨烯薄膜；在铬/金电极的表面均匀涂覆有银浆，β‑Ga2O3单晶片和衬底通过银浆粘合；在石墨烯薄膜的一侧引出有引出电极。本发明的深紫外光光电探测器是以β‑Ga2O3和石墨烯形成的肖特基结为器件的核心，既可以利用β‑Ga2O3对深紫外光的灵敏性，又可以结合石墨烯的低电阻率、高透光率等优异特性，因此对于深紫外光有很强的吸收率。

权利要求

1.一种基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器，其特征在于：所述光电探测器是以金属铜片作为衬底(1)，在所述衬底(1)上固定有β-Ga2O3单晶片和石墨烯的肖特基结构；所述β-Ga2O3单晶片和石墨烯的肖特基结构是在所述β-Ga2O3单晶片(2)的未抛光面设置有与β-Ga2O3单晶片呈欧姆接触的铬/金电极(4)，在所述β-Ga2O3单晶片(2)的抛光面设置有与β-Ga2O3单晶片呈肖特基接触的石墨烯薄膜(3)；在所述铬/金电极(4)的表面均匀涂覆有银浆(5)，所述β-Ga2O3单晶片(2)和所述衬底(1)通过所述银浆(5)粘合；

在所述石墨烯薄膜(3)的一侧引出有与石墨烯薄膜呈欧姆接触的引出电极(6)。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器，其特征在于：所述β-Ga2O3单晶片为掺锡单晶片；所述石墨烯薄膜为本征石墨烯薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器，其特征在于：所述银浆(5)的厚度不小于100μm。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器，其特征在于：所述铬/金电极是由厚度为50nm的铬薄膜和厚度为50nm的金薄膜构成，是以铬薄膜与β-Ga2O3单晶片接触，金薄膜蒸镀于铬薄膜表面。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器，其特征在于：所述引出电极(6)是以银浆为材料。

6.一种权利要求1-5中任意一项所述的基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器，其特征在于包括如下步骤：(1)将金属铜片依次用丙酮、酒精超声10分钟，再用去离子水超声5分钟，然后用氮气枪吹干，获得纯净衬底；

(2)利用电子束镀膜在β-Ga2O3单晶片的未抛光面上蒸镀铬薄膜，再在铬薄膜的表面蒸镀金薄膜，形成铬/金电极；

(3)取表面生长有石墨烯的铜箔，通过刻蚀液刻蚀掉铜箔基底，获得石墨烯薄膜；通过湿法转移将所述石墨烯薄膜转移到β-Ga2O3单晶片的抛光面，并在恒温箱中干燥；

(4)将银浆均匀涂在β-Ga2O3单晶片未抛光面的铬/金电极的表面，然后粘合到衬底上；

(5)在石墨烯薄膜上表面点银浆作为引出电极，即得基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器。

说明书

一种基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器及

其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种深紫外光光电探测器及其制备方法，属于半导体器件探测应用领域。

背景技术

[0002] 紫外光是位于日光高能区的不可见光线。紫外光根据波长分为：近紫外光(UVA)、远紫外光(UVB)和超短紫外光(UVC)。UVC是波长280～100nm的紫外光，其被臭氧层全部吸收；UVB是波长315～280nm的紫外光；UVA是波长400～315nm的紫外光。深紫外光光电探测器主要探测UVC波段的紫外光，由于到达地面的UVC波段紫外光微乎其微，所以此种探测器也称为日盲型探测器，主要应用于火焰探测、紫外通信、导弹预警等重要领域。

[0003] β-Gɑ2O3是一种宽禁带半导体，在常温下禁带宽度Eg＝4.9eV，对深紫外光有很好的吸收，特别是在UVC波段具有极强的吸收。并且此材料在常温下非常稳定，所以探测器的性能在一般情况下非常稳定。在恶劣的环境下也能发挥比较好的性能。另外，此种材料的导电性能和发光特性长期以来一直引起人们的注意，在光电子器件方面有广阔的应用前景。目前，基于β-Gɑ2O3的深紫外光光电探测器，绝大多数都是纳米带的结构，优点是β-Gɑ2O3纳米带有比较高的结晶度，缺陷相对少。但是β-Gɑ2O3纳米带表面吸附效应明显，易于受到空气中氧气的影响，探测器的性能发生不良性的改变。另外，目前β-Gɑ2O3纳米带结构的探测器受光面积较小，光电流也比较小，且β-Gɑ2O3纳米带制备比较难以精确控制。

