本发明专利技术公开了基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器及其制备方法，是在带有绝缘层的Si基底上刻蚀形成Si微米孔阵列，再通过磁控溅射在Si孔阵列的上方沉积CuO薄膜，构建Si微米孔/CuO垂直结构异质结，然后再转移石墨烯到CuO薄膜上方作为透明顶电极、在Si基底背面刷涂底电极，即完成光电探测器的制作。本发明专利技术以高纯铜靶为靶材，利用磁控直流反应溅射，一步实现薄膜的沉积和异质结器件的制备，探测器性能优越、制备过程简单易行，与现行Si基半导体工艺具有良好的兼容性。
Self driving broadband Photodetector Based on Si micro hole / CuO vertical structure heterojunction and its preparation method
【技术实现步骤摘要】
基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器及其制备方法
本专利技术涉及一种自驱动宽带光电探测器及其制备方法，具体涉及一种基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器及其制备方法。
技术介绍
光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件，在军事和国民经济的各个领域都有广泛的用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。因而，高性能、低成本的宽带光电探测器一直是人们的研究热点。在所有的光电探测器中硅基光电探测器是发展时间最长、工艺技术最成熟的器件。这不仅因为硅是发现最早的半导体材料之一，更是由于硅具有易于生产、资源丰富、低成本、易掺杂等优点，随着微电子技术的发展，相关技术也使得硅光电探测器的制备工艺处于领先地位，因此硅是现代半导体技术的基础，目前仍处于不可取代的位置。针对不同应用领域的应用需求，硅光电探测器发展出了多样化的结构，如硅PN结光电探测器、硅MSM光电探测器、硅APD和硅基PIN光电探测器等。与传统硅材料相比，硅锥、硅纳米线、硅孔阵列由于具有良好的陷光效应，相对于平面硅而言，可以提高对光的吸收并有利于光生载流子的产生，因而基于硅微米孔阵列的宽带光电探测器有望获得更高的器件性能。2014年，Hong等(ACSAppl.Mat.Interfaces2014,6,20887)报道了超快响应CuO/Si纳米线阵列异质结构宽带光电探测器，该探测器在零偏置电压下的光响应表明，该自供电光检测器对可见光和近红外光照明非常敏感，具有出色的稳定性和可重复性，并且具有超快响应的上升和恢复时间(60和80μS)。近年，Liang等(Small2019,15,1903831)报道了多层PbSe2/PyramidSi高灵敏度自驱动近红外光异质结电探测器，在零偏压下在980nm光照下，开关比高达为1.6×105，响应度高为456mAW-1，探测率高达9.97×1013Jones。并且该探测器对波长为1300、1550和1650nm的其他NIR照明也表现出明显的灵敏度，这超出了基于Si的光响应范围。与硅锥、硅纳米线阵列相比，硅孔阵列平整的上表面更有利于稳定、均匀的异质结界面的形成。2013年，Xie等(J.Mater.Chem.A,2013,1,15348)报道了具有增强的器件性能和稳定性的高效石墨烯/Si孔阵列(SiHA)的器件构造，其通过光刻和反应离子刻蚀(RIE)制造的硅孔阵列具有光滑的表面，从而确保低的表面复合速度。而且，通过调节孔深度可以容易地调节光的收集。基于Si孔与CuO薄膜的垂直结构异质结是否可用于作为宽带光电探测器及其性能的研究尚未见报导。
技术实现思路
在现有技术存在的基础之上，本专利技术旨在构建基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器，在硅基光电探测器发展领域有着重要的意义，所要解决的技术问题是使用磁控直流反应溅射法，在n型硅孔阵列上沉积CuO薄膜，一步形成垂直结构Si/CuO异质结，进而实现自驱动宽带光电探测器的制备。本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：本专利技术首先公开了基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器，其特点在于：以上表面带有绝缘层的平面硅作为基底；在所述基底的中间区域通过刻蚀去掉上部绝缘层并裸露出平面硅，形成探测器窗口；将所述探测器窗口内的硅刻蚀为Si微米孔阵列；在所述探测器窗口上通过磁控溅射沉积CuO薄膜，所述CuO薄膜与所述Si微米孔阵列形成Si微米孔/CuO垂直结构异质结；在所述基底上转移石墨烯作为透明顶电极，所述石墨烯部分覆盖在所述CuO薄膜上、部分覆盖在绝缘层上；在位于所述绝缘层上方的石墨烯上沉积与石墨烯形成欧姆接触的第一金属薄膜电极，在平面硅的背面刷涂或真空蒸镀与平面硅形成欧姆接触的第二金属薄膜电极，从而构成基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器。进一步地，所述平面硅导电类型为n型，电阻率≤0.01Ω·cm。进一步地：所述绝缘层为SiO2、Si3N4、Ta2O5、HfO2或Al2O3层；所述绝缘层的电阻率≥1×103Ω·cm、厚度为100-500nm。进一步地，所述探测器窗口通过掩膜保护和刻蚀技术形成，边缘距离第一金属薄膜电极的最小距离为≥1μm。进一步地，所述Si微米孔阵列通过干法刻蚀或湿法刻蚀技术形成，硅孔的深度/直径≥1。进一步地，所述CuO薄膜通过磁控直流反应溅射法获得，制备条件为：溅射前预抽本底真空度至气压低于4.0×10-4Pa；工作气体为纯度不低于99.99％的氩气和纯度不低于99.99％的氧气，氩气和氧气的气体流量分别为30sccm和15sccm；工作气压为1Pa；溅射功率为90W；靶材与样品衬底间的距离为5cm；溅射时间为60～300s。