一种复合衬底结构制造技术

一种复合衬底结构以及该复合衬底的制作方法，通过在GaAs外延层上设置石墨烯层，通过采用该复合衬底制作光电探测器元件或光伏电池元件，可利用石墨烯与GaAs半导体构成肖特基结，光吸收层为GaAs层半导体的耗尽层，并利用石墨烯良好的光透过率和导电效率。从而可以提高采用该复合衬底所制备的光电材料以及光伏电池结构的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种复合衬底结构
本专利技术涉及一种衬底结构，特别是涉及一种在GaAs基底上制备GaAs外延层与石墨烯层的复合衬底结构。
技术介绍
砷化镓(GaAs)是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料之一，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。由于砷化镓具有电子迁移率高(是硅的5～6倍)、禁带宽度大(它为1.43eV，硅为1.1eV)且为直接带隙的特点，容易制成半绝缘材料、本征载流子浓度低、光电特性好，还具有耐热、抗辐射性强及对磁场敏感等优良特性。用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，适于制造高频、高速器件和电路。石墨烯具有非常独特的物理化学特性，它具有超高的电子迁移率，其导热性好，电导率高，与金属接触时电阻低。此外，石墨烯具有独特的光吸收特性，对从紫外到太赫兹波段的光均有吸收。石墨烯的费米能级可以通过栅压的方式进行调控，而且石墨烯的制备工艺与传统的光电传感器件的工艺兼容，因此以包含有石墨烯材料的光电传感器以及光伏电池具有很大的应用前景。目前，以石墨烯为材料的光电传感器的结构中，由于单层石墨烯的吸收率仅为约2.3％，且石墨烯的光生载流子寿命很短(皮秒量级)。往往需要使用等离子增强结构、微腔等来增强石墨烯的吸收以及器件的响应。
技术实现思路
为了解决上述存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种GaAs基底上制备GaAs层与石墨烯层构成的复合衬底结构。通过采用该复合衬底制作光电探测器元件或光伏电池元件，可利用石墨烯与GaAs半导体构成肖特基结，光吸收层为GaAs层半导体的耗尽层，石墨烯的作用是形成肖特基势垒并使入射光透射至半导体的耗尽区。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种复合衬底，具有GaAs基底结构，在GaAs基底结构上设置有本征GaAs层，在本征GaAs层上设置有n型GaAs层，在n型GaAs层上设置有石墨烯层。n型GaAs层为经过蚀刻处形成具有凹槽的图形化结构，所述凹槽结构(105)的截面为V型或U型结构，所述图形化结构的凹槽结构的面积占N型GaAs层有效工作面积的10％-60％。石墨烯材料层填充至图形化结构的凹槽之中，并覆盖在n型GaAs层之上。在n型GaAs层的图形化结构的凹槽结构中设置有石墨烯和GaAs混合材料层。在石墨烯和GaAs混合材料层中的石墨烯包括墨烯颗粒和石墨烯量子点结构，GaAs：石墨烯＝1:2-1:50质量比。一种复合衬底的制作方法，使用GaAs晶元作为基底结构，在GaAs基底结构上制备有本征GaAs层，在所述本征GaAs层上制备有n型GaAs层(103)，在n型GaAs层上制备有石墨烯材料层。在制备石墨烯材料层之前，对n型GaAs层进行蚀刻处理，形成具有凹槽(105)的图形化结构。所述图形化结构的凹槽结构的面积占N型GaAs层有效工作面积的10％-60％。在图形化结构中的凹槽之中填充有石墨烯和GaAs混合材料层。在石墨烯和GaAs混合材料层中的石墨烯包括墨烯颗粒和石墨烯量子点结构。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提供的复合衬底中在与石墨烯接触的n型GaAs层具有图形化结构，图形化结构中凹槽的设置可以增加n型GaAs与石墨烯材料的接触面积，同时凹槽结构侧壁的斜面设置能够提高GaAs层半导体的耗尽层的受光面面积，从而能够提高由该复合衬底结构所制作的光电元件或光伏元件的光电转换效率。附图说明图1为本专利技术中的复合衬底结构示意图；图2为具有图形化部件的复合衬底结构制作方法的工艺流程示意图；图3为在图形化结构中设置有石墨烯和GaAs混合材料层的复合衬底结构制作方法的工艺流程示意图；具体实施方式实施例1以下将借附图详细说明本专利技术实施例提供的复合衬底结构及其制备方法，参见图1，本实施例的复合衬底结构包括具有GaAs基底结构(101)，在GaAs基底结构(101)上设置有本征GaAs层(102)，在本征GaAs层(102)上设置有n型GaAs层(103)，在n型GaAs层上通过对石墨烯进行溶液分散、涂覆并进行烘焙、干燥工艺得到的石墨烯层(104)，该石墨烯层可以为单层石墨烯或多层堆叠构成。