汽车芯片标准钻研与运行 (汽车芯片标准体系)

经过湿法转移二维资料与 半导体 衬底构成异质结是一种经常出现的制备异质结 光电 探测器 的方法。在湿法转移制备异质结的环节中，不同的制备工艺细节对二维资料与半导体构成的异质结的性能有清楚影响。

据麦姆斯咨询报道，近期，西安工程大学理学院的科研团队在《中国 光学 （中英文）》期刊上宣布了以石墨烯/硅异质结光电探测器的制备工艺与其伏安特性的相关为主题的文章。该文章第一作者为杨亚贤，重要从事新型光电探测器工艺制备及其运行的钻研上班；通讯作者为张国青传授，重要从事新型光电子器件方面的钻研上班，重点为单光子照应探测器件的研制。

本文以典型的二维资料石墨烯（Gr）为例，驳回湿法转移制备了一系列相反的Gr/Si异质结光电探测器，对其制备工艺与伏安特性的相关启动了具体钻研。

Gr/硅异质结制备与测试方法

图1为Gr/硅异质结光电探测器的结构示用意，其制备工艺流程图见图2所示，重要步骤如下：

（1）在外延了50微米厚N-型外延层（ 电阻 率约16ohm-cm）的<100>晶向的低电阻率N型区熔硅衬底上，驳回湿法氧化3000埃的二氧化硅薄膜。经过光刻与刻蚀技术，在二氧化硅薄膜上开1mm见方的硅窗口，裸显露硅衬底，用以与石墨烯构成范德华异质结。

（2）Gr转移至衬底。首先对Si衬底启动超声荡涤，预备Gr，本文中经常使用的Gr为S（先退化学供应 公司 ）一步转移式Gr，无需再次旋涂PMMA，将Gr转移至带有硅窗口的衬底上。在转移环节中，要尽量缩小Gr在水中沉没的环节中高层气泡的发生，经常使用载玻片将气泡逐渐去掉，直到气泡简直无法被观察到为止。将衬底斜入水中，渐渐将Gr捞起，使得Gr居于衬底中部，此时将转移好的样品启动人造风干，将样片搁置在滤纸上，用造就皿笼罩防止灰尘落入，静置1h。

（3）异质结样片烘干。将样片搁置在预热好的热板上，驳回梯度式升温，防止升温蒸发过快，形成Gr被气泡顶破。整个烘干环节实现后，将样片人造冷却至室温，在洁净的造就皿中倒入必定量丙酮，将样片浸泡在丙酮中除胶，热板预热45°C，加热丙酮2h，减速PMMA溶解，改换丙酮浸泡12h，经常使用另一洁净造就皿盖住，缩小丙酮挥发同时防止灰尘进入。除胶进程完结后，经常使用无水乙醇对残留在样品外表的丙酮溶液启动荡涤，经常使用洗耳球将乙醇吹干，样片置于滤纸上，盖上造就皿静置待乙醇挥发齐全，将其置于提早预热好的热板上恒温（50°C）烘干。

（4）石墨烯选用性刻蚀，用以将不同的异质结器件隔分开来，同时辰蚀掉大部分非光敏区的石墨烯。将PMMA点在氧化硅窗口上面的Gr层上包全部分的Gr。点胶时为防止点与点间的PMMA晕开粘连，提早将其搁置在预热好的热板上60°C加热点胶，这样既减速了PMMA的凝结，也保障PMMA点胶的平均性。整个点胶环节实现后，将热板升温至85°C，凝结PMMA15min，将样片置入氧等离子体荡涤机腔体内，启动氧等离子体干法刻蚀， 射频 功率为70W，氧气流量为40mL/min，刻蚀时长2.5min。而后对刻蚀后的样片启动除胶，此处除胶步骤与转移烘干后的除胶步骤分歧，然而由于点胶PMMA层厚度较大，因此水浴加热丙酮的环节所需期间略长，除胶步骤实现后对其启动170°C烘干40min。

（5）退火。最后对整个样片启动退火处置，将样片放入CVD退火炉中启动退火处置。退火时为Ar气氛围包全，400°C退火2h。退火处置一方面是为了将转移前的Gr外表面的PMMA与刻蚀时的PMMA进一步驱除，另一方面溶液转移环节中残留的可挥发的杂质也会由于在CVD中退火被带走，同时夹层中或许依然剩余的水分，也会被带走。经上述制备流程，即可失掉Gr/硅异质结。

