氧化镓/石墨烯异质结零功耗光电探测器及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化镓/石墨烯异质结型光电探测器及其制造方法。所述的光电探测器包括依次叠置的衬底、石墨烯层、氧化镓薄膜和电极。石墨烯层优选为标准湿法转移的石墨烯，氧化镓薄膜优选为室温生长非晶氧化镓薄膜。本发明专利技术中非晶氧化镓薄膜采用磁控溅射方法生长，工艺可控性强、容易操作，制作成本低。本发明专利技术制得的氧化镓薄膜表面致密、厚度稳定均一，适于大面积制备、且重复性好。本发明专利技术制得的光电探测器能够在零功耗下工作，在日盲紫外探测领域具有潜在的应用前景。

GaO/Graphene Heterojunction Zero Power Photodetector and Its Manufacturing Method

The invention provides a gallium oxide/graphene heterojunction photodetector and a manufacturing method thereof. The photodetector comprises a successively overlapped substrate, a graphene layer, a gallium oxide film and an electrode. Graphene layer is preferred to be standard wet transfer graphene, and gallium oxide film is preferred to be amorphous gallium oxide film grown at room temperature. The amorphous gallium oxide film of the invention is grown by magnetron sputtering method, with strong process controllability, easy operation and low production cost. The gallium oxide film prepared by the invention has compact surface and uniform thickness, is suitable for large area preparation and good repeatability. The photoelectric detector prepared by the invention can work at zero power consumption and has potential application prospect in the field of solar-blind ultraviolet detection.

