本发明公开了一种导电沟道日盲光电探测器，包括碳化硅、氧化镓、外延生长石墨烯和电极，所述氧化镓为两层，所述外延生长石墨烯位于两层所述氧化镓之间，所述碳化硅位于其中一层所述氧化镓下，所述电极为两个，两个所述电极与另一层所述氧化镓连接。与现有技术相比，以石墨烯为导电沟道的β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构。该结构改善了器件的迁移率，从而大大提升了器件的响应速度。本发明具有高响应速度，高光暗电流比，高电子迁移率。结构简单，使用方便。
1.一种导电沟道日盲光电探测器，其特征在于：包括碳化硅、氧化镓、外延生长石墨烯和电极，所述氧化镓为两层，所述外延生长石墨烯位于两层所述氧化镓之间，所述碳化硅位于其中一层所述氧化镓下，所述电极为两个，两个所述电极与另一层所述氧化镓连接；
(1)制备β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构：
(1.1)清洗：选取高纯的4H‑SiC晶体作为器件衬底，对衬底进行标准RCA清洗，以去除表面污染物；
(1.2)氢刻蚀：将流量为40L/min的氢气通入反应系统中，在1600℃，100mbar压强下持续反应20s；在氢刻蚀反应阶段结束以后将系统温度降低至1000℃，在流量为20L/min的H2氛围中持续反应6min，从而去除Si化合物；在去除Si化合物反应阶段结束以后将系统温度降低至850℃，并通入流量为6mL/min的SiH4硅烷气流和流量为20L/min的H2，该步骤可以获得缺陷极少的碳化硅表面，作为衬底；
(1.3)以PLD法生长一层β‑Ga2O3：通过激光脉冲沉积法，在碳化硅衬底上面生长氧化镓；将反应腔抽真空，上一步制备的碳化硅衬底放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温，随后开始生长氧化镓；激光能量为240mJ/cm‑2,脉冲频率为3Hz,靶材为氧化镓陶瓷靶，生长150nm厚度的氧化镓薄膜；进行标准清洗；
(1.4)CVD法生长石墨烯：选用高纯度铜箔，厚度为25um，并进行标准RCA清洗；将铜箔置于反应室内，通入1000sccm氩气作为保护气，并以200℃/min升温至1000℃；关闭氩气，通入
1000sccm氢气，维持5min，后逐渐地将气体改为960sccm氩气，40sccm氢气；通入10sccm甲烷气体，保持10min后，关闭甲烷气源，以200℃/min降温至300℃，温度自然降温至150℃时，关闭所有气源，抽真空至0.1mbar；
(1.5)转移石墨烯：将铜箔不带有石墨烯的一面粘贴在热释放胶带上，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液，即PMMA，溶剂为乳酸乙酯，960k，4wt％，设定匀胶转速为3000转，旋涂1min，设置热板温度160℃，烘干样品，保持10min,此时铜箔与热释放胶带分离；将铜箔置于0.5mol/L氯化铁溶液中，由于水的张力作用，铜箔漂浮在溶液表面，腐蚀4小时，去除Cu箔，腐蚀完毕后，PMMA/石墨烯漂浮在溶液上方；
(1.6)使用经过标准清洗后的SiC‑Ga2O3结构将石墨烯薄膜捞出，用镊子将(1.3)中制备的SiC‑Ga2O3结构倾斜一定角度，置于石墨烯正下方，将结构轻轻抬起；并置于H2O：HCI＝
20:1溶液中30min，以去除离子和重金属原子；后置于H2O：NH4OH＝5:1溶液中30min，以去除难溶有机污染物；反复置于去离子水中清洗后使用氮气枪吹干石墨烯薄膜与结构之间的水分，或用滤纸轻轻接触石墨烯边缘，将薄膜下的水分吸干；
(1.7)将转移后的PMMA/石墨烯/衬底放置在通风处晾干，石墨烯薄膜完全贴在目标结构上后，热板烘烤，温度150～200℃，烘烤时间10min；
(1.8)使用热丙酮去除PMMA，并用乙醇溶液清洗2遍以上，去离子水反复清洗；低真空退火，在氢气和氩气的混合气氛下，200℃‑400℃退3h；实现PMMA去除；
