CN105633193A - 一种响应波长可调的紫外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种响应波长可调的基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器，该探测器包括支撑衬底(1)，所述支撑衬底(1)上形成有Al_xGa_1-xN(2)，所述Al_xGa_1-xN(2)上形成有石墨烯层(3)，以及在所述石墨烯层(3)上形成有两端探测电极(4)，另外在所述两端探测电极(4)上分别具有超声键合的电极引线(5)。本发明提供的Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器，充分利用了Al_xGa_1-xN对紫外光的高效吸收、界面处的界面电场对载流子的快速转移和石墨烯中载流子的快速迁移的诸多优势，且其器件工艺与现有工艺兼容性好，易于工业化应用。

Description

一种响应波长可调的紫外探测器

技术领域

本发明涉及一种响应波长可调的基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器及其制备方法，属于光电器件技术领域。

背景技术

紫外探测技术是一项军民两用光电探测技术，在紫外制导、生化分析、臭氧探测等方面都有广泛的应用前景，尤其是日盲区(200nm–280nm)的探测，可以在追踪和探测目标时降低背景光通量的影响，提高信噪比和报警准确率。目前应用较多的紫外探测器利用的是光电倍增管，但却受限于体积庞大、工作电压高等缺点，而半导体激光器则因其功耗低、体积小的优势成为当今人们的研究热点。

Ⅲ族氮化物作为宽禁带直接带隙半导体材料，具有高饱和电子漂移速率、高热导率、抗腐蚀等诸多优良的特点，在光电子器件领域有重要的应用价值。Al_xGa_1-xN作为AlN与GaN的固溶体，可以通过调节Al组分x值(x可为0到1之间的任意值)使得带隙在3.4eV–6.2eV连续可调，其带隙对应的激发波长范围覆盖紫光波段到深紫外波段，利用这个特点可以实现对紫外波段的选择性探测。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体材料，具有优异的热学、力学和光电性能、大的比表面积、大的载流子迁移率以及良好的工艺兼容性。因此，石墨烯被认为在后硅时代将会创造更多的辉煌。

将Al_xGa_1-xN具有紫外吸收波长可调的优势与石墨烯高载流子迁移率的优势完美结合而设计的器件结构，将提供一种器件结构简单、波长可调、灵敏度高的紫外探测器。其器件工艺与现有技术兼容性好，有潜在的应用前景。

发明内容

鉴于当前紫外探测技术的发展现状，本发明所要解决的技术问题是提供一种器件工艺简单、灵敏度高的基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的新型紫外探测器及其制备方法。本发明充分利用了紫外光可以在宽带隙Al_xGa_1-xN合金半导体中产生大量的光生载流子、该载流子在界面电场的作用下快速转移到石墨烯中，并引起石墨烯中光电流响应的优势，与现有半导体工艺技术兼容性好，有利于工业化生产。

一种响应波长可调的基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器，该探测器包括支撑衬底(1)，所述支撑衬底(1)上形成有Al_xGa_1-xN(2)，所述Al_xGa_1-xN(2)上形成有石墨烯层(3)，以及在所述石墨烯层(3)上形成有两端探测电极(4)，另外在所述两端探测电极(4)上分别具有超声键合的电极引线(5)。

进一步地，所述支撑衬底(1)是蓝宝石，SiC、GaN或AlN，以及其它适合Al_xGa_1-xN生长的衬底。

进一步地，所述Al_xGa_1-xN层(2)上的所述石墨烯层(3)的层数在10层以下。

进一步地，还包括一个具有通光窗口的封装壳体，所述电极引线(5)与封装壳体的电极相连，紫外光可以通过通光窗口照射到所述Al_xGa_1-xN层(2)和所述石墨烯层(3)上。

进一步地，所述两端探测电极(4)是简单的一组或多组两端电极，或者是一组或多组的叉指电极以及其它类似的电极。

本发明的优点在于：本发明提供的Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器，充分利用了Al_xGa_1-xN对紫外光的高效吸收、界面处的界面电场对载流子的快速转移和石墨烯中载流子的快速迁移的诸多优势，且其器件工艺与现有工艺兼容性好，易于工业化应用。