【技术实现步骤摘要】
氧化镓/石墨烯异质结零功耗光电探测器及其制造方法
本专利技术属于光电探测器
，特别涉及一种氧化镓/石墨烯异质结的光电探测器及其制造方法。所述方法在石墨烯层衬底上生长氧化镓薄膜形成探测器，所述探测器可作为一种零功耗日盲紫外探测器。
技术介绍
大气中的平流臭氧层对波长在200nm到280nm之间的紫外光具有强烈的吸收作用，到达地面的处在该波段的紫外光辐射在海平面附近几乎衰减至零，故被称作日盲区，这就为工作于该波段的日盲-紫外光电探测系统提供了一个良好的信号背景。随着日盲-紫外探测技术的发展，其在日盲-紫外通信、导弹预警跟踪、火箭尾焰探测、天基紫外预警、紫外超光谱侦察、着舰引导、电晕探测、海上搜救等军用与民用领域有着广泛的应用前景。要实现日盲紫外探测，器件核心半导体材料的禁带宽度要大于4.4eV(对应探测波长280nm)，Ga2O3的禁带宽度约为4.9eV，正好对应于日盲区，室温下激子束缚能高达40～50meV，远高于室温热离化能(26meV)，并具有优异的热稳定性和化学稳定性，是制备光电探测器，特别是日盲紫外探测器件的天然理想材料。目前报道的Ga2O3薄膜基日盲-紫外探测器的结构主要有金属-半导体-金属型、肖特基结型，异质结和雪崩二极管型。金属-半导体-金属型器件具有工艺简单、方便集成的优势，但没有内部增益、对微弱光信号的探测能力差、难以获得高的光电响应度。肖特基、异质结和雪崩型器件利用了结效应的光生载流子倍增效果和对载流子输运的调制作用，往往能够获得较高的光电流增益和较快的响应速度。目前基于Ga2O3薄膜的异质结型日盲紫外探测的研究还处于起步阶段，且主要集中在基于高温条件下生长的单晶或多晶Ga2O3薄膜，但高温生长设备价格昂贵，生长条件要求也较高。如何开发出制备简单、成本较低且性能较高的Ga2O3薄膜异质结型日盲探测器的工艺方法，仍是业界极待解决的问题。另一方面，探测器工作时的功耗一直是实际应用中最关心的问题，目前市场上的真空紫外探测器件由于功耗高而逐渐要被市场淘汰。因此，急需开发一种新型的零功耗日盲紫外探测器。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种室温生长的非晶氧化镓/石墨烯异质结的零功耗日盲紫外探测器及其制造方法，可应用于零功耗日盲紫外探测器。本专利技术在湿法转移了石墨烯层的刚性衬底上制备了非晶氧化镓/石墨烯异质结的零功耗日盲紫外探测器。该专利技术为零功耗的光电探测器，特别是零功耗日盲紫外探测器的制备提供理论和技术支持。本专利技术的室温生长的非晶氧化镓/石墨烯异质结的零功耗日盲紫外探测器，包括依次叠置的衬底、石墨烯层、氧化镓薄膜和电极，其特征在于：所述石墨烯层为标准湿法转移的石墨烯，氧化镓薄膜为室温生长非晶氧化镓薄膜，所述衬底为刚性衬底，如石英玻璃或硅基衬底。根据本专利技术的优选实施方式，所述衬底为具有SiO2层的硅基衬底，且SiO2层厚度为100nm至400nm。根据本专利技术的优选实施方式，所述电极包括Au层或Au/Ti层。根据本专利技术的优选实施方式，所述非晶氧化镓薄膜的厚度为100nm至400nm。本专利技术还提出一种非晶氧化镓薄膜的制造方法，包括：在衬底上，采用磁控溅射法生长氧化镓薄膜；其特征在于：所述氧化镓薄膜为非晶氧化镓薄膜，所述衬底为刚性衬底如石英玻璃或硅基衬底。根据本专利技术的优选实施方式，所述磁控溅射法的生长参数包括：工作气氛为Ar气。根据本专利技术的优选实施方式，所述磁控溅射法的生长参数还包括：溅射功率为60W～100W。根据本专利技术的优选实施方式，所述磁控溅射法的生长参数还包括：工作气压为0.01Pa～10Pa。根据本专利技术的优选实施方式，所述磁控溅射法的生长参数还包括：薄膜生长温度为室温。此外，本专利技术还提出一种非晶氧化镓/石墨烯异质结的零功耗日盲紫外探测器的制造方法，所述零功耗日盲光电探测器包括氧化镓薄膜，所述氧化镓薄膜是通过前述的氧化镓薄膜的制造方法所制造的。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术制备过程简单，采用商业化的制备方法磁控溅射生长薄膜，所用衬底为商业产品，生长温度低、工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、可大面积制备、重复性好。2.本专利技术所得的非晶氧化镓/石墨烯异质结的日盲紫外探测器暗电流小，表现出良好的栅压调控能力，紫外可见抑制比高，制造工艺简单，所用材料容易获得，具有广阔的发展前景，且所制备的器件结构可在零功耗的情况下探测日盲紫外光，在日盲紫外探测领域具有潜在的应用前景。附图说明图1是通过本专利技术一个实施例的方法制备的非晶氧化镓/石墨烯异质结的日盲紫外探测器结构示意图；图2是用本专利技术一个实施例的方法制得的石墨烯单层的拉曼图；图3是用本专利技术一个实施例的方法制得的室温生长非晶氧化镓的扫描电子显微镜图；图4是用本专利技术一个实施例的方法制得非晶氧化镓/石墨烯异质结日盲紫外探测器在黑暗(图中表示为“dark”)及254nm不同光强下的I-V曲线；图5是用本专利技术一个实施例的方法制得的非晶氧化镓/石墨烯异质结日盲紫外探测器在0V偏压及光强为150μW/cm2的254nm光照下的I-t曲线(20个循环)。具体实施方式总的来说，本专利技术提出一种光电探测器及相应的制备方法。所述光电探测器包括依次叠置的衬底、石墨烯层、氧化镓薄膜和电极。本专利技术的石墨烯层和氧化镓薄膜形成氧化镓/石墨烯异质结。所述的氧化镓/石墨烯异质结为肖特基结，其中氧化镓薄膜与石墨烯之间为肖特基接触，即利用半导体与金属接触形成肖特基势垒的原理制成的具有整流特性的器件。与PN结的两种载流子导电不同，肖特基结是只有一种载流子导电的，所以这就导致了肖特基结存在着与PN结形成的二极管完全不一样的特性。对于肖特基结型的光电探测器，将光信号转换为电信号来实现对光辐射的探测这一过程是通过肖特基结来完成的。当石墨烯与氧化镓接触时，氧化镓的功函数小于石墨烯的功函数，电子就会从氧化镓的一侧流向石墨烯的一侧，同时，石墨烯一侧的负电荷密度也相应增加。由于氧化镓中自由电荷密度的限制，这些正电荷将分布在一定厚度的氧化镓表面层内，即形成空间电荷区，空间电荷区内的电场将导致能带弯曲。随着这一过程的不断进行，石墨烯与氧化镓表面处及其内部的所有电子能级将发生变化，最终达到平衡状态，形成肖特基结。而零损耗光电探测器的原理即基于光伏效应实现对光辐射的探测。在此，石墨烯层是由单层sp2杂化的碳原子组成的二维晶体，在面内呈六角蜂窝状无限延生。石墨烯层可以是单层石墨烯，也可以是多层石墨烯。由于单层石墨烯构成的石墨烯层对光的吸收仅为2.3％，优于多层石墨烯，非常适合用于光电探测器的透明电极材料。因此，本专利技术优选为单层石墨烯层。所述的氧化镓薄膜可以是单晶/多晶的氧化镓薄膜，也可以是非晶的氧化镓薄膜。对于单晶/多晶氧化镓薄膜，需要在高温生长，制备成本较高，，对于非晶氧化镓薄膜，可以在室温生长，避免了石墨烯在高温下发生氧化性能下降，因此，本专利技术优选为采用非晶氧化镓薄膜。为了获得更为优异的器件性能，且能够降低成本，易于产业化，本专利技术的氧化镓薄膜的厚度优选为100nm～400nm。本专利技术的衬底可为任意刚性衬底，优选含SiO2层的Si衬底，因为Si基衬底价格低廉，且石墨烯在SiO2层的Si衬底上光学对比度高，易于观察。本专利技术还提出上述光电探测器的制造方法，包括如下步骤：在衬底上形成石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光电探测器，包括依次叠置的衬底、石墨烯层、氧化镓薄膜和电极，其特征在于：所述石墨烯层和氧化镓薄膜形成氧化镓/石墨烯异质结。

【技术特征摘要】
1.一种光电探测器，包括依次叠置的衬底、石墨烯层、氧化镓薄膜和电极，其特征在于：所述石墨烯层和氧化镓薄膜形成氧化镓/石墨烯异质结。2.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述石墨烯层为单层石墨烯。3.如权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于：所述氧化镓薄膜为非晶氧化镓薄膜。4.如权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于：所述氧化镓薄膜的厚度为100nm至400nm。5.如权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于：所述衬底为含SiO2层的Si衬底。6.一种光电探测器的制造方法，包括：在衬底上形成石墨烯层；在石墨烯层...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷雪，
申请(专利权)人：北京镓族科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11