技术领域
[0001] 本
发明涉及一种新型的硅肖特基结探测器的制备方式，属于
半导体光
电子器件技术领域。
背景技术
[0002] 硅肖特基结探测器由于其制备工艺相对简单、成本低，因此是目前可见光、
近红外光探测领域最常用的探测器之一。目前，市面上常见的硅肖特基结探测器多是利用金属与硅形成肖特基结，金属不透光的特性导致入射光只能有很少一部分到达肖特基结的界面，因此探测器的探测率和响应度势必会受到影响。
石墨烯是一种透明导电的材料，将其铺在硅表面可以与硅形成良好的肖特基结，同时，石墨烯的高透光度保证了能有更多的入射光到达肖特基结界面，是下一代硅肖特基结探测器的发展方向。但是目前报道的石墨烯—硅肖特基结探测器所采用的石墨烯几乎为
化学气相沉积(CVD)法制备，石墨烯在使用过程中需要经过转移工艺将石墨烯从金属衬底转移到硅衬底上。转移工艺与目前半导体工艺不兼容，费时费
力，同时，在转移过程中石墨烯不可避免的会引入掺杂和破损，因此，利用转移的石墨烯制备硅肖特基结探测器并不适用于未来大规模产业化。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种高效率的石墨烯—硅肖特基结探测器的制备方法。利用派瑞林N薄膜作为
碳源在硅表面直接生
长石墨烯来制备肖特基结探测器，器件制备过程中无需转移石墨烯，能够大幅度提高石墨烯—硅肖特基结探测器的制备效率。
[0004] 本发明应用派瑞林N直接生长石墨烯的硅肖特基结探测器的基本结构，从下往上依次为：下金属
电极101、轻掺杂n型硅102、
二氧化硅绝缘层103、石墨烯薄膜104和上金属电极105。
[0005] 本发明中利用派瑞林N作为碳源来在硅表面直接生长石墨烯。派瑞林是一系列有机物的统称，其常被用在
生物、电子领域作为柔性衬底或者绝缘涂层，派瑞林N是派瑞林家族的一员，派瑞林N其化学式如图2所示，只含有碳氢两种元素，非常适宜用作石墨烯生长的碳源。其制备方法主要是气相沉积法，因此制备出的派瑞林薄膜相较一些有机物旋凃工艺更加均匀，派瑞林N薄膜厚度在100nm以上时即可实现无针孔。
[0006] 本发明中在硅衬底表面沉积一层派瑞林薄膜106，利用氩
等离子体对派瑞林N薄膜进行表面
刻蚀，刻蚀过程中派瑞林N薄膜表面会发生交联反应，即派瑞林分子之间相互键合交联成网络结构的较稳定分子(体型分子)的反应。交联反应只发生在派瑞林薄膜表面一层较薄区域，交联后的派瑞林薄膜在较高
温度下能保持稳定不会分解。之后，在高温(1100℃)下快速
退火，表面发生交联的派瑞林N薄膜层107会在高温下发生
石墨化转变石墨烯，交联层107以下的派瑞林N会在温度到达650℃以上后就分解
汽化。
[0007] 本发明中由于发生交联的区域只有派瑞林表面的薄薄一层，因此最终得到的石墨烯薄膜也非常薄，约3nm。并且，通过控制氩等离子体刻蚀功率，可以控制交联层的厚度，继而控制得到的石墨烯薄膜的厚度，实现石墨烯薄膜厚度的可控生长。
[0008] 本发明中使氩等离子的作用是使派瑞林N薄膜表面发生交联，除了氩等离子体，其他气体的等离子体或者电子辐照也可以实现同样的效果。
[0009] 本发明将派瑞林N薄膜作为碳源直接生长的石墨烯用于硅肖特基结探测器的制备。
[0010] 本发明提供了一种高效率的石墨烯—硅肖特基结探测器的制备方法，[0011] 步骤1、如图3所示，将
外延片清洗后，
光刻后，用
光刻胶做掩膜，在有300nm
二氧化硅层的轻掺杂硅衬底上刻蚀出硅窗口102。刻蚀方法为湿法
腐蚀或者
干法刻蚀。
[0012] 步骤2、如图4所示，在衬底表面利用气相沉积法沉积派瑞林N薄膜106，薄膜厚度大于等于100nm。
[0013] 步骤3、如图5所示，利用氩等离子刻蚀派瑞林N表面，使派瑞林N表面发生交联，形成一层几纳米厚的交联层107。
[0014] 步骤4、如图6所示，在快速
退火炉中1100℃快速退火30s，交联层的派瑞林N发生石墨化转变为石墨烯薄膜104，未发生交联的派瑞林N则在温度达到650℃以上时就分解汽化。
[0015] 步骤5、如图7所示，光刻石墨烯图形，以光刻胶为掩膜，用氧等离子体刻蚀石墨烯，形成石墨烯104—硅102肖特基结窗口。
[0016] 步骤6、光刻电极图形，在石墨烯上面和衬底背面利用溅射或者
蒸发制作金属电极105和101，电极材料为Ti/Au，厚度为15nm/100nm。最终得到图1所示的应用派瑞林N直接生长石墨烯的硅肖特基结探测器。
[0017] 与现有石墨烯—硅肖特基结探测器技术相比，本发明的优越性：
[0018] 1.本发明的中的石墨烯采用派瑞林N直接生长得到，石墨烯无需转移，整个器件工艺流程被大大缩减，提高了器件的制备效率。石墨烯采用派瑞林N直接生长得到，因此污染更小，石墨烯与硅的
