本發(fā)明涉及一種自供能石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器的制備方法，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代生產(chǎn)生活技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求越來越高，如空間探索、潛艇或戰(zhàn)艦上對(duì)人體有毒或有害的狀況監(jiān)測(cè)等。隨著傳感器系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，內(nèi)部的探測(cè)器數(shù)量越來越多，這無疑對(duì)整個(gè)傳感器系統(tǒng)的能量供應(yīng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。目前，大多數(shù)傳統(tǒng)探測(cè)器使用電池供電來維持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)探測(cè)器數(shù)量增加時(shí)，電池供電方式使整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加，導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)的尺寸和重量同時(shí)增加。此外，傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)需要工作人員定期維護(hù)和更換電池。對(duì)于設(shè)置在危險(xiǎn)和極端環(huán)境中的傳感器設(shè)備，這不僅增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，而且對(duì)工作人員的生命安全構(gòu)成了威脅。這些問題將給傳感器系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展帶來很大的困難。自供電探測(cè)器的出現(xiàn)和相關(guān)研究使得器件在沒有外部電源的情況下也能持續(xù)工作，這大大降低了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，為解決上述問題提供了可能。

2、半導(dǎo)體光電探測(cè)器件中的自供能技術(shù)主要是基于光伏效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等，其中大部分是通過構(gòu)建pn結(jié)或肖特基結(jié)來實(shí)現(xiàn)。然而，絕大多數(shù)半導(dǎo)體很難實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的p型摻雜，因此大多數(shù)報(bào)道的自供能紫外光電探測(cè)器基本上都是采用垂直型的肖特基結(jié)來構(gòu)建其中的自供能體系，但是這些肖特基結(jié)光電探測(cè)器都不可避免地需要在半導(dǎo)體表面上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的肖特基接觸，同樣會(huì)增加器件制備的難度和成本，因此通過何種方式可以在紫外光電探測(cè)器中實(shí)現(xiàn)簡單可靠的自供能體系具有重要的研究意義。

3、石墨烯作為一種性能優(yōu)異的二維材料，不僅可以用于構(gòu)建光電探測(cè)器，還可以捕獲和儲(chǔ)存能量，因此在各種自供電傳感系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，例如充當(dāng)柔性電極，與半導(dǎo)體材料形成肖特基結(jié)等。碳化硅(sic)作為一種第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、載流子飽和遷移速度快、導(dǎo)熱系數(shù)高等特點(diǎn)。由于不同的原子排列，sic具有大量的同素異構(gòu)體，其中4h-sic在紫外光電探測(cè)器制備中具有更大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于sic外延石墨烯，其自然形成的石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)界面可以避免制備紫外光電探測(cè)器過程中的異質(zhì)結(jié)構(gòu)建過程，從而更容易地實(shí)現(xiàn)自供電系統(tǒng)的構(gòu)建，大大降低了器件的生產(chǎn)成本和所需的工藝復(fù)雜性。

4、對(duì)于sic碳面(000-1)外延多層石墨烯，它不具有過渡層結(jié)構(gòu)，因此石墨烯與sic襯底之間基本不存在相互作用，呈現(xiàn)出隨機(jī)取向的特點(diǎn)，形成無序的旋轉(zhuǎn)堆疊排列。這種無序的旋轉(zhuǎn)堆疊排列導(dǎo)致石墨烯/sic層間相互作用弱，使其表現(xiàn)出類似單層石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，即其在κ點(diǎn)附近的色散關(guān)系表現(xiàn)出類似單層石墨烯的線性狄拉克錐結(jié)構(gòu)，因此具有較高的載流子遷移率。這使碳面石墨烯/sic在制備高頻電力電子器件方面更具潛力。

5、專利文獻(xiàn)cn108231953b(cn201711482215.1)公開了一種具有石墨烯透明電極的msm結(jié)構(gòu)4h-sic紫外光電探測(cè)器。其在n型4h-sic襯底外延生長一層半絕緣層，將樣品切割為矩形條狀，采用電解熱方法生長si面多層石墨烯薄膜，通過光刻圖形化、icp刻蝕工藝，制備出具有msm結(jié)構(gòu)的紫外光電探測(cè)器。該探測(cè)器si面多層石墨烯薄膜無法形成異質(zhì)結(jié)，因此沒有自供能和位置響應(yīng)特性。專利文獻(xiàn)cn113707757a(202110779389.4)公開了一種調(diào)控紫外光電探測(cè)器光響應(yīng)性能的方法。該方法利用光刻膠作為保護(hù)層通過氧等離子體處理工藝調(diào)控樣片表面石墨烯條帶的長寬比，從而提高探測(cè)器光響應(yīng)速度和響應(yīng)度。但該探測(cè)器沒有構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)石墨烯之間的異質(zhì)結(jié)，沒有自供能和位置響應(yīng)特性。

6、迄今為止，針對(duì)石墨烯/sic紫外光電探測(cè)器的自供能技術(shù)尚未報(bào)道，因此，亟需一種簡單、高效的制備具有自供能特性的外延石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種自供能石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器的制備方法。

2、本發(fā)明制得的紫外光電探測(cè)器不僅具有自供能，還具有光斑位置響應(yīng)特性。

3、術(shù)語解釋

4、pn結(jié)：通過外延、摻雜劑擴(kuò)散或離子注入等工藝，將p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體襯底上，這兩種半導(dǎo)體材料之間的邊界或界面稱為pn結(jié)。