(1.9)在转移石墨烯后的氧化镓层上再生长一层氧化镓：将反应腔抽真空，上一步制备的结构放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温，随后开始生长氧化镓；激光能量为
240mJ/cm‑2,脉冲频率为3Hz,靶材为氧化镓陶瓷靶，生长150nm厚度的氧化镓薄膜；完成β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构制备；
通过磁控溅射法，在器件顶层溅射两个电极；电极材料为Au；厚度为100nm；电极大小
100um×100um；在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。
2.根据权利要求1所述的导电沟道日盲光电探测器，其特征在于：其中两个所述电极均与所述外延生长石墨烯连接。
3.根据权利要求1所述的导电沟道日盲光电探测器，其特征在于：其中一个电极与所述外延生长石墨烯连接，另一个所述电极与所述氧化镓连接。
一种导电沟道日盲光电探测器
技术领域
[0001] 本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种导电沟道日盲光电探测器。
背景技术
[0002] 日盲紫外探测器是指主要对日盲区紫外线敏感的探测器。当太阳辐射照射到地球上时，其波长在280nm以下的紫外线部分会被臭氧层吸收而不会到达地球表面，这一波长区域称为日盲区。设计日盲光电探测器，可以在复杂的红外线，可见光背景干扰下精确探测日盲区紫外线，该技术广泛应用于国防应用，紫外天文学，紫外光通信技术等领域。
[0003] 氧化镓是一种宽禁带半导体材料，其吸收截止波长为255‑260nm，因此对于日盲区辐射非常敏感，而对于非日盲区辐射几乎没有响应。使用氧化镓制备日盲光电探测器，具有很好的应用前景。
[0004] 现有技术的方案：
[0005] 目前市场上应用比较广泛的是以硅基电感耦合器件和微通道板器件为主的日盲光电探测器，但是其中硅基电感耦合器件本身不是日盲响应的，使用时需要配备滤光片。而微通道板器件则运行在极高的偏压下，复杂性与重量大大增加。同时国内外科研界也利用宽禁带半导体材料的优异特性进行制备日盲光电探测器，并取得了一系列成果。
[0006] 在《氧化镓MSM日盲紫外光电探测器的研制》一文中，作者制备了一种氧化镓基MSM型日盲光电探测器。该型探测器制备简单，响应度高，且可以兼容现有的CMOS工艺。论文制备的日盲光电探测器成功实现了约600的光暗电流比，响应度达到68.0A/W，较好的完成了探测日盲区辐射的任务。
[0007] 上述光电探测器虽然较好的完成了日盲探测的任务，但是其响应速度不够高，光暗电流比也不够大，原因就是氧化镓迁移率不是特别高。可以进一步改进。
发明内容
[0008] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种导电沟道日盲光电探测器。本发明采用半导体测试技术，制备了一种β‑Ga2O3‑石墨烯‑β‑Ga2O3三层夹心式结构。当光照射到探测器上时，其会在氧化镓层中生成光生载流子。在电场作用下，光生载流子会通过迁移率高石墨烯沟道流向电极，从而形成光电流，达到探测日盲区辐射的目的。
[0009] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0010] 本发明包括碳化硅、氧化镓、外延生长石墨烯和电极，所述氧化镓为两层，所述外延生长石墨烯位于两层所述氧化镓之间，所述碳化硅位于其中一层所述氧化镓下，所述电极为两个，两个所述电极与另一层所述氧化镓连接。
[0011] 其中两个所述电极均与所述外延生长石墨烯连接。
[0012] 其中一个电极与所述外延生长石墨烯连接，另一个所述电极与所述氧化镓连接。
[0013] 本发明制备方法如下：
[0014] (1)制备β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构：
[0015] (1.1)清洗：选取高纯的4H‑SiC晶体作为器件衬底，对衬底进行标准RCA清洗，以去除表面污染物；