溅射条件对是否能够构建Si锥/CuO异质结、所制作器件的性能等有极大影响，上述溅射的具体工艺是本专利技术筛选获得的最优参数。例如：溅射过程中，工作气体比例将对产物物相有显著影响，如当Ar:O2＝10:1时，溅射90s所得产物薄膜的XRD图谱如图1所示，经比对可知，除衬底Si的衍射峰外，产物结晶性较差，可能为Cu的氧化物的混合物，因此不能获得纯相的异质结结构。溅射时间不同，沉积CuO薄膜的厚度不同；如果薄膜厚度过薄，在刻蚀后的Si锥表面不能形成连续、完整的覆盖，减小了异质结面积，从而降低器件性能。如果薄膜厚度过厚，由于透过薄膜入射到异质结界面的入射光相应减小，也将降低器件性能。进一步地，所述石墨烯为通过化学气相沉积法获得的单层或双层石墨烯，迁移率为1000-15000cm2V-1s-1，通过PMMA辅助的湿法转移技术转移至基底上方。进一步地，所述第一金属薄膜电极为Au电极、Ag电极、Ti/Au复合电极、Cr/Au复合电极、Ni/Au复合电极或Pt电极；所述Au电极、Ag电极、Pt电极的厚度为30-100nm；所述Ti/Au复合电极、Cr/Au复合电极、Ni/Au复合电极是分别在厚度5-10nm的Ti、Cr、Ni电极上继续沉积30-100nm的Au电极。进一步地，所述第二金属薄膜电极为In/Ga合金电极或Ag电极，厚度为30-100nm。本专利技术所述自驱动宽带光电探测器的制作方法，包括如下步骤：s1、将带有绝缘层的平面硅依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗后，吹干备用；s2、通过掩膜和刻蚀技术，在基底的中间区域通过刻蚀去掉上部绝缘层并裸露出平面硅，形成探测器窗口；s3、在探测器窗口区域光刻相应图案，通过金属掩膜的反应离子刻蚀工艺或金属催化的液相刻蚀工艺，形成Si微米孔阵列；s4、在所述探测器窗口上通过磁控直流反应溅射的方式溅射沉积一层致密CuO薄膜，CuO薄膜完全覆盖且不超出所述探测器窗口，溅射条件为：溅射前预抽本底真空度至气压低于4.0×10-4Pa；工作气体为纯度不低于99.99％的氩气和纯度不低于99.99％的氧气，氩气和氧气的气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器，其特征在于：以上表面带有绝缘层(2)的平面硅(1)作为基底；在所述基底的中间区域通过刻蚀去掉上部绝缘层并裸露出平面硅，形成探测器窗口；将所述探测器窗口内的硅刻蚀为Si微米孔阵列；在所述探测器窗口上通过磁控溅射沉积CuO薄膜(3)，所述CuO薄膜与所述Si微米孔阵列形成Si微米孔/CuO垂直结构异质结；在所述基底上转移石墨烯(4)作为透明顶电极，所述石墨烯部分覆盖在所述CuO薄膜上、部分覆盖在绝缘层(2)上；在位于所述绝缘层(2)上方的石墨烯上沉积与石墨烯形成欧姆接触的第一金属薄膜电极(5)，在平面硅(1)的背面刷涂或真空蒸镀与平面硅形成欧姆接触的第二金属薄膜电极(6)，从而构成基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器。/n
【技术特征摘要】
1.基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器，其特征在于：以上表面带有绝缘层(2)的平面硅(1)作为基底；在所述基底的中间区域通过刻蚀去掉上部绝缘层并裸露出平面硅，形成探测器窗口；将所述探测器窗口内的硅刻蚀为Si微米孔阵列；在所述探测器窗口上通过磁控溅射沉积CuO薄膜(3)，所述CuO薄膜与所述Si微米孔阵列形成Si微米孔/CuO垂直结构异质结；在所述基底上转移石墨烯(4)作为透明顶电极，所述石墨烯部分覆盖在所述CuO薄膜上、部分覆盖在绝缘层(2)上；在位于所述绝缘层(2)上方的石墨烯上沉积与石墨烯形成欧姆接触的第一金属薄膜电极(5)，在平面硅(1)的背面刷涂或真空蒸镀与平面硅形成欧姆接触的第二金属薄膜电极(6)，从而构成基于Si微米孔/CuO垂直结构异质结的自驱动宽带光电探测器。
2.根据权利要求1所述的自驱动宽带光电探测器，其特征在于：所述平面硅(1)导电类型为n型，电阻率≤0.01Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的自驱动宽带光电探测器，其特征在于：所述绝缘层(2)为SiO2、Si3N4、Ta2O5、HfO2或Al2O3层；所述绝缘层的电阻率≥1×103Ω·cm、厚度为100-500nm。
4.根据权利要求1所述的自驱动宽带光电探测器，其特征在于：所述探测器窗口通过掩膜保护和刻蚀技术形成，边缘距离第一金属薄膜电极的最小距离为≥1μm。
5.根据权利要求1所述的自驱动宽带光电探测器，其特征在于：所述Si微米孔阵列通过干法刻蚀或湿法刻蚀技术形成，硅孔的深度/直径≥1。
6.根据权利要求1所述的自驱动宽带光电探测器，其特征在于：所述CuO薄膜(3)通过磁控直流反应溅射法获得，制备条件为：溅射前预抽本底真空度至气压低于4.0×10-4Pa；工作气体为纯度不低于99.99％的氩气和纯度不低于99.99％的氧气，氩气和氧气的气体流量分别为30sccm和15sccm；工作气压为1Pa；溅射功率为90W；靶材与样品衬底间的距离为5cm；溅射时间为60～300s。
7.根据权利要求1所述的自驱动宽带光电探测器，其特征在于：所述石墨烯(4)为通过化学气相沉积法获得的单层或双层石...
【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，张悦，曾斌，赵妍，李心贺，吴春艳，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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