一种基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法，包括步骤：首先，提供一衬底，在所述衬底表面两侧生长金属电极；然后在所述衬底及金属电极表面生长薄膜半导体层；接着，去除部分薄膜半导体层，暴露出其中一侧的金属电极以及部分衬底；接着在整个结构表面形成石墨烯层；最后，去除所述薄膜半导体层表面多余的石墨烯层，剩下的石墨烯层与所述薄膜半导体层接触，形成异质结。本发明专利技术通过ALD技术生长薄膜半导体与石墨形成异质结作为光电探测器的有源区，该结构可以制备在任意半导体、绝缘体、甚至柔性衬底上，易于硅基集成，且有效节约了工艺成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法
本专利技术属于石墨烯的制造领域，涉及一种石墨烯基的光电探测器制备方法，尤其涉及一种基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是一种碳原子以sp2杂化轨道组成六角形，呈蜂巢晶格排列的单层二维晶体。2004年，Novoselov和Geim的团队用微机械剥离法制备出室温下可以稳定存在的石墨烯，掀起了石墨烯研究的热潮。近年来,石墨烯的材料制备、转移、表征以及在半导体，化学等功能器件上的应用的一系列研究相继展开，进展迅速。由于石墨烯独特的零带隙能带结构，室温下超高的电子迁移率(理论上可达200,000cm2·V-1·s-1)，近弹道传输的电子性质(电子的平均自由程达亚微米量级)，高导热性等特点，从晶体管到化学传感器，再到纳米机电器件等领域有着很大的应用潜力；由于其独特的光吸收特性(对光的吸收率仅有2.3％，且吸收光的波长范围覆盖了红外光，可见光和紫外光)，石墨烯在光电器件上的应用逐渐被人们发觉，并被认为是最具潜力的应用方向之一。传统的光电探测器的基本原理如下：给pn结或者pin结施加一个反向偏压，当能量高于半导体吸收层带隙的入射光照射在耗尽区时，光被吸收并产生光生载流子，光生电子空穴对在外加电场的作用下分离很快到达两侧电极，从而产生光电流达到探测光信号的目的。与传统的光电探测器相比，石墨烯基光电探测器(Graphene-BasedPhotodetectors，GBPD)由于石墨烯的零带隙而具有很宽的频率探测范围，因此没有传统探测器的“长波限制”。另外,GBPD还具有高速特性,这是源于其室温下载流子的迁移率比普通半导体材料高出一个量级。以半导体-石墨烯异质结为有源区的光电探测器的光电流产生机理与传统的探测器有所不同，石墨烯-半导体的接触界面类似于金属半导体接触，接触界面附近的内建电场可分离光生载流子，从而产生光电流。另外，光激发产生的热载流子亦可导致光热电效应,从而产生光电流。原子层沉积技术(AtomicLayerDeposition，ALD)由于其沉积参数的高度可控型(厚度，成分和结构)，优异的沉积均匀性和一致性使得其在微纳电子和纳米材料等领域具有广泛的应用潜力，是制备薄膜半导体材料最理想的方式，且可将薄膜半导体材料制备到任意半导体、绝缘体、甚至柔性衬底上。目前，现有的半导体-石墨烯异质结，如GaN-石墨烯，Ge-石墨烯等，都是将石墨烯转移到固定半导体衬底(如GaN、Ge等)上，不易于硅基集成，且成本较高。而使用薄膜半导体-石墨烯异质结作为光电探测器的有源区，可以制备在任意半导体、绝缘体、甚至柔性衬底上，易于硅基集成，且有效节约了工艺成本。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法，用于解决现有技术中制备半导体-石墨烯异质结时需要将石墨烯转移到固定的半导体衬底上，导致硅基集成困难，且成本较高的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法，所述制备方法至少包括步骤：1)提供一衬底，在所述衬底表面两侧生长金属电极；2)在所述衬底及金属电极表面生长薄膜半导体层；3)去除部分薄膜半导体层，暴露出其中一侧的金属电极以及部分衬底；4)在步骤3)获得的结构表面形成石墨烯层；5)去除所述薄膜半导体层表面多余的石墨烯层，剩下的石墨烯层与所述薄膜半导体层接触，形成异质结。可选地，所述步骤1)中采用lift-off工艺生长所述金属电极的具体过程为：1-1)在所述衬底上旋涂光刻胶，并利用光刻定义金属电极的位置和形状；1-2)利用显影技术将需要生长金属电极的位置的光刻胶去除；1-3)利用电子束蒸发或者射频溅射方式在步骤1-2)获得的结构表面形成一层金属，并放入丙酮中，去除光刻胶及光刻胶上金属，保留的无光刻胶处的金属，形成金属电极。可选地，所述衬底为半导体衬底、绝缘衬底或者柔性衬底。可选地，所述半导体衬底为Si、Ge或GaN中的一种，所述绝缘衬底为SiO2、Al2O3或HfO2中的一种，所述柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯。可选地，所述金属电极为Ti、Ni、Ru、Ir、Au、Pt、Co、Ag及其合金中的任意一种。