在该实施例中利用石墨烯层(104)与n型GaA层(103)构成肖特基结，石墨烯具有良好的透光秀，在与GaAs材料形成肖特基势垒并使入射光透射至半导体的耗尽区，光吸收层为GaAs层半导体的耗尽层。实施例2本专利技术的第二实施例提供了一种具有图形化结构的复合衬底结构的制备方法，参见附图2所示，其具体包括以下步骤：步骤一：提供一个GaAs基底101，且该基地101具有支持本征GaAs层外延生长的外延生长面；步骤二：在GaAs基底101的外延生长本征GaAs外延层102；步骤三：在本征GaAs外延层102上生长n型GaAs层103；步骤四：对该n型GaAs层103进行蚀刻处理从而得到具有凹槽105的图形化结构；步骤五：将石墨烯材料层104填充至图形化结构的凹槽105之中，并覆盖在n型GaAs层之上。在步骤四中，所述图形化结构指所述n型GaAs层具有多个凹槽的连续整体结构，所述多个凹槽的形状不限，可以为圆形、方形、三角形n型GaAs层、菱形或矩形。在同一个n型GaAs层中的多个凹槽的形状可以相同或不同。该图形化结构表面也可以为多个间隔设置的图形，且相邻两个图形之间形成多个凹槽。所述n型GaAs层上面呈现为被蚀刻为多个平行且间隔设置的n型GaAs材料条带。所述多个凹槽的尺寸(孔径)范围为100纳米-50微米，截面形状呈V字形或U字形，其深度大于n型GaAs层厚度的1/4。由于凹槽的设置增加n型GaAs与石墨烯材料的接触面积提高有效的工作区域，并提高GaAs层半导体的耗尽层的受光面面积，从而能够提高由该复合衬底结构所制作的光电元件或光伏元件的光电转换效率。在对n型GaAs层的图形化蚀刻工艺中，n型GaAs层底部的本征GaAs层可以作为蚀刻工艺的阻挡层，所述沟槽底面不露出n型GaAs层下方的GaAs基底层。实施例3本专利技术的第三实施例提供了一种具有图形化结构的复合衬底结构，并在图形化结构的凹槽中填充有石墨烯和GaAs的混合材料，该复合衬底结构的制备方法，参见附图3所示，其具体包括以下步骤：本实施例的制备工艺：步骤一：提供一个GaAs基底101，且该基地101具有支持本征GaAs层外延生长的外延生长面；步骤二：在GaAs基底101的外延生长本征GaAs外延层102；步骤三：在本征GaAs外延层102上生长n型GaAs层103；步骤四：对该n型GaAs层103进行蚀刻处理从而得到具有凹槽105的图形化结构；步骤五：将石墨烯与GaAs混合材料106填充至图形化结构的凹槽105之中，并对填充后的材料进行回刻，从而露出n型GaAs材料的上表面；步骤六：将石墨烯材料层104覆盖在n型GaAs层之上。该混合材料层的具体制备工艺为：通过在石墨烯制备溶液中按照GaAs：石墨烯＝1:2-1:50质量比加入GaAs颗粒并进行充分搅拌混合的形成石墨烯-GaAs混合悬浊液。将混合悬浊液沉积n型GaAs层材料的图形化结构之上并填充至n型GaAs图形化结构的凹槽结构中，进行涂覆和烘干工艺，从而形成石墨烯和GaAs混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合衬底，具有GaAs基底结构(101)，其特征在于，在GaAs基底结构(101)上设置有本征GaAs层(2)，在本征GaAs层(2)上设置有n型GaAs层(3)，在n型GaAs层上设置有石墨烯层(4)。

【技术特征摘要】
1.一种复合衬底，具有GaAs基底结构(101)，其特征在于，在GaAs基底结构(101)上设置有本征GaAs层(2)，在本征GaAs层(2)上设置有n型GaAs层(3)，在n型GaAs层上设置有石墨烯层(4)。2.如权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，n型GaAs层为经过蚀刻处形成具有凹槽(105)的图形化结构，所述凹槽结构(105)的截面为V型或U型结构，所述图形化结构的凹槽结构(105)的面积占N型GaAs层有效工作面积的10％-60％。3.如权利要求2所述的复合衬底结构，其特征在于，石墨烯材料层(104)填充至图形化结构的凹槽(105)之中，并覆盖在n型GaAs层之上。4.如权利要求2所述的复合衬底结构，其特征在于，在n型GaAs层的图形化结构的凹槽结构(105)中设置有石墨烯和GaAs混合材料层(106)。5.如权利要求2-4之一所述的复合衬底结构，其特征在于，在石墨烯和GaAs混合材料层(106)中的石墨烯包括墨烯颗粒和石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵中阳，
申请(专利权)人：北京派克贸易有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11