[发明专利]一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子领域，特别是涉及一种金刚石基紫外探测器及其制作方法。

背景技术

随着光学技术和微电子技术日新月异的发展，紫外探测技术在国民经济及国防建设诸多领域展现出不可替代的应用价值，极具发展前景，已广泛应用于辐射检测、消毒控制生物检测等，检测迅速、准确，而且直观清楚。另外，紫外探测技术在早期导弹预警、制导、通讯等军事领域也有着十分重要的应用。

硅基探测器由于硅材料为间接带隙、禁带宽度小(室温下约1.1eV)、本征载流子浓度高、耐化学腐蚀性能差、抗辐射能力差等特点，限制了其在紫外探测方面、高温以及恶劣环境下的应用。GaN和AlGaN作为化合物半导体，其自发极化和压电极化所产生的材料缺陷，界面态缺陷，以及Al在空气中氧化产生的缺陷严重影响了其器件的工作特性。

相比之下，作为拥有四面体晶格结构的单质半导体，金刚石材料从禁带宽度(5.5eV)、载流子迁移率(电子：4500cm²/V·s，空穴：3800cm²/V·s)、热导率(22W/cm·K)、击穿场强(>10MV/cm^-1)、抗辐射、耐腐蚀等方面全面超越了前几代半导体材料，在克服了第三代半导体由于极化效应产生缺陷而造成的不足的同时还具备“日盲”特性，吸收截至波长降至约225nm，器件在可见光背景下工作时无需配置滤光片或介电涂层。可见，基于金刚石材料的紫外探测器具有独特的性能优势，和巨大的应用潜力，尤其是在抗辐射、系统重量要求比较高的武器装备、航空航天等领域，其将成为今后发展的主流方向。

然而目前仍有两个问题制约了金刚石基紫外探测器的发展，一、金属电极阻挡紫外线的入射，减小了有效探测面积，以及金属对紫外线的吸收都使得紫外探测器的响应度与外量子效应受到影响；二、平面结构设计限制了薄膜对紫外线的吸收。因此，新型透明电极材料，以及准三维结构的设计对实现对器件探测能力的提升有着迫切的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器及其制备方法，以解决传统金属电极对紫外线的阻挡及吸收问题，以及平面结构对紫外线吸收的限制，提高现有金刚石紫外探测器的响应度和外量子效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器，从下至上至少包含绝缘衬底、金刚石紫外敏感层、透明石墨烯层和金属电极；金刚石紫外敏感层的表面处形成金刚石表面终端；所述透明石墨烯层设置于金刚石紫外敏感层的金刚石表面终端上；所述金刚石紫外敏感层中均布有若干三维结构。

进一步的，所述绝缘衬底为金刚石、氮化铝、氧化铝或氧化镁；所述金刚石紫外敏感层为单晶或多晶形式，其厚度为0.1-20微米。优选的，绝缘衬底为金刚石，透明石墨烯为单层结构。

进一步的，所述若干三维结构为周期性的凸起或凹槽；所述凸起或凹槽截面形状为三角形、圆形或方形；边长或直径为0.1-50微米，间距为0.1-50微米，高度为0.1-5微米。

进一步的，所述金刚石表面终端为氧、氮或氟终端。

进一步的，所述透明石墨烯层为单层或多层石墨烯结构，其覆盖在金刚石紫外敏感层上，与金刚石表面终端紧密接触。

进一步的，透明石墨烯层未完全填充满凹槽三维结构中的凹槽，凹槽内部具有空隙。

进一步的，透明石墨烯层未完全填充满凸起三维结构中凸起之间形成的凹槽，凹槽内部具有空隙。

进一步的，所述金属电极为金、钯、铂、钛、钨、锆、钼中一种或几种。优选的，金属电极为钨/金或者钯/金组合。

一种石墨烯透明电极金刚石基紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)对绝缘衬底进行清洗及预处理；

2)在绝缘衬底上外延一层金刚石紫外敏感层；

3)利用光刻、刻蚀技术在金刚石紫外敏感层上获得周期性排布的凸起或凹槽三维结构，同时形成台面结构；

4)对外延的金刚石紫外敏感层表面处理，形成金刚石表面终端；

5)在三维结构表面形成单层或多层透明石墨烯层，或者将制备好的石墨烯薄膜转移至三维结构表面形成透明石墨烯层；

6)利用光刻、电子束蒸发技术，在金刚石紫外敏感层以及透明石墨烯层上形成金属电极，金属电极部分覆盖透明石墨烯层，金刚石紫外敏感层上的下金属电极为条形或闭合环形结构，透明石墨烯层上的上金属电极为条形或圆形。