接触更好，器件一致性更好，适合批量生长。
[0019] 2.应用派瑞林N直接生长石墨烯，相较其他石墨烯直接生长方法，生长方法更简单，生长速度快。
[0020] 3.在工艺中可以采用光刻胶做掩膜对派瑞林N薄膜局部进行氩等离子体刻蚀，这样可以得到图形化直接生长的石墨烯薄膜，石墨烯能够免于光刻。
附图说明
[0021] 图1：应用派瑞林N直接生长石墨烯的硅肖特基结探测器示意图；
[0022] 图2：派瑞林N的化学式；
[0023] 图3：工艺步骤1示意图，已经刻蚀出硅窗口的二氧化硅/硅衬底；
[0024] 图4：工艺步骤2示意图，衬底上沉积派瑞林N薄膜106；
[0025] 图5：工艺步骤3示意图，氩等离子体刻蚀使派瑞林N薄膜表面形成一层交联层107；
[0026] 图6：工艺步骤4示意图，快速退火使交联层107石墨化转变为石墨烯，未发生交联的派瑞林N层106则在温度达到650℃以上时就分解汽化；
[0027] 图7：工艺步骤5示意图，光刻，将石墨烯刻蚀出图形；
[0028] 图8：派瑞林N在硅衬底上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氩等离子体刻蚀功率；
[0029] 图9：石墨烯—硅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，0.2mW，0.64mW，1.62mW，2.51mW，3.49mW，4.37mW，5.27mW，6.05mW；
[0030] 图10：石墨烯—硅肖特基结探测器在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1.4mW；
[0031] 图中：101、下金属电极；102、轻掺杂n型硅；103、二氧化硅绝缘层；104、石墨烯薄膜；105、上金属电极；106、派瑞林N薄膜；107、派瑞林交联层。
具体实施方式
[0032] 本发明的实施通过以下一个
实施例给予说明。
[0033] 如图1所示，应用派瑞林N直接生长石墨烯的硅肖特基结探测器结构，其从下往上依次为：101、下金属电极；102、轻掺杂n型硅；103、二氧化硅绝缘层；104、石墨烯薄膜；105、上金属电极。
[0034] 其制作工艺方法如下例所示：
[0035] 实施例1
[0036] 步骤1、如图3所示，所选用的衬底为有300nm二氧化硅层的n型轻掺杂硅衬底(
电阻率1-10Ω·cm)，将外延片清洗后，光刻后，用光刻胶做掩膜，在二氧化硅层上刻蚀出1mm×1mm大小的硅窗口102。刻蚀方法为干法刻蚀，所用设备为反应离子刻蚀机。
[0037] 步骤2、如图4所示，在衬底表面利用气相沉积法沉积200nm厚的派瑞林N薄膜106。
[0038] 步骤3、如图5所示，利用氩等离子刻蚀派瑞林N表面，使派瑞林N表面发生交联，形成一层几纳米厚的交联层107。刻蚀流量为100sccm，刻蚀功率为220W，刻蚀时间为15s。
[0039] 步骤4、如图6所示，在快速退火炉中1100℃快速退火30s，交联层的派瑞林N发生石墨化转变为石墨烯薄膜104，未发生交联的派瑞林N则在温度达到650℃以上时就分解汽化。
退火气氛为氢气和氩气，流量分别为40sccm和960sccm。所用快速退火设备为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8所示。
[0040] 步骤5、如图7所示，光刻石墨烯图形，以光刻胶为掩膜，用氧等离子体刻蚀石墨烯，形成石墨烯104—硅102肖特基结窗口，石墨烯的尺寸为1.05mm×1.05mm。
[0041] 步骤6、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。最终得到图1所示的应用派瑞林N直接生长石墨烯的硅肖特基结探测器。
[0042] 利用半导体参数分析仪对器件的I-V特性进行测试，如图9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10所示。经过计算，入射光功率为0.2mW时，0偏压下器件的响应度为205.7mA/W，4V反向偏压下，器件响应度为275.9mA/W。利用
锁相
放大器对器件的
比探测率进行测试，测得在0V偏压下比探测率D*＝4.93×109cmHz1/2/W，50mV反向偏压下，比探测率D*＝4.18×109cmHz1/2/W。
[0043] 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。