[0004] 石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。其最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光。且石墨烯非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

发明内容

[0005] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，充分利用β-Ga2O3宽禁带半导体材料在紫外探测器中的重要作用，以及石墨烯这一新型的二维纳米材料，提供一种结构新颖、制备工艺简单、光吸收能力强、响应信号强、且抗电磁干扰能力强的深紫外光光电探测器。

[0006] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0007] 本发明基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器，其特点在于：所述光电探测器是以金属铜片作为衬底，在所述衬底上固定有β-Ga2O3单晶片和石墨烯的肖特基结构；所述β-Ga2O3单晶片和石墨烯的肖特基结构是在所述β-Ga2O3单晶片的未抛光面设置有与 β-Ga2O3单晶片呈欧姆接触的铬/金电极，在所述β-Ga2O3单晶片的抛光面设置有与β-Ga2O3单晶片呈肖特基接触的石墨烯薄膜；在所述铬/金电极的表面均匀涂覆有银浆，所述β-Ga2O3单晶片和所述衬底通过所述银浆粘合；在所述石墨烯薄膜的一侧引出有与石墨烯薄膜呈欧姆接触的引出电极。

[0008] 其中，所述β-Ga2O3单晶片为掺锡单晶片，在β-Ga2O3材料的201晶面掺杂锡，其载流子浓度在2×1018/cm3和9×1018/cm3之间。所述石墨烯薄膜为本征石墨烯薄膜。

[0009] 所述银浆的厚度不小于100μm。所述铬/金电极是由厚度为50nm的铬薄膜和厚度为50nm的金薄膜构成，是以铬薄膜与β-Ga2O3单晶片接触，金薄膜蒸镀于铬薄膜表面。所述引出电极是以银浆为材料。

[0010] 本发明上述基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器的制备方法包括如下步骤：

[0011] (1)将金属铜片依次用丙酮、酒精超声10分钟，再用去离子水超声5分钟，然后用氮气枪吹干，获得纯净金属衬底；

[0012] (2)利用电子束镀膜在β-Ga2O3单晶片的未抛光面上蒸镀铬薄膜，再在铬薄膜的表面蒸镀金薄膜，形成铬/金电极；

[0013] (3)取表面生长有石墨烯的铜箔，通过刻蚀液刻蚀掉铜箔基底，获得石墨烯薄膜；通过湿法转移将所述石墨烯薄膜转移到β-Ga2O3单晶片的抛光面，并在恒温箱中干燥；

[0014] (4)将银浆均匀涂在β-Ga2O3单晶片未抛光面的铬/金电极的表面，然后粘合到衬底上；

[0015] (5)在石墨烯薄膜上表面点银浆作为引出电极，即得基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器。

[0016] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

[0017] 1、本发明基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器，是以β-Ga2O3和石墨烯形成的肖特基结为器件的核心，利用β-Ga2O3单晶片来代替以往的纳米带等结构，在一定程度上增大了受光面积；且β-Ga2O3单晶片制备工艺比较成熟，相对于纳米带的制备而言，制备条件更容易控制，比较适合大规模生产，可制备出响应信号强、成本低、结构简单、抗电磁干扰强的深紫外光光电探测器，拓宽了紫外探测器的应用，有很大的市场应用潜力；此外，石墨烯几乎是完全透明的，紫外光能大幅度透过去，增强了光注入效率。

[0018] 2、本发明通过简单的工艺与制备方法制备出肖特基结深紫外光光电探测器，既可以利用β-Ga2O3对深紫外光的灵敏性，又可以结合石墨烯的低电阻率、高透光率等优异特性，因此对于深紫外光有很强的吸收率；

[0019] 3、本发明在β-Ga2O3的未抛光面镀上一层厚度为50nm/50nm的铬/金电极，为的是得到 金属-半导体的欧姆接触，使半导体内部的平衡载流子不发生显著的改变，使接触部分不发生明显的附加阻抗。

