一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器及其制备方法，探测器从下至上至少包含绝缘衬底、金刚石紫外敏感层、透明石墨烯层和金属电极；金刚石紫外敏感层的表面处形成金刚石表面终端；所述透明石墨烯层设置于金刚石紫外敏感层的金刚石表面终端上；所述金刚石紫外敏感层中均布有若干三维结构。本发明专利技术结构利用石墨烯超高的面内电导特性和其对紫外光的全透过特性，以及三维结构金刚石紫外敏感层对紫外光入射增强的特性，提高了金刚石基紫外探测器的响应度及外量子效率。

Graphene transparent electrode diamond base ultraviolet detector and preparation method thereof

The invention discloses a graphene transparent electrode of diamond based ultraviolet detector and a preparation method thereof, the detector from the bottom contains at least an insulating substrate, diamond ultraviolet sensitive layer, transparent graphene layer and metal electrode; the surface of diamond ultraviolet sensitive layer formed on surface of diamond diamond surface terminal terminal; the transparent graphene the diamond layer is arranged on the ultraviolet sensitive layer; a plurality of uniform three-dimensional structure of the diamond ultraviolet sensitive layer. The structure of the invention using electrical conductivity of graphene high in-plane and the UV transmittance of all, as well as the characteristics of the three-dimensional structure of diamond ultraviolet sensitive layer to enhance the UV incident, improve the response degree and the external quantum efficiency of diamond based UV detectors.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器及其制备方法
本专利技术属于光电子领域，特别是涉及一种金刚石基紫外探测器及其制作方法。
技术介绍
随着光学技术和微电子技术日新月异的发展，紫外探测技术在国民经济及国防建设诸多领域展现出不可替代的应用价值，极具发展前景，已广泛应用于辐射检测、消毒控制生物检测等，检测迅速、准确，而且直观清楚。另外，紫外探测技术在早期导弹预警、制导、通讯等军事领域也有着十分重要的应用。硅基探测器由于硅材料为间接带隙、禁带宽度小(室温下约1.1eV)、本征载流子浓度高、耐化学腐蚀性能差、抗辐射能力差等特点，限制了其在紫外探测方面、高温以及恶劣环境下的应用。GaN和AlGaN作为化合物半导体，其自发极化和压电极化所产生的材料缺陷，界面态缺陷，以及Al在空气中氧化产生的缺陷严重影响了其器件的工作特性。相比之下，作为拥有四面体晶格结构的单质半导体，金刚石材料从禁带宽度(5.5eV)、载流子迁移率(电子：4500cm2/V·s，空穴：3800cm2/V·s)、热导率(22W/cm·K)、击穿场强(>10MV/cm-1)、抗辐射、耐腐蚀等方面全面超越了前几代半导体材料，在克服了第三代半导体由于极化效应产生缺陷而造成的不足的同时还具备“日盲”特性，吸收截至波长降至约225nm，器件在可见光背景下工作时无需配置滤光片或介电涂层。可见，基于金刚石材料的紫外探测器具有独特的性能优势，和巨大的应用潜力，尤其是在抗辐射、系统重量要求比较高的武器装备、航空航天等领域，其将成为今后发展的主流方向。然而目前仍有两个问题制约了金刚石基紫外探测器的发展，一、金属电极阻挡紫外线的入射，减小了有效探测面积，以及金属对紫外线的吸收都使得紫外探测器的响应度与外量子效应受到影响；二、平面结构设计限制了薄膜对紫外线的吸收。因此，新型透明电极材料，以及准三维结构的设计对实现对器件探测能力的提升有着迫切的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器及其制备方法，以解决传统金属电极对紫外线的阻挡及吸收问题，以及平面结构对紫外线吸收的限制，提高现有金刚石紫外探测器的响应度和外量子效率。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，从下至上至少包含绝缘衬底、金刚石紫外敏感层、透明石墨烯层和金属电极；金刚石紫外敏感层的表面处形成金刚石表面终端；所述透明石墨烯层设置于金刚石紫外敏感层的金刚石表面终端上；所述金刚石紫外敏感层中均布有若干三维结构。进一步的，所述绝缘衬底为金刚石、氮化铝、氧化铝或氧化镁；所述金刚石紫外敏感层为单晶或多晶形式，其厚度为0.1-20微米。优选的，绝缘衬底为金刚石，透明石墨烯为单层结构。进一步的，所述若干三维结构为周期性的凸起或凹槽；所述凸起或凹槽截面形状为三角形、圆形或方形；边长或直径为0.1-50微米，间距为0.1-50微米，高度为0.1-5微米。进一步的，所述金刚石表面终端为氧、氮或氟终端。进一步的，所述透明石墨烯层为单层或多层石墨烯结构，其覆盖在金刚石紫外敏感层上，与金刚石表面终端紧密接触。进一步的，透明石墨烯层未完全填充满凹槽三维结构中的凹槽，凹槽内部具有空隙。进一步的，透明石墨烯层未完全填充满凸起三维结构中凸起之间形成的凹槽，凹槽内部具有空隙。进一步的，所述金属电极为金、钯、铂、钛、钨、锆、钼中一种或几种。优选的，金属电极为钨/金或者钯/金组合。