附图说明

图1：基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器的结构示意图。其中(1)为支撑衬底，(2)为Al_xGa_1-xN层，(3)为石墨烯层，(4)为两端探测电极，(5)为电极上的引线。

图2：基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器工作原理图。

图3：采用单个叉指电极(4)的基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器及其制备方法，现结合附图和具体实施例，对本发明的实施步骤做进一步说明。

基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器的制备方法包括以下几个步骤：

步骤1：支撑衬底(1)上的Al_xGa_1-xN(2)的制备

支撑衬底(1)上的Al_xGa_1-xN(2)的制备方法，可以通过采用目前已经成熟和商业化的半导体薄膜制备技术或其它可替代的技术获得。这些薄膜制备技术包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)、磁控溅射或其它可替代的半导体薄膜制备方法。

步骤2：在Al_xGa_1-xN(2)上形成石墨烯(3)

在Al_xGa_1-xN层(2)上形成石墨烯(3)的方法包括采用目前已经成熟的石墨烯外延生长方法、物理或化学转移方法。如采用化学气相沉积法(CVD)在Al_xGa_1-xN层(2)上直接生长石墨烯、采用胶带剥离的石墨烯或将金属上或半导体上外延生长的石墨烯转移到Al_xGa_1-xN(2)上的成熟方法。

步骤3：采用光学曝光技术及热蒸发技术，利用两端或叉指电极掩膜板，在石墨烯层(3)上蒸镀两端或叉指电极(4)。

步骤4：利用超声键合技术，在两端探测电极(4)上焊接电极引线(5)，并将电极引线(5)与封装壳体的引线柱连接，完成器件封装。其中，所述封装壳体具有通光窗口，紫外光可以通过通光窗口照射到Al_xGa_1-xN层(2)和石墨烯层(3)上。

本发明提供的基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器，其工作原理如图2所示。因AlN和GaN可以以无限比例固溶，因而可以得到不同Al组分、带隙可调的Al_xGa_1-xN，其带隙对应的波长范围从紫光波段到深紫外波段连续可调，进而可以实现对紫外波段的选择性探测。当能量大于Al_xGa_1-xN带隙的紫外光源照射到探测器表面，Al_xGa_1-xN材料中的价带电子吸收紫外光子跃迁到导带。由于Al_xGa_1-xN的电子亲和势与石墨烯的功函数存在势差，因而在界面处存在界面电场。在Al_xGa_1-xN层内靠近石墨烯的区域内产生的光生载流子在界面电场的作用下快速转移到石墨烯上，使得石墨烯的的载流子浓度发生变化，引起电流的变化，进而实现对紫外光的灵敏探测。

实施例1

首先，采用MOCVD方法外延生长Al_0.36Ga_0.64N层(2)。以(0001)面蓝宝石(1)作为衬底，分别以三甲基铝TMA、三甲基镓TMG、NH₃作为Al源、Ga源和N源，H₂作为载气。先将蓝宝石衬底(1)在H₂氛围下1100℃热处理8分钟，保持反应室压力为50mbar和生长温度1150℃不变，通过调节三甲基镓TMG的流量实现对Al组分的控制。本次实验采用TMA、TMG和NH₃的流量分别为28sccm/min、6sccm/min和5000sccm/min，生长60分钟，获得的Al组分x＝0.36的Al_0.36Ga_0.64N膜，其膜厚度为400nm，对应的吸收边为300nm。

然后，用胶带黏住高取向石墨片的两侧面，进行反复剥离，再将剥离的石墨烯(3)转移到Al_0.36Ga_0.64N层(2)上。

采用光学曝光技术和金属热蒸发技术，利用叉指电极掩膜板，在石墨烯层(3)上蒸镀金属Pd(80nm)，得到如图3中所示的叉指电极。

利用超声键合技术，在两端探测电极(4)上引出电极引线(5)，并将电极引线(5)与封装壳体的引线柱连接，完成器件封装。其中，所述封装壳体留有通光窗口，紫外光可以通过通光窗口照射到Al_0.36Ga_0.64N层(2)和石墨烯层(3)上。

对上述所得基于Al_0.36Ga_0.64N上石墨烯的紫外探测器进行测试。采用功率为5mW，波长为245nm的连续激光照射到样品表面，在电极偏压为50μV的条件下，测到的光电流响应为200nA。

