[发明专利]一种增强型石墨烯‑硅异质结光电探测芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及石墨烯-硅异质结型光电探测芯片及其制作方法。

背景技术

光电探测芯片是一种通过将光信号转换为电信号从而获取光信息的媒介。由于具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点，光电探测芯片已经遍布人们生活中的各个领域，尤其是近些年来智能家电及智能穿戴设备的飞速发展，使得这种基础信息交换元件成为当今应用最为广泛的一类电子器件。

传统光电探测芯片主要是以硅、锗、砷化镓等半导体材料的PN或PIN结构为主，探测光谱波段可覆盖紫外至远红外波段。随着电子信息领域的快速发展，这类材料在制备高性能探测芯片方面面临着诸多的限制问题：如单质半导体中掺杂浓度受材料本身固溶度的限制，而多元化合物半导体中元素种类及含量的调控局限性大，工艺复杂，且难以与硅基进行集成化等。

石墨烯-硅异质结探测芯片是近年来发展起来的新型光伏型光电探测器件。在光照情况下，该型探测芯片利用石墨烯与N型硅接触时形成的肖特基异质结可有效将光生载流子分离，结合石墨烯材料本身低电导率(<10^-6Ωcm)和常温下高电子迁移率(>1.5×10⁴cm²V^-1s^-1)，可实现高效的光电转换和电流响应。相比于当前应用较多的硅基PIN结构光电探测芯片，石墨烯/硅异质结光电探测芯片具有低成本、高灵敏、超低暗电流和宽光谱响应等一系列优势，且易于集成，制备工艺兼容现有的微电子制备工艺，在低功耗和高灵敏光电传感领域具有极大的应用前景，如智能触控、光电互联等。然而，当前石墨烯-硅异质结型光电探测芯片在光响应度方面的优势并不明显(一般为0.5A/W量级)，响应速率提升和特定光谱增强方面还缺乏有效的调控手段。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种增强型石墨烯-硅异质结光电探测芯片的制作方法，解决目前石墨烯-硅异质结光电探测芯片在光响应度、响应速率、特定光谱响应增强等方面性能有待提升的问题。

增强型石墨烯-硅异质结光电探测芯片的制作方法，包括步骤：

S1.提供具有N型掺杂的硅衬底；

S2.在所述的N型硅衬底表面生长一层SiO₂层；

S3.通过光刻方法和刻蚀液腐蚀，在衬底上表面腐蚀部分SiO₂层，制备出具有窗口区域裸露的N型硅；

S4.在衬底上表面生长或转移界面钝化层；

S5.在衬底上表面转移具有金属纳米结构修饰的石墨烯层；

S6.在衬底下表面和衬底上表面未刻蚀SiO₂层的区域蒸镀金属电极。

优选的，所述的衬底为N型衬底，电阻率为0.01～10Ω·cm；

优选的，所述的SiO₂绝缘层制备方法可采用热氧化、PECVD、LPCVD、磁控溅射、ALD沉积方法中的一种制备；

优选的，所述的SiO₂绝缘层厚度可为100-1000nm；

优选的，所述的界面钝化层材料可为SiO₂、Si₃N₄、hBN、AlN中的一种；

优选的，所述的界面钝化层材料厚度可为0.1nm-5nm；

优选的，所述的石墨烯层的层数为1-10层；

优选的，所述的金属纳米结构材料为Ag、Au、Al、Rh、Ni、Pt或任意组合或类金属材料如TiN等；

优选的，所述的金属纳米结构尺寸20-1000nm；

优选的，所述的金属纳米结构，是通过包括纳米球刻蚀技术、光刻、纳米压印、金属薄膜退火技术、旋涂合成的金属纳米粒子在内的方法对石墨烯层进行修饰得到。

优选的，所述的转移具有金属纳米结构修饰的石墨烯层，转移方法可采用湿法转移或干法转移中的一种。

一种石墨烯-硅异质结光电探测芯片，所述的探测芯片包括硅衬底；还包括SiO₂绝缘层，位于硅衬底周围边界；界面钝化层，位于硅衬底之上；石墨烯层，位于界面钝化层之上；金属纳米结构层，位于石墨烯层之上，所述的金属纳米结构尺寸为20-1000nm。