图1Gr/硅异质结光电探测器结构示用意

图2Gr/硅异质结光电探测器制备工艺流程图

制备好的Gr/硅异质结首先启动了外表形貌和拉曼光谱表征，而后启动了光电特性 参数 表征。外表形貌观察经常使用了金相显微镜，硅外表石墨烯的拉曼光谱测试经常使用的是英国雷尼绍（Renishaw）公司制作的显微共聚焦激光拉曼光谱仪。Gr/硅异质结光电探测器电学特性测试经常使用的是手动探针台，应用半导体参数测试仪给异质结施加不同偏压，同时测量对应的 电流 ，电流随偏压的变动曲线即为伏安特性曲线。将伏安特性曲线数据，依照欧姆定律计算即可失掉异质结光电探测器件的静态电阻随偏压的变动。在光明条件下，给Gr/硅异质结光电探测器加反向偏压，测量失掉的电流为暗电流ID。在本文中经常使用可调激光光源（波长525nm，入射光斑面积为5.15mm²功率调理范围0~0.7W，AC90，北京宏蓝光电）给Gr/硅异质结器件照耀光，测量失掉的电流Itot即为光电流Iph与暗电流ID之和。

试验结果与剖析

Gr/硅异质结器件的基本表征

图3为Gr/硅异质结外表Gr的拉曼光谱图，与毛病相关的D峰（1350cm⁻¹）较弱，标明石墨烯资料毛病较少，依据G峰和2D峰的强度比例大于2，可以判别出Gr的层数为单层。图4为选用性刻蚀后的Gr/Si异质结金相显微图。从图中可以看出Gr被PMMA包全得较为完整，衔接性良好，未看到清楚破损。图中白色图形区域为Si衬底外表无300nm的SiO₂的区域。白色图形区域内、外可见的斑点是湿法转移环节中的杂质或PMMA胶的残留。

图3转移到图形化Si衬底外表的Gr拉曼谱图

图4选用性刻蚀退火后的Gr/Si异质结全体金相显微图（石墨烯边界沿着白色虚线圆圈）

烘干工艺对Gr/硅异质结暗电流的影响

图5为在光明环境测得的不同烘干温度条件下Gr/硅异质结的反向I-V曲线（烘干期间均为60min）。从图中容易看出随着烘干温度的参与，暗电流降低清楚，说明高温烘干处置无利于减小异质结器件的暗电流。进一步观察可以看出，100°C及以上的烘干温度条件下，暗电流清楚减小。反向偏压为−2V时，100°C烘干温度条件下的暗电流比90°C烘干温度下减小了将近1个量级。咱们以为之所以发生这种现象，是由于Gr/硅异质结在湿法转移制备环节中，Gr/硅的夹层中残存有水分，烘干处置无利于驱逐夹层中残存的水分；高于100°C的烘干处置，暗电流降低清楚是由于烘干温度已到达或高于水的沸点，夹层中的水分彻底汽化，从石墨烯边界或破损处排出，从而减小了异质结的暗电流。从图中还可以看出，烘干温度高于170°C时，I-V曲线简直不再变动，因此，可以以为最佳的烘干温度为170°C。在试验环节中，咱们还发现假设间接将样品放到超越100°C的热板上，在显微镜下观察硅衬底外表的Gr层会看到破损和褶皱，I-V曲线测试发现该类样品简直不导通，少数导通的漏电也很大。经剖析以为这是由于Gr/硅异质结夹层中残留的水分加快地沸腾蒸发、鼓泡形成了Gr的破损和褶皱，使得Gr的连通性降低，进而形成异质结电学性能降低甚至损坏。

图5不同烘干温度条件下选用性刻蚀前大面积Gr/Si异质结的反向伏安特性曲线对比（光明遮光条件下测试）

从图5中还可以观察到烘干工艺只管能减小异质结的暗电流，但暗电流的相对值相比于硅同质结依然较大，而且看不到击穿拐点，这或许是由于Gr/硅异质结存在较高密度的外表态，造成异质结处的发生复合电流较大，从而发生较大的暗电流。为了进一步减小Gr/硅异质结的暗电流，咱们对大面积Gr/硅异质结启动了选用性刻蚀处置，使多个Gr/硅异质结独立，并且刻蚀掉了大部分未与硅接触的Gr。

