[发明专利]一种利用SiC热解石墨烯制作光电探测器的方法

说明书

本发明提出一种利用SiC热解石墨烯制作光电探测器的方法，属于半导体器件领域，方法包括步骤：将石墨烯样片浸泡清洗并烘干；在石英上按照所需要的电极图形镀铬，再将铬进一步刻制修整成相应的版图得到光刻板；将清洗后的石墨烯样片进行涂胶，并配合所得的光刻板利用掩膜法对石墨烯样片进行曝光，再进行显影，得到金属电极图形；用磁控溅射仪对得到的石墨烯样片进行溅射镀膜；然后采用丙酮溶液剥离其多余的金属材料，得到完整的器件电极结构；对石墨烯样片进行氩气气氛下退火以消除残留光刻胶，然后自然冷却。本方法简化了制备工艺，同时使得SiC和石墨烯两种性能优异的材料可以很好结合在一起，开拓了日后SiC热解法石墨烯的应用途径。

技术领域

本发明提出一种利用SiC热解石墨烯制作光电探测器的方法，属于半导体器件领域。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子以蜂窝状结构结合的二维碳材料。其独特的原子结构使得石墨烯具有很多不同于传统材料包括极高的载流子迁移率、量子霍尔效应、超宽光谱吸收、高热导率、高机械强度等优异的物理性质。因此，石墨烯在未来集成电路、柔性显示和柔性电子器件、光电子器件、超高灵敏探测器、高性能复合材料和超级电容等新型电子器件领域具有广阔的应用前景。

石墨烯具有良好的导电性能和透光性能，对于石墨烯来说其本身只吸收约2.3％的光，几乎是完全透光。石墨烯还同时具备很好的柔性，可以在一定范围内弯曲折叠。这些优良性能使得它作为透明电导电极应用在液晶显示、太阳能电池、发光二极管、触摸屏、柔性显示等方面具有非常好的应用前景。此外石墨烯的光谱吸收范围可以从紫外到太赫兹频段，意味着利用石墨烯制作的光电探测器可以在更狂的波长范围工作，并且石墨烯高的载流子迁移率能够显著缩短探测器的响应时间。因此石墨烯光电探测器能够表现出超快的响应速度、超宽光谱吸收及电性能动态调节特性。石墨烯光电探测器实现光电转换的原理有很多，其中主要机理为光伏效应、光热电效应。光伏效应是指当入射光能量高于半导体吸收层带隙并照射在耗尽层时，光被吸收并产生电子-空穴对。同时光生载流子依靠内建电场分离，此时若电路为开路，外电路产生一个开路电压。若电路为闭合回路则因为分离载流子很快到达电极两侧而产生光生电流。同时光热电效应(PTE)主要指对于石墨烯p-n结型结构在受到激发时电子从价带到导带跃迁，然后它们又通过发射光子返回到费米能级处。由于两部分石墨烯的态密度不同同时存在温度梯度，因此载流子会发生扩散并形成光电流。

石墨烯的主要制备方法包括：机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、碳化硅热解法。其中SiC热解法作为一种生长高质量、大面积石墨烯的主流方法，其主要原理是基于控制高温下单晶SiC表面上Si原子的升华。在升华过程中，材料直接由固相转化为气相，在碳化硅中束缚较弱的Si原子优先升华，Si原子升华后留下自由的碳原子，碳原子在碳化硅表面发生重新排列形成石墨烯从而降低体系的能量。采用此方法制备过程较为纯净。并且由于SiC衬底本身就是一种宽禁带半导体，在半绝缘SiC衬底制备石墨烯后，不必进行转移，从而避免了对石墨烯的二次污染和破坏，保证了石墨烯的质量。制备后的石墨烯可以直接用于表征的刻蚀技术进行图案化设计制备石墨烯器件，可以与目前大部分主流的半导体器件制备工艺相兼容。此外此种方法可以将石墨烯与SiC两种优良材料天然结合在一起，有利于拓宽石墨烯的应用场景。中国专利文件CN105951179A(CN201610273844.2)公开了一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法。此种石墨烯制备方法的成熟意味着可以做出一种具有更好兼容性、探测性能更好、体积更小的石墨烯光电探测器。