[0016] (1.2)氢刻蚀：将流量为40L/min的氢气通入反应系统中，在1600℃，100mbar压强下持续反应20s；在氢刻蚀反应阶段结束以后将系统温度降低至1000℃，在流量为20L/min的H2氛围中持续反应6min，从而去除Si化合物；在去除Si化合物反应阶段结束以后将系统温度降低至850℃，并通入流量为6mL/min的SiH4硅烷气流和流量为20L/min的H2，该步骤可以获得缺陷极少的碳化硅表面，作为衬底；
[0017] (1.3)以PLD法生长一层β‑Ga2O3：通过激光脉冲沉积法，在碳化硅衬底上面生长氧化镓；将反应腔抽真空，上一步制备的碳化硅衬底放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温，随后开始生长氧化镓；激光能量为240mJ/cm‑2,脉冲频率为3Hz,靶材为氧化镓陶瓷靶，生长150nm厚度的氧化镓薄膜；进行标准清洗；
[0018] (1.4)CVD法生长石墨烯：选用高纯度铜箔，厚度为25um，并进行标准RCA清洗；将铜箔置于反应室内，通入1000sccm氩气作为保护气，并以200℃/min升温至1000℃；关闭氩气，通入1000sccm氢气，维持5min，后逐渐地将气体改为960sccm氩气，40sccm氢气；通入10sccm甲烷气体，保持10min后，关闭甲烷气源，以200℃/min降温至300℃，温度自然降温至150℃时，关闭所有气源，抽真空至0.1mbar；
[0019] (1.5)转移石墨烯：将铜箔不带有石墨烯的一面粘贴在热释放胶带上，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液，即PMMA，溶剂为乳酸乙酯，960k，4wt％，设定匀胶转速为3000转，旋涂1min，设置热板温度160℃，烘干样品，保持10min,此时铜箔与热释放胶带分离；将铜箔置于0.5mol/L氯化铁溶液中，由于水的张力作用，铜箔漂浮在溶液表面，腐蚀4小时，去除Cu箔，腐蚀完毕后，PMMA/石墨烯漂浮在溶液上方；
[0020] (1.6)使用经过标准清洗后的SiC‑Ga2O3结构将石墨烯薄膜捞出，用镊子将(1.3)中制备的SiC‑Ga2O3结构倾斜一定角度，置于石墨烯正下方，将结构轻轻抬起；并置于H2O：HCI＝20:1溶液中30min，以去除离子和重金属原子；后置于H2O：NH4OH＝5:1溶液中30min，以去除难溶有机污染物；反复置于去离子水中清洗后使用氮气枪吹干石墨烯薄膜与结构之间的水分，或用滤纸轻轻接触石墨烯边缘，将薄膜下的水分吸干；
[0021] (1.7)将转移后的PMMA/石墨烯/衬底放置在通风处晾干，石墨烯薄膜完全贴在目标结构上后，热板烘烤，温度150～200℃，烘烤时间约10min；
[0022] (1.8)使用热丙酮去除PMMA，并用乙醇溶液清洗2遍以上，去离子水反复清洗；低真空退火，在氢气和氩气的混合气氛下，200℃‑400℃退3h；实现PMMA去除；
[0023] (1.9)在转移石墨烯后的氧化镓层上再生长一层氧化镓：将反应腔抽真空，上一步制备的结构放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温，随后开始生长氧化镓；激光能量为240mJ/cm‑2,脉冲频率为3Hz,靶材为氧化镓陶瓷靶，生长150nm厚度的氧化镓薄膜；完成β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构制备；
[0024] (2)制备欧姆接触
[0025] 通过磁控溅射法，在器件顶层溅射两个电极；电极材料为Au；厚度为100nm；电极大小100um×100um；在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备；至此该实施例制备完成。
[0026] 本发明的有益效果在于：
[0027] 本发明是一种导电沟道日盲光电探测器，与现有技术相比，以石墨烯为导电沟道的β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构。该结构改善了器件的迁移率，从而大大提升了器件的响应速度。本发明具有高响应速度，高光暗电流比，高电子迁移率。结构简单，使用方便。
