本實用新型屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電傳感器件，尤其是一種基于石墨烯薄膜的、具有肖特基超淺結(jié)的硅基紫外增強(qiáng)型光電探測器。

背景技術(shù)：

紫外光電探測技術(shù)在紫外線輻射檢測、環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)成分分析、污水檢測與處理、災(zāi)害預(yù)警、食品衛(wèi)生、醫(yī)療健康、無線加密通信等方面具有廣泛的應(yīng)用。由于寬禁帶半導(dǎo)體(WBG，如氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等)具有不吸收可見光的特性，在紫外探測領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注，并展開了大量的研究與應(yīng)用。然而，目前制備大面積高質(zhì)量單晶WBG材料的工藝復(fù)雜且還未完全成熟，材料表面存在大量缺陷態(tài)，導(dǎo)致光電傳感器響應(yīng)時間較低。另一方面，制備大面積高質(zhì)量單晶硅的工藝則已經(jīng)非常成熟，半導(dǎo)體硅在可見光探測領(lǐng)域是最理想的材料之一，也是紫外光電傳感的常用材料。然而，硅材料對紫外光的響應(yīng)度較低，這是由于紫外光在硅材料中的透射深度極淺(波長370納米以下，透射深度大于20納米)，光生載流子主要集中在硅的表面，而傳統(tǒng)硅基P-N或P-I-N結(jié)型光電探測器件的結(jié)深一般大于200nm，載流子復(fù)合效應(yīng)導(dǎo)致光學(xué)響應(yīng)隨入射光波長的減小而迅速降低。超淺P-N或P-I-N結(jié)(深度大于20納米)的制備相當(dāng)困難，傳統(tǒng)方法是采用離子注入和精確控制熱擴(kuò)散工藝來制備淺結(jié)，但是在硅表面附近易形成P⁺N結(jié)，高摻雜的P⁺區(qū)域會增加載流子的表面復(fù)合，降低光電傳感器的響應(yīng)度。一些新開發(fā)的淺結(jié)技術(shù)(比如δ-摻雜技術(shù)或激光摻雜技術(shù))制備工藝相當(dāng)復(fù)雜，導(dǎo)致硅基光電傳感器價格變得昂貴。

另一種制備淺結(jié)的方法是利用金屬/硅直接接觸結(jié)構(gòu)形成位于硅表面的肖特基結(jié)(Schottky Junction)，可以實現(xiàn)真正的“零結(jié)深”。但是金屬對入射紫外光有很強(qiáng)的反射和吸收作用，阻擋了紫外光到達(dá)結(jié)區(qū)。即使采用較薄的金屬，制作的光電傳感器光學(xué)響應(yīng)仍然極低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決以上技術(shù)問題，本實用新型提供一種基于石墨烯薄膜的、具有肖特基超淺結(jié)、且高效率的基于石墨烯的硅基紫外光電探測器。

本實用新型的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測器，包括外延硅襯底，所述外延硅襯底包括位于下層的重?fù)诫s層和位于上層的輕摻雜層，所述輕摻雜層上表面設(shè)有隔離層，所述隔離層中央開設(shè)有硅窗口，所述隔離層上表面還設(shè)有頂電極，所述頂電極位于所述硅窗口的外周，所述硅窗口的上表面和內(nèi)側(cè)壁、所述頂電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁均覆設(shè)有石墨烯薄膜。

進(jìn)一步的，所述外延硅襯底的材料為外延硅片。

進(jìn)一步的，所述重?fù)诫s層使用N型摻雜或P型摻雜，所述重?fù)诫s層的摻雜濃度為大于4.5×10¹⁸cm^-3，所述重?fù)诫s層的厚度為180～500μm；所述輕摻雜層使用N型摻雜或P型摻雜，所述輕摻雜層的摻雜濃度為1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-3，所述輕摻雜層的厚度為10～2000nm。

進(jìn)一步的，所述重?fù)诫s層的摻雜濃度為大于8×10¹⁸cm^-3，所述重?fù)诫s層的厚度為250～400μm；所述輕摻雜層的摻雜濃度為3×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3，所述輕摻雜層的厚度為20～500nm。

