应用相变材料直接生长石墨烯的肖特基结探测器

技术领域

本发明涉及一种石墨烯肖特基结探测器的制备方式，具体为一种在半导体衬底上低温生长高质量石墨烯并制备探测器的工艺方法，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术

由于石墨烯具有独特的零带隙结构，当它与半导体接触后可以形成肖特基结而应用在太阳能电池、光电探测器等领域。因此，便捷、高效、低成本的石墨烯材料制备工艺是石墨烯技术研究追求的目标，也是实现石墨烯商业化应用的必然要求。在半导体衬底上直接低温生长高质量石墨烯的技术，能够直接集成石墨烯器件并省去常规石墨烯器件工艺中的转移环节，简化工艺流程，提高生产效率。同时，低温生长工艺可以避免高温对于衬底的破坏，适用于无法耐受高温的衬底GaAs、GaN等半导体材料无法承受过高的石墨烯生长温度。因此，在半导体衬底上生长石墨烯通常采用预制备金属催化牺牲层的办法，石墨烯生长在牺牲层上，生长结束后再去除掉牺牲层，从而实现在半导体衬底上生长石墨烯，在此基础上的石墨烯在应用是依然需要腐蚀金属，有可能造成金属污染及金属腐蚀液损伤半导体材料。且在生长石墨烯的过程中，金属有会向半导体衬底中发生扩散，破坏衬底表面结构。因此，开发一种真正意义上在半导体衬底上低温生长免转移石墨烯的工艺方法是当前的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在半导体衬底上低温生长石墨烯并直接用于探测器制备的工艺方法，在实现石墨烯在半导体衬底上直接低温生长并备探测器。整个过程没有金属参与，减少金属及腐蚀液对石墨烯及衬底的污染且温度较低不会损坏衬底。最终达到简化石墨烯制备工艺、提高石墨烯器件制备效率且适用于大规模工业生产的目标。

本发明提供的在半导体衬底上低温生长高质量石墨烯并制备探测器的工艺方法，采用如下技术方案：本发明使用溅射在半导体衬底上制备相变材料薄膜催化生长石墨烯，相变材料在相变温度以上表现出金属性质，具有与金属铜类似的催化生长石墨烯的作用。当温度降低到相变温度以下时呈现出绝缘性质，在制备石墨烯器件时可以不用去除相变材料层，实现石墨烯的直接应用。

本发明将相变材料直接催化生长的石墨烯肖特基结探测器的制备。

具体来说，包括以下步骤：

步骤1)在半导体材料如Si，GaAs等表面生长一层氧化硅做介质层；

步骤2)通过光刻-剥离-刻蚀技术在氧化硅表面刻蚀出窗口，漏出半导体材料表面；

步骤3)使用光刻剥离技术在刻蚀出的窗口处通过磁控溅射或蒸发一层相变材料薄膜，薄膜面积稍大于半导体材料衬底裸露出的面积；

步骤4)通过等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)在相变材料薄膜表面生长石墨烯；

步骤5)在石墨烯周围及半导体材料背面溅射金属电极。

上述方法中，所述的半导体材料可以是Si，GaAs，GaN等任意一种；

所述的介质层可以是二氧化硅、氮化硅、氧化铪等任意介质材料，生长方法可以是溅射、蒸发或化学气相沉积等方式；

所述的相变材料可以是五氧化二钒、二氧化钒等金属钒的氧化物，生长厚度小于10nm；

所述低温生长石墨烯所使用的热CVD系统为PECVD。进行生长时，等离子体功率大于30W，生长温度大于等于400℃；

所述金属电极为Ti/Au电极，电极制备方法为溅射或蒸发工艺，金属电极厚度为50-500nm；

本发明采用相变材料催化生长石墨烯的方法，利用相变材料在室温下保持绝缘性的特点，避免了在制备器件时石墨烯的转移过程和催化金属的腐蚀过程。实现了石墨烯真正意义上的低温图形化生长原位生及器件制备。该方法有助于提高石墨烯器件的制备效率，增强石墨烯的产业化潜力。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明首次提出通过相变材料催化生长石墨烯的方法实现石墨烯的图形化免转移生长；