5、禁帶寬度：禁帶寬度是指一個(gè)帶隙寬度(單位是電子伏特(ev))，固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導(dǎo)電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶，自由空穴存在的能帶稱為價(jià)帶。被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。

6、異質(zhì)結(jié)：兩種不同的半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域。按照兩種材料的導(dǎo)電類型不同，異質(zhì)結(jié)可分為同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)。通常形成異質(zhì)結(jié)的條件是：兩種半導(dǎo)體有相似的晶體結(jié)構(gòu)、相近的原子間距和熱膨脹系數(shù)。

7、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

8、一種自供能石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器的制備方法，包括步驟如下：

9、1)利用熱解法制備碳化硅熱解石墨烯樣片；

10、2)將步驟1)得到的碳化硅熱解石墨烯樣片進(jìn)行清洗，干燥；進(jìn)行光刻膠、曝光、顯影，利用光刻工藝在石墨烯表面得到部分被保護(hù)的插指狀結(jié)構(gòu)的光刻膠保護(hù)層；

11、3)將步驟2)得到的樣片進(jìn)行氧等離子體處理，然后進(jìn)行清洗、干燥，得到缺陷化石墨烯區(qū)域和非缺陷化石墨烯區(qū)域交叉的插指狀結(jié)構(gòu)；

12、4)將步驟3)得到的樣片利用光刻工藝和電子束沉積工藝，使樣片表面沉積一層均勻的金屬，然后進(jìn)行清洗、干燥，得到自供能石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器。

13、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟1)中，在碳化硅碳面熱解石墨烯，石墨烯為3-10層石墨烯，碳化硅為半絕緣4h-sic。

14、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟1)中，熱解法按現(xiàn)有制備石墨烯方法進(jìn)行。

15、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟1)中，碳化硅熱解石墨烯樣片尺寸為10mm*10mm，厚度為350μm，表面偏軸角度為0度，誤差在0.3度之內(nèi)。

16、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟2)中，部分被保護(hù)的插指狀結(jié)構(gòu)包括第一梳狀結(jié)構(gòu)、第二梳狀結(jié)構(gòu)，第一梳狀結(jié)構(gòu)和第二梳狀結(jié)構(gòu)形成插指狀結(jié)構(gòu)，第一梳齒和相鄰的兩個(gè)第二梳齒之間沒有間隙，其中第一梳狀結(jié)構(gòu)或第二梳狀結(jié)構(gòu)被保護(hù)層保護(hù)。

17、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟2)中，第一梳狀結(jié)構(gòu)、第二梳狀結(jié)構(gòu)的梳齒寬度為0.5-5mm。

18、進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟2)中，第一梳狀結(jié)構(gòu)、第二梳狀結(jié)構(gòu)的梳齒寬度為0.63mm。

19、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟2)中，光刻工藝按本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行。

20、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟3)中，氧等離子體處理的氧氣體流量為300-600ml/min，工作功率為280w，處理時(shí)間為1-5min。

21、進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟3)中，氧等離子體處理的氧氣體流量為450-500ml/min，工作功率為280w，處理時(shí)間為2-3min。

22、將部分被保護(hù)的插指狀結(jié)構(gòu)的光刻膠保護(hù)層進(jìn)行氧等離子體處理，氧等離子體處理調(diào)控sic外延石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，未被保護(hù)的插指狀結(jié)構(gòu)石墨烯產(chǎn)生空位缺陷，降低石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，提高其功函數(shù)，使其摻雜類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閜型；這樣在sic襯底和外延石墨烯之間形成sic-石墨烯異質(zhì)結(jié)，在缺陷化石墨烯與非缺陷化石墨烯之間形石墨烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，成功構(gòu)建了自供能體系。

23、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟4)中，光刻工藝和電子束沉積工藝按本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行，光刻膠區(qū)域?yàn)殚L條狀對(duì)稱分布。

24、本發(fā)明方法中所有設(shè)備、原料均為市售產(chǎn)品。

25、本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)良效果在于：

26、1、本發(fā)明先在碳化硅碳面制得碳化硅熱解石墨烯樣片，然后在石墨烯表面得到部分被保護(hù)的插指狀結(jié)構(gòu)的光刻膠保護(hù)層，再進(jìn)行氧等離子體處理，氧等離子體處理調(diào)控sic部分外延石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，通過氧等離子體處理，部分石墨烯產(chǎn)生空位缺陷，降低了石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，提高其功函數(shù)，使其摻雜類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閜型。

27、2、本發(fā)明的制備方法，在sic襯底和外延石墨烯之間形成質(zhì)量良好的異質(zhì)結(jié)，在缺陷化石墨烯與非缺陷化石墨烯之間形成質(zhì)量良好的異質(zhì)結(jié)，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，成功構(gòu)建了自供能體系，成功得到了自供能石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器。

28、3、使用光功率密度為176.8mw/cm2的365nm紫外光，在無外加偏壓下制得的自供能石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器進(jìn)行光響應(yīng)測(cè)試，在電壓和電流的兩種響應(yīng)模式下，自供能石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器具有穩(wěn)定且快速的響應(yīng)特性，并且該類型探測(cè)器同時(shí)具有光斑位置響應(yīng)特性。

29、4、采用本發(fā)明的方法制備的自供能石墨烯/sic異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器具有相對(duì)簡單的設(shè)備及工藝，且效果優(yōu)良，進(jìn)一步增加了相關(guān)器件的應(yīng)用價(jià)值。