進(jìn)一步的，所述隔離層的材料為寬禁帶材料，包括二氧化硅、氮化硅或三氧化二鋁；所述隔離層的厚度為50nm～1μm。

進(jìn)一步的，所述硅窗口包括一個或多個以陣列結(jié)構(gòu)排布的感光區(qū)，所述感光區(qū)的形狀包括圓形、方形、矩形、長條形、環(huán)形、三角形或菱形。

進(jìn)一步的，所述頂電極為金屬薄膜電極，包括鋁、金、鉻/金、鈦/金或鈦/銀的金屬薄膜電極。

進(jìn)一步的，所述石墨烯薄膜包括單層石墨烯薄膜或2～10層的多層石墨烯薄膜。

為了提高硅基光敏器件對紫外光的響應(yīng)，需要采用新的材料與結(jié)構(gòu)。石墨烯是由單層sp²雜化碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維平面晶體薄膜，具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性能。與普通金屬不同，具備高導(dǎo)電性的石墨烯同時又是一種具有透明性和柔性的新型二維材料。由于石墨烯的厚度幾乎可以忽略，石墨烯和硅接觸可以形成肖特基超淺結(jié)，內(nèi)建電場位于硅襯底表面，由紫外光產(chǎn)生、聚集在表面的光生載流子很快被位于表面的內(nèi)建電場分離，有利于減少載流子復(fù)合，提高紫外光學(xué)響應(yīng)度和響應(yīng)速度。另外，單層石墨烯在紫外波段的吸收率達(dá)到5％～10％，遠(yuǎn)大于在可見光波段的2.3％，石墨烯內(nèi)部的光生載流子也成為光電流的一個組成部分，有效提高傳感器響應(yīng)度。

為了進(jìn)一步減少載流子復(fù)合，可以采用表面低摻雜的硅襯底。由于紫外光在硅襯底的透射深度很淺(一般<100nm)，僅需要很薄的低摻雜-硅材料層。為了便于規(guī)?；a(chǎn)，本實用新型提出采用外延硅片作為襯底，外延層是輕摻雜，典型摻雜濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁴cm^-3，可有效解決由于表面重?fù)诫s而引起的“死層”問題。而外延片的襯底是重?fù)诫s，典型摻雜濃度>4.5×10¹⁸cm^-3，可有效降低串聯(lián)電阻，進(jìn)一步提升靈敏度和時間響應(yīng)。重?fù)诫s襯底也通過體復(fù)合機(jī)制，來快速復(fù)合深度透射的載流子，主要是吸收可見光產(chǎn)生的載流子，從而起到抑制可見光響應(yīng)度的目的，實現(xiàn)光譜選擇性探測之目的。

本實用新型提出的基于石墨烯的硅基紫外光電探測器，可使紫外光響應(yīng)度以及響應(yīng)速度得到極大提高，超過目前商用硅基紫外探測器的響應(yīng)性能，接近或超過硅基紫外探測器的理論極限。

針對不同的應(yīng)用，本實用新型提出的結(jié)構(gòu)既可以用于制備單個獨(dú)立式紫外光電傳感器，也可以制備紫外光電傳感器陣列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測器具有以下有益效果：

1、超淺結(jié)設(shè)計：石墨烯和硅形成肖特基超淺結(jié)，大部分入射紫外光容易被硅表面層吸收，產(chǎn)生的電子空穴很快被表面內(nèi)建電場分離，降低載流子復(fù)合，消除死層，提高紫外光響應(yīng)度；在紫外光區(qū)域，響應(yīng)度接近硅材料的理論極限值；

2、薄硅輕摻雜結(jié)構(gòu)設(shè)計：有效增加紫外響應(yīng)、抑制可見光響應(yīng)。硅襯底是外延硅片，外延層是輕摻雜，解決了由于表面重?fù)蕉鸬摹八缹印眴栴}；而外延片的襯底是重?fù)诫s，降低了串聯(lián)電阻，可以進(jìn)一步提升靈敏度和響應(yīng)速度；重?fù)诫s襯底也通過體復(fù)合機(jī)制，來快速復(fù)合深度透射的載流子，主要是吸收可見光產(chǎn)生的載流子，從而起到抑制可見光響應(yīng)度，實現(xiàn)光譜選擇性探測之目的；

3、高導(dǎo)電性石墨烯薄膜：部分入射紫外光被石墨烯吸收，所產(chǎn)生的熱電子越過勢壘，構(gòu)成總光生電流的一部分；額外的紫外光吸收，使光響應(yīng)度以及響應(yīng)速度得到提高，接近甚至超過傳統(tǒng)硅基紫外探測器的理論性能極限；