附图说明
[0028] 图1是本发明的实施例一的器件结构；
[0029] 图2是本发明的实施例二的器件结构；
[0030] 图3是本发明的实施例三的器件结构。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0032] 如图1所示：本发明包括碳化硅、氧化镓、外延生长石墨烯和电极，所述氧化镓为两层，所述外延生长石墨烯位于两层所述氧化镓之间，所述碳化硅位于其中一层所述氧化镓下，所述电极为两个，两个所述电极与另一层所述氧化镓连接。
[0033] 实施例一：
[0034] (1)制备β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构
[0035] (1.1)清洗：选取高纯的4H‑SiC晶体作为器件衬底，对衬底进行标准RCA清洗，以去除表面污染物。
[0036] (1.2)氢刻蚀：将流量为40L/min的氢气通入反应系统中，在1600℃，100mbar压强下持续反应20s；在氢刻蚀反应阶段结束以后将系统温度降低至1000℃，在流量为20L/min的H2氛围中持续反应6min，从而去除Si化合物。在去除Si化合物反应阶段结束以后将系统温度降低至850℃，并通入流量为6mL/min的SiH4硅烷气流和流量为20L/min的H2，该步骤可以获得缺陷极少的碳化硅表面，作为衬底。
[0037] (1.3)以PLD法生长一层β‑Ga2O3：通过激光脉冲沉积法，在碳化硅衬底上面生长氧化镓。将反应腔抽真空，上一步制备的碳化硅衬底放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温，随后开始生长氧化镓。激光能量为240mJ/cm‑2,脉冲频率为3Hz,靶材为氧化镓陶瓷靶，生长150nm厚度的氧化镓薄膜。进行标准清洗。
[0038] (1.4)CVD法生长石墨烯：选用高纯度铜箔，厚度为25um，并进行标准RCA清洗；将铜箔置于反应室内，通入1000sccm氩气作为保护气，并以200℃/min升温至1000℃；关闭氩气，通入1000sccm氢气，维持5min，后逐渐地将气体改为960sccm氩气，40sccm氢气；通入10sccm甲烷气体，保持10min后，关闭甲烷气源，以200℃/min降温至300℃，温度自然降温至150℃时，关闭所有气源，抽真空至0.1mbar
[0039] (1.5)转移石墨烯：将铜箔不带有石墨烯的一面粘贴在热释放胶带上，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液(即PMMA，溶剂为乳酸乙酯，960k，4wt％)，设定匀胶转速为3000转，旋涂1min，设置热板温度160℃，烘干样品，保持10min,此时铜箔与热释放胶带分离；将铜箔置于0.5mol/L氯化铁溶液中，由于水的张力作用，铜箔漂浮在溶液表面，腐蚀4小时，去除Cu箔，腐蚀完毕后，PMMA/石墨烯漂浮在溶液上方。
[0040] (1.6)使用经过标准清洗后的SiC‑Ga2O3结构将石墨烯薄膜捞出，用镊子将(1.3)中制备的SiC‑Ga2O3结构倾斜一定角度，置于石墨烯正下方，将结构轻轻抬起。并置于H2O：HCI＝20:1溶液中30min，以去除离子和重金属原子；后置于H2O：NH4OH＝5:1溶液中30min，以去除难溶有机污染物。反复置于去离子水中清洗后使用氮气枪吹干石墨烯薄膜与结构之间的水分，或用滤纸轻轻接触石墨烯边缘，将薄膜下的水分吸干；
[0041] (1.7)将转移后的PMMA/石墨烯/衬底放置在通风处晾干，石墨烯薄膜完全贴在目标结构上后，热板烘烤，温度150～200℃，烘烤时间约10min(烘烤可以除水，同时使PMMA膜软化，具有柔性，使石墨烯与基片空隙减少，贴合得更好)
[0042] (1.8)使用热丙酮去除PMMA，并用乙醇溶液清洗2遍以上，去离子水反复清洗。低真空退火，在氢气和氩气的混合气氛下，200℃‑400℃退3h。实现PMMA去除。