(2)本发明避免了常规金属牺牲层原位催化生长石墨烯中腐蚀去除金属牺牲层的问题；

(3)本发明的图形化精细度高，至少可以实现微米级的图形化石墨烯的生长；

(4)本发明对衬底材料的限制小，石墨烯在400摄氏度即可生长，对于几乎所有半导体衬底材料，均可使用本发明进行石墨烯的图形化生长；

(5)本发明避免了腐蚀、转移等工艺，缩减了工艺流程，极大提高了器件制备效率。

附图说明

图1：为石墨烯图形化生长的流程示意图，其中，101为衬底，102为光刻胶，103为介质层，104为相变材料薄膜，105为原位生长的石墨烯，106为金属电极。

图2：相变材料直接生长得到的石墨烯的拉曼光谱，不同的谱线对应不同的生长温度。

图3：石墨烯肖特基结探测器在不同功率的792nm激光照射下的I-V特性曲线，入射的792nm激光的光功率由小到大分别为：0mW，4mW，9mW，14mW，20mW，22mW。

图4：石墨烯探测器在0V偏压下随光源开关的动态响应特性，入射光为792nm激光，功率1mW。

图5：本发明的结构示意图。

具体实施方式

本发明的实施通过以下一个实施例给予说明。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂及材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

图1为本发明实施例中在半导体材料直接生长石墨烯并制备探测器的流程示意图。如图1所示，本发明提供的探测器制备的方法，包括：在衬底101上进行光刻，制作出与需要制备探测器区域图形相同的光刻胶掩膜102；沉积介质层103并剥离，使不需要集成器件的区域被介质层隔离；重复光刻-剥离工艺，在衬底表面沉积相变材料薄膜104；生长石墨烯105，生长结束后，形变材料温度降至室温呈现绝缘性质，放止了漏电现象的产生，可以不去除相变材料。最后在上下表面沉积金属电极106。

需要说明的是，本发明提供的技术方案要求对相变材料104生长厚度进行控制。具体来说，当104薄膜的厚度太薄，在生长石墨烯的过程中会发生蒸发或团聚现象。如果104薄膜厚度太厚，石墨烯与衬底之间无法产生隧穿电流。因此，需要调试出适用于器件工作的相变材料厚度值。

实施例1

(1)使用厚度为600μm的轻掺杂硅片作为衬底，先进行清洗和烘干流程，再通过光刻做出所需的生长介质层的图形；

(2)使用化学气相沉积系统在衬底上沉积一层厚度为200nm的氧化硅；

(3)放入丙酮试剂中超声，直至衬底表面洁净为止；

(4)重新进行光刻工艺，做出所需的生长相变材料的图形

(5)使用磁控溅射系统再在衬底上溅射一层厚度为5nm的五氧化钒；

(6)放入丙酮试剂中超声，直至衬底表面洁净为止；

(7)将衬底置于等离子体化学气相沉积系统中生长石墨烯。先使用氩气冲洗腔室，在氢气气氛(960sccm，20mbar)中以200℃/min的速率升温至400℃，保持5min，通入氢气:甲烷＝20:5sccm，

气压调至5mbar，5min后关闭甲烷，在氢气气氛(100sccm，4mbar)中以300℃/min的速率降温至常温，取出衬底。设备为Aixtron公司生产的BlackMagic垂直冷壁式石墨烯生长设备。

最终得到的石墨烯的拉曼光谱如图3所示。

(8)光刻电极图形，在石墨烯上面和衬底背面利用溅射制作金属电极105和101，电极材料为Ti/Au，厚度为15nm/100nm。

利用半导体参数分析仪对器件的I-V特性进行测试，如图4所示，选用792nm激光作为光源，可以看到在不同入射光功率下器件的I-V特性曲线。器件的动态响应特性如图4所示。经过计算，入射光功率为1mW时，0偏压下器件的响应度为266mA/W，2V反向偏压下，器件响应度为420mA/W。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和构思的前提下作出的任何修改、替换和改进等，均应认为包含在本发明的保护范围之内。