4、本實用新型提供的紫外增強(qiáng)型光電探測器所用材料以硅為基本材料，制備過程簡單，成本低，易與現(xiàn)有半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容；氣相化學(xué)沉積方法生長的石墨烯可以實現(xiàn)大面積生長和轉(zhuǎn)移，有利于基于光電探測器的規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1與實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例1與實施例2的紫外光電探測器對紫外光的時間響應(yīng)對比示意圖；

圖3為本實用新型實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實施例3的陣列感光區(qū)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。

實施例1

由圖1所示，本實施例的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測器，包括外延硅片襯底，外延硅片襯底包括位于下層的N型摻雜的重?fù)诫s層1和位于上層的N型摻雜的輕摻雜層2，重?fù)诫s層1的摻雜濃度大于4.5×10¹⁸cm^-3，重?fù)诫s層1的厚度為180～500μm，輕摻雜層2的摻雜濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁴cm^-3，輕摻雜層2的厚度為10～2000nm；輕摻雜層2上表面設(shè)有厚度為300nm的二氧化硅隔離層3，二氧化硅隔離層3中央開設(shè)有包括帶感光區(qū)的圓形硅窗口4，感光面積為0.25mm²，二氧化硅隔離層3上表面還設(shè)有鉻/金金屬薄膜頂電極5，鉻/金金屬薄膜頂電極5位于圓形硅窗口4的外周，圓形硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁、鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁均覆設(shè)有單層石墨烯薄膜6。

實施例2

由圖1所示，本實施例的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測器，包括外延硅片襯底，外延硅片襯底包括位于下層的P型摻雜的重?fù)诫s層1和位于上層的P型摻雜的輕摻雜層2，重?fù)诫s層1的摻雜濃度大于8×10¹⁸cm^-3，重?fù)诫s層1的厚度為250～400μm，輕摻雜層2的摻雜濃度為3×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3，輕摻雜層2的厚度為20～500nm；輕摻雜層2上表面設(shè)有厚度為300nm的二氧化硅隔離層3，二氧化硅隔離層3中央開設(shè)有包括帶感光區(qū)的圓形硅窗口4，感光面積為0.0225mm²，二氧化硅隔離層3上表面還設(shè)有鉻/金金屬薄膜頂電極5，鉻/金金屬薄膜頂電極5位于圓形硅窗口4的外周，圓形硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁、鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁均覆設(shè)有單層石墨烯薄膜6。

采用實施例2制備與實施例1不同感光窗口的石墨烯/硅紫外增強(qiáng)型光電探測器，采用不同感光窗口的紫外增強(qiáng)型光電探測器對紫外光的時間響應(yīng)見圖2，感光面積越小(實施例2)，時間響應(yīng)越快，最小下降沿為5ns，具有更快的時間響應(yīng)。

實施例3

如圖3所示，本實施例的一種基于石墨烯的硅基紫外光電探測器(陣列式)，包括外延硅片襯底，外延硅片襯底包括位于下層的N型摻雜的重?fù)诫s層1和位于上層的N型摻雜的輕摻雜層2，重?fù)诫s層1的摻雜濃度大于8×10¹⁸cm^-3，重?fù)诫s層1的厚度為250～400μm，輕摻雜層2的摻雜濃度為3×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3，輕摻雜層2的厚度為20～500nm；輕摻雜層2上表面設(shè)有厚度為300nm的二氧化硅隔離層3，二氧化硅隔離層3中央開設(shè)有包括帶感光區(qū)的矩形硅窗口4，二氧化硅隔離層3上表面還設(shè)有矩形陣列的鉻/金金屬薄膜頂電極5，矩形陣列的鉻/金金屬薄膜頂電極5位于矩形硅窗口4的外周，矩形硅窗口4的上表面和內(nèi)側(cè)壁、矩形陣列的鉻/金金屬薄膜頂電極5的上表面和內(nèi)側(cè)壁均覆設(shè)有2～10層的多層石墨烯薄膜6。

圖4為6×6的石墨烯/硅紫外增強(qiáng)型光電探測器陣列，多個感光區(qū)域可以實現(xiàn)大面積光源的探測和成像。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。