[0043] (1.9)在转移石墨烯后的氧化镓层上再生长一层氧化镓：将反应腔抽真空，上一步制备的结构放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温，随后开始生长氧化镓。激光能量为240mJ/cm‑2,脉冲频率为3Hz,靶材为氧化镓陶瓷靶，生长150nm厚度的氧化镓薄膜。完成β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构制备。
[0044] (2)制备欧姆接触
[0045] 通过磁控溅射法，在器件顶层溅射两个电极。电极材料为Au。厚度为100nm。电极大小100um×100um。在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。至此该实施例制备完成。
[0046] 如图2所示：实施例二：
[0047] (1)制备β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构重复实施例一中的(1.1)‑(1.9)步骤，制备制备β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构
[0048] (2)实施例二的器件结构如图所示：制备结构中的欧姆电极。
[0049] (2.1)光刻设置欧姆接触窗口图形；通过光刻向氧化镓层上转移欧姆接触窗口图案。两个欧姆接触窗口，大小均为300μm*300μm，
[0050] (2.2)刻蚀氧化镓层：将样品放入反应炉后，抽真空并充入反应气体，反应气体比例BCl3/Ar为35/5,气体总通量为40Sccm。反应腔内压力为5mTorr。通过ICP/RIE联合蚀刻，功率比为900W/90W，对欧姆接触窗口内的氧化镓层进行刻蚀。刻蚀时间为56s。
[0051] (2.3)热退火：对器件进行450℃热退火。退火过程中以Ar气体保护。退火时间30min。
[0052] (2.4)制备欧姆接触：通过磁控溅射法，在上述欧姆接触孔内淀积一层100nm厚的Au作为欧姆接触电极。电极大小100um×100um。在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。至此该实施例制备完成。
[0053] 如图3所示：实施例三：
[0054] (1)制备β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构重复实施例一中的(1.1)‑(1.9)步骤，制备制备β‑Ga2O3/外延生长石墨烯/β‑Ga2O3三层式结构
[0055] (2)实施例三的器件结构如图所示：制备结构中的欧姆电极。
[0056] (2.1)光刻设置欧姆接触窗口图形；通过光刻向氧化镓层上转移欧姆接触窗口图案。两个欧姆接触窗口，大小为300μm*300μm
[0057] (2.2)刻蚀氧化镓层：将样品放入反应炉后，抽真空并充入反应气体，反应气体比例BCl3/Ar为35/5,气体总通量为40Sccm。反应腔内压力为5mTorr。通过ICP/RIE联合蚀刻，功率比为900W/90W，对欧姆接触窗口内的氧化镓层进行刻蚀。刻蚀时间为56s。
[0058] (2.3)热退火：对器件进行450℃热退火。退火过程中以Ar气体保护。退火时间30min。
[0059] (2.4)刻蚀石墨烯层；利用掩膜保护左边的欧姆接触窗口，同时使右边的欧姆接触窗口内的石墨烯暴露出来进行RIE离子蚀刻。,氧流量为10sccm,腔压313mTorr,射频功率为70W,刻蚀时间为17s。
[0060] (2.5)制备欧姆接触：通过磁控溅射法在上述两个欧姆接触孔内淀积一层100nm厚的Au作为欧姆接触电极。电极大小100um×100um。在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。至此该实施例制备完成。
[0061] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