可选地，所述薄膜半导体层为AlTiN、TiNO或ZnO中的一种。可选地，所述薄膜半导体层的厚度范围为10～100nm。可选地，所述步骤3)中去除部分薄膜半导体层之后，还包括进行热退火处理的步骤。可选地，所述热退火处理包括：在真空环境或惰性气氛中，在400℃～600℃温度下，保持0.5～3分钟后冷却降温，使所述薄膜半导体层和金属电极键合，形成欧姆接触。可选地，所述步骤2)中，采用ALD技术在所述衬底及金属电极表面生长薄膜半导体层。如上所述，本专利技术的基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法，包括步骤：首先，提供一衬底，在所述衬底表面两侧生长金属电极；然后在所述衬底及金属电极表面生长薄膜半导体层；接着，去除部分薄膜半导体层，暴露出其中一侧的金属电极以及部分衬底；接着在整个结构表面形成石墨烯层；最后，去除所述薄膜半导体层表面多余的石墨烯层，剩下的石墨烯层与所述薄膜半导体层接触，形成异质结。本专利技术通过ALD技术生长薄膜半导体与石墨形成异质结作为光电探测器的有源区，该结构可以制备在任意半导体、绝缘体、甚至柔性衬底上，易于硅基集成，且有效节约了工艺成本。附图说明图1为本专利技术基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法的流程图。图2为本专利技术基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法步骤1)呈现的结构示意图。图3为本专利技术基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法步骤2)呈现的结构示意图。图4为本专利技术基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法步骤3)呈现的结构示意图。图5为本专利技术基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法步骤4)呈现的结构示意图。图6为本专利技术基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法步骤5)呈现的结构示意图。元件标号说明S1～S5步骤10衬底20、30金属电极40薄膜半导体层50石墨烯层具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅附图1～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本专利技术提供一种薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法，如图1所示，所述制备方法至少包括以下步骤：S1，提供一衬底，在所述衬底表面两侧生长金属电极；S2，在所述衬底及金属电极表面生长薄膜半导体层；S3，去除部分薄膜半导体层，暴露出其中一侧的金属电极以及部分衬底；S4，在步骤3)获得的结构表面形成石墨烯层；S5，去除所述薄膜半导体层表面多余的石墨烯层，剩下的石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于薄膜半导体‑石墨烯异质结的光电探测器制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括步骤：1)提供一衬底，在所述衬底表面两侧生长金属电极；2)在所述衬底及金属电极表面生长薄膜半导体层；3)去除部分薄膜半导体层，暴露出其中一侧的金属电极以及部分衬底；4)在步骤3)获得的结构表面形成石墨烯层；5)去除所述薄膜半导体层表面多余的石墨烯层，剩下的石墨烯层与所述薄膜半导体层接触，形成异质结。

【技术特征摘要】
1.一种基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括步骤：1)提供一衬底，在所述衬底表面两侧生长金属电极；2)采用ALD技术在所述衬底及金属电极表面生长薄膜半导体层，所述薄膜半导体层的厚度范围为10～50nm，所述薄膜半导体层为AlTiN、TiNO或ZnO中的一种；3)去除部分薄膜半导体层，暴露出其中一侧的金属电极以及部分衬底，再进行热退火处理，所述热退火处理包括：在真空环境或惰性气氛中，在400℃～600℃温度下，保持0.5～3分钟后冷却降温，使所述薄膜半导体层和金属电极键合，形成欧姆接触；4)在步骤3)获得的结构表面形成石墨烯层；5)去除所述薄膜半导体层表面多余的石墨烯层，剩下的石墨烯层与所述薄膜半导体层接触，形成异质结。2.根据权利要求1所述的基于薄膜半导体-石墨烯异质结的光电探测器制备方法，其特征在于：所述步骤1)中采用lift-off工艺生长所述金属电极的...

【专利技术属性】
技术研发人员：程新红，郑理，王中健，曹铎，王谦，沈玲燕，张栋梁，俞跃辉，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31