刻蚀、退火工艺对Gr/硅异质结暗电流的影响

图6（a）为不同烘干、刻蚀、退火工艺条件下Gr/Si异质结的反向I-V曲线对比。依据前面3.3部分探讨的最佳烘干温度，这里选用性刻蚀后的烘干温度定为170°C。从图6（a）中可以清楚看到，与仅仅烘干后的样品的I-V曲线对比，选用性刻蚀后漏电流进一步降低，降低了大概1个量级，并且可以看到Gr/Si异质结的击穿拐点（击穿电压约−4.5V）。图6（b）为不同烘干、刻蚀、退火工艺条件下Gr/Si异质反偏结的电阻随偏压变动曲线对比。从图中可以看到选用性刻蚀后及退火后电阻进一步增大，在反向偏压较低时，可以到达100MΩ以上。值得关注的是，经过将退火后异质结的反向I-V曲线与选用性刻蚀后的对比观察，可以看出在−4V反向偏压下，漏电流又降低了约1个量级。咱们以为这是由于高温退火缩小了Gr/Si异质结中的可挥发性杂质和或许残留的PMMA胶，从而进一步降低了异质结的漏电流。这个观念可以在图7中失掉佐证。图7为选用性刻蚀后、退火后的金相显微图，从图7中两幅子图对比可以看出，在刻蚀与退火后，外表的杂质及或许残留的PMMA胶清楚缩小。

图6（a）不同烘干温度、刻蚀、退火工艺条件下Gr/Si异质结的反向I-V曲线对比；（b）不同烘干温度、刻蚀、退火工艺条件下Gr/Si异质结的电阻随偏压变动曲线对比（光明条件下测试）

图7选用性刻蚀后与退火后异质结外表金相显微图（左为刻蚀后，右为退火后，白色圆圈内为较清楚的可挥发性杂质或或许残留的PMMA胶）

Gr/硅异质结的光照应特性

图8中白色空心三角连线和白色实心三角连线区分为加光前后的反向I-V特性曲线，给Gr/Si异质结照耀的光功率密度为5.53E-6W/cm²。可以看到加光后总电流参与了1个量级以上，说明Gr/硅异质结光照应清楚。蓝色实心圆连线为Gr/硅异质结的光电流增益随偏压的变动曲线，可以看出偏压超越4.5V后，增益开局大于1，并且增益随着偏压的参与而参与。偏压−9V时，增益到达了48。图9为Gr/硅异质结的光照应度（R）和信噪比（SNR）随偏压的变动曲线，可以看到反向偏压在−1.7V时SNR到达了23.7，光照应度峰值可以到达25.6A/W，这与文献中报道的1mm²光敏面积的Gr/Si异质结光电探测器的典型照应度凑近，这些结果说明Gr/硅异质结在经过选用性刻蚀、退火工艺处置后，在使漏电水平大幅度降低的同时，还能保障其光电特性不好转，这些结果为制备高度集成的Gr/硅异质结 光电器件 工艺提供了必定参考。

图8选用性刻蚀、退火后Gr/硅异质结的反偏伏安特性与增益曲线

图9（a）Gr/硅异质结的信噪比（SNR）随偏压的变动曲线（SNR：SignaltoNoiseRao）；（b）Gr/硅异质结的光照应度随偏压的变动曲线

论断

梯度式烘干工艺可以清楚降低Gr/Si异质结器件的漏电流，最佳的峰值烘干温度为170°C，170°C以上漏电流不再有变动。Gr/Si范德华异质结的选用性刻蚀和退火工艺也能够大幅降低漏电流。Gr/Si范德华异质结夹层中的残留水分以及杂质对异质结的漏电流有清楚影响。因此，适合的烘干工艺、选用性刻蚀工艺、退火工艺在Gr/Si异质结器件的制备环节中是必要的。这些论断关于经常使用湿法转移方法制备二维资料异质结器件具备必定的参考价值。

这项钻研取得国度人造迷信基金（No.11975176）、陕西省人造迷信基金（No.2022JQ-660）和人工结构配置资料与器件陕西省重点试验室基础钻研基金（No.AFMD-KFJJ-21207）的资助和允许。

审核编辑：汤梓红

原文题目：石墨烯/硅异质结光电探测器的制备工艺与其伏安特性的相关