一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：1)对绝缘衬底进行清洗及预处理；2)在绝缘衬底上外延一层金刚石紫外敏感层；3)利用光刻、刻蚀技术在金刚石紫外敏感层上获得周期性排布的凸起或凹槽三维结构，同时形成台面结构；4)对外延的金刚石紫外敏感层表面处理，形成金刚石表面终端；5)在三维结构表面形成单层或多层透明石墨烯层，或者将制备好的石墨烯薄膜转移至三维结构表面形成透明石墨烯层；6)利用光刻、电子束蒸发技术，在金刚石紫外敏感层以及透明石墨烯层上形成金属电极，金属电极部分覆盖透明石墨烯层，金刚石紫外敏感层上的下金属电极为条形或闭合环形结构，透明石墨烯层上的上金属电极为条形或圆形。进一步的，步骤1)中所述预处理包含酸液清洗(HCl、H2SO4、HNO3、HClO4、HF)、等离子体表面处理和成核处理。进一步的，步骤2)中，外延方法为微波等离子体化学气相沉积、热丝气相沉积或直流电弧放电沉积；步骤3)中，三维结构制备方法为电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀；步骤4)中，表面处理为反应离子刻蚀、气氛处理或退火处理；步骤5)中，形成透明石墨烯层的方法为真空退火、化学气相沉积或原子层沉积；真空退火方法其真空度为10-6-10-1Torr，退火温度为800-1100℃，退火时间为10-90分钟；化学气相沉积气压为0.1-100Torr，沉积温度为800-1000℃，沉积时间为10-60分钟。进一步的，步骤5)中利用光刻、氧处理技术将透明石墨烯薄层制备成台面大小的形状。本专利技术旨在提供一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，所述紫外探测器至少包含其结构从下之上包含绝缘衬底、金刚石紫外敏感层(包含三维结构)、金刚石表面终端、透明石墨烯层、金属电极。其中金刚石紫外敏感层位于绝缘衬底上方，且包含三维结构；金刚石表面终端位于金刚石紫外敏感层表面；透明石墨烯层位于金刚石表面终端之上，与其紧密接触；金属电极分别位于金刚石紫外敏感层(三维结构台面下方)和透明石墨烯层(三维结构台面上方)。相比现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1)引入对紫外线全透过的石墨烯材料，避免传统金属电极对紫外线的阻挡及吸收问题，增加入射至金刚石敏感层的紫外线数量。相比其他透明导电材料，石墨烯材料层内导电能力极强，避免了电流在金属电极周围的集中现象，使得紫外线在金刚石敏感层中产生的电子空穴对能较高效率地被电极俘获。此外，作为碳原子两种不同杂化方式(sp2石墨烯和sp3金刚石)的代表材料，仅有2％的晶格失配，显著降低了由失配位错引起的界面态，减少其对紫外线的吸收。2)紫外线在金刚石中穿透深度大约为10微米，而传统平面结构只能俘获浅表层内紫外线产生的电子空穴对。因此在本专利技术中引入三维结构设计，一方面提高紫外线的利用率，另一方面提高金属电极对电子空穴对的俘获效率。3)金刚石表面拥有较高的声子能量和较低的表面缺陷，能够有效减少石墨烯与金刚石界面处的电荷杂质散射和光学声子散射，提高石墨烯中载流子的迁移率。通过不同终端的控制，能够进一步控制二者界面态，减少界面对紫外线的吸收。基于上述有益效果，本专利技术的实施能够提高现有金刚石基紫外探测器的响应度和外量子效率。附图说明图1为本专利技术一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器的截面结构示意图；图2a-2f为本专利技术具体实施例1的制备流程截面示意图，其中图2a为衬底处理，图2b为紫外敏感金刚石层外延，图2c为三维结构制备，图2d为表面终端处理，图2e为石墨烯层制备，图2f为金属电极制备；图3为本专利技术具体实施例1探测器结构俯视图；图4a-4f为本专利技术具体实施例2的制备流程截面示意图，其中图4a为衬底处理，图4b为紫外敏感金刚石层外延，图4c为三维结构制备，图4d为表面终端处理，图4e为石墨烯层制备，图4f为金属电极制备；图5为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，其特征在于，从下至上至少包含绝缘衬底(1)、金刚石紫外敏感层(2)、透明石墨烯层(4)和金属电极(5)；金刚石紫外敏感层(2)的表面处形成金刚石表面终端(3)；所述透明石墨烯层(4)设置于金刚石紫外敏感层(2)的金刚石表面终端(3)上；所述金刚石紫外敏感层中均布有若干三维结构。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，其特征在于，从下至上至少包含绝缘衬底(1)、金刚石紫外敏感层(2)、透明石墨烯层(4)和金属电极(5)；金刚石紫外敏感层(2)的表面处形成金刚石表面终端(3)；所述透明石墨烯层(4)设置于金刚石紫外敏感层(2)的金刚石表面终端(3)上；所述金刚石紫外敏感层中均布有若干三维结构。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，其特征在于，所述绝缘衬底为金刚石、氮化铝、氧化铝或氧化镁；所述金刚石紫外敏感层为单晶或多晶形式，其厚度为0.1-20微米。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，其特征在于，所述若干三维结构为周期性的凸起或凹槽；所述凸起或凹槽截面形状为三角形、圆形或方形；边长或直径为0.1-50微米，间距为0.1-50微米，高度为0.1-5微米。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，其特征在于，所述金刚石表面终端为氧、氮或氟终端。5.根据权利要求1所述的一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，其特征在于，所述透明石墨烯层为单层或多层石墨烯结构，其覆盖在金刚石紫外敏感层上，与金刚石表面终端紧密接触。6.根据权利要求1所述的一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，其特征在于，所述金属电极为金、钯、铂、钛、钨、锆、钼中一种或几种。7.权利要求1至6中任一项所述的一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对绝缘衬底进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玮，王宏兴，问峰，刘璋成，李奉南，王艳丰，侯洵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61