附图说明

[0020] 图1为本发明基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器的结构示意图；

[0021] 图2为本发明实施例1中本征石墨烯薄膜的Raman图；

[0022] 图3为本发明实施例1中深紫外光光电探测器样品的光谱响应曲线；

[0023] 图4为本发明实施例1中深紫外光光电探测器样品分别在黑暗和深紫外光(波长为254nm)照射下的电流与电压关系特性曲线；

[0024] 图5为本发明实施例1中深紫外光光电探测器样品分别在黑暗和深紫外光(波长为254nm)照射下的电流与时间关系特性曲线；

[0025] 图中标号：1为衬底；2为β-Ga2O3单晶片；3为石墨烯薄膜；4为铬/金电极；5为银浆；6为引出电极。

具体实施方式

[0026] 实施例1

[0027] 如图1所示，本实施例基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器具有如下结构：以金属铜片作为衬底1，在衬底1上固定有β-Ga2O3单晶片和石墨烯的肖特基结构；β-Ga2O3单晶片和石墨烯的肖特基结构是在β-Ga2O3单晶片2的未抛光面设置有与β-Ga2O3单晶片呈欧姆接触的铬/金电极4，在β-Ga2O3单晶片2的抛光面设置有与β-Ga2O3单晶片呈肖特基接触的石墨烯薄膜3；在铬/金电极4的表面均匀涂覆有银浆5，使铬/金电极4与衬底1呈现良好的欧姆接触；β-Ga2O3单晶片2和衬底1通过银浆5粘合；在石墨烯薄膜3的一侧引出有与石墨烯薄膜呈欧姆接触的引出电极6。

[0028] 上述基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器是按如下步骤进行制备：

[0029] (1)将金属铜片依次用丙酮、酒精超声10分钟，再用去离子水超声5分钟，然后用氮气枪吹干，获得纯净衬底；

[0030] (2)利用电子束镀膜在β-Ga2O3单晶片的未抛光面上蒸镀50nm铬薄膜，再在铬薄膜的表面蒸镀50nm金薄膜，形成铬/金电极；

[0031] (3)取表面生长有石墨烯的铜箔，通过刻蚀液刻蚀掉铜箔基底，获得石墨烯薄膜，其Raman图如图(2)所示；通过湿法转移将石墨烯薄膜转移到β-Ga2O3单晶片的抛光面，并在恒温箱中干燥2h；

[0032] 具体操作方法为：将表面生长有石墨烯的铜箔放入刻蚀液中，刻蚀掉铜箔后所剩下的涂覆有PMMA的石墨烯在去离子水中进行多次清洗，清洗干净后利用特种纸将石墨烯捞出，使 石墨烯平整铺在特种纸上，并用吸水纸将石墨烯四周的水分慢慢吸干，之后用剪刀小心裁剪，使石墨烯尺寸与半导体β-Ga2O3单晶片尺寸相同，然后将剪后的石墨烯转移到β-Ga2O3单晶片上，使石墨烯能与半导体β-Ga2O3单晶片呈现很好的接触，最后将器件放置于温度为60℃的恒温箱中干燥约2h。

[0033] (4)将银浆均匀涂在β-Ga2O3单晶片未抛光面铬/金电极的表面，然后粘合到衬底上；

[0034] (5)在石墨烯薄膜上表面点银浆作为引出电极，即得基于石墨烯/β-Ga2O3的肖特基结深紫外光光电探测器。

[0035] 本实施例所得深紫外光光电探测器样品的光谱响应曲线如图3所示，在黑暗下(dark)和深紫外光(light)照射下电流与电压关系特性曲线如图4所示，电流与时间关系特性曲线如图5所示。

[0036] 从图3中可以看出样品的光谱响应峰值约位于238nm处，并且光谱响应截止于260nm处。从光谱响应曲线可看出本实施例的探测器确实为深紫外光光电探测器，也可以看出本实施例的深紫外光光电探测器具有相当高的光谱选择性。从图4可以看出，样品在黑暗情况下电流比较小，在5V偏压下只有6.73×10-6A,而在深紫外光光照下电流非常大，在5V偏压下达到了6.68×10-3A。从图5可以看出，样品的饱和电流较大，达到了8.57×10-3A。