实施例2

首先，采用MOCVD方法外延生长Al_0.49Ga_0.51N层(2)，以(0001)面蓝宝石(1)作为衬底，分别以三甲基铝TMA、三甲基镓TMG、NH₃作为Al源、Ga源和N源，H₂作为载气。先将蓝宝石衬底(1)在H₂氛围下1100℃热处理8分钟，保持反应室压力50mbar和生长温度1150℃不变，固定TMA、TMG和NH₃流量分别为30sccm/min、5sccm/min和4000sccm/min，生长90分钟，获得的Al组分x＝0.49的Al_0.49Ga_0.51N膜，其膜厚度为500nm，对应的吸收边为280nm。

然后，借助PMMA辅助转移CVD法在铜膜上生长的石墨烯(3)。首先在铜衬底上生长石墨烯(3)，在石墨烯(3)上旋涂一层PMMA并烘干，并用Marble’rechant(HCl：H₂O：CuSO₄＝50mL：50mL：10g)腐蚀液把铜去掉，之后把带有PMMA的石墨烯(3)在去离子水中清洗；再把带有PMMA的石墨烯(3)转移到Al_0.49Ga_0.51N层(2)上并烘干，最后用丙酮将PMMA去除掉，再进行退火以便进一步去除残余的PMMA。

采用光学曝光技术和金属热蒸发技术，利用两端探测电极(4)掩膜板，在石墨烯层(3)上，蒸镀Ti/Au(6nm/80nm)，得到两端探测电极(4)。

利用超声键合技术，在两端探测电极(4)上引出电极引线(5)，并将电极引线(5)与封装壳体的引线柱连接，完成器件封装。其中，所述封装壳体留有通光窗口，紫外光可以通过通光窗口照射到Al_0.49Ga_0.51N层(2)和石墨烯层(3)上。

对上述所得基于Al_0.49Ga_0.51N上石墨烯的紫外探测器进行测试。采用功率为8mW，波长为245nm的连续激光照射到样品表面，在电极偏压为100μV的条件下，测到的光电流响应为400nA。

实施例3

首先，采用MOCVD方法外延Al_0.2Ga_0.8N层(2)，以(0001)面蓝宝石(1)作为衬底，分别以三甲基铝TMA、三甲基镓TMG、NH₃作为Al源、Ga源和N源，H₂作为载气。先将蓝宝石衬底(1)在H₂氛围下1100℃热处理8分钟，保持反应室压力50mbar和生长温度1150℃不变，固定三甲基铝TMA、TMG和NH₃流量分别为135sccm/min、20sccm/min和5000sccm/min，生长10分钟，获得的Al组分x＝0.2的Al_0.2Ga_0.8N膜，其膜厚度为560nm，对应的吸收边为330nm。

然后，借助PMMA辅助转移CVD法在铜膜上生长的石墨烯(3)。首先在铜衬底上生长石墨烯(3)，在石墨烯(3)上旋涂一层PMMA并烘干，并用Marble’rechant(HCl：H₂O：CuSO₄＝50mL：50mL：10g)刻蚀液把铜刻蚀掉，之后把带有PMMA的石墨烯(3)在去离子水中清洗，再把带有PMMA的石墨烯(3)转移到Al_0.2Ga_0.8N层(2)上并烘干，最后用丙酮将PMMA去除掉，再进行退火以便进一步去除残余的PMMA。

采用光学曝光技术和金属热蒸发技术，利用叉指电极掩膜板，在石墨烯层(3)上蒸镀金属Pd(80nm)，得到如图3中所示的叉指电极。

利用超声键合技术，在两端探测电极(4)上引出电极引线(5)，并将电极引线(5)与封装壳体的引线柱连接，完成器件封装。其中，所述封装壳体留有通光窗口，紫外光可以通过通光窗口照射到Al_0.2Ga_0.8N层(2)和石墨烯层(3)上。

对上述所得基于Al_0.2Ga_0.8N上石墨烯的紫外探测器进行测试。采用功率为10mW，波长为325nm的连续激光照射到样品表面，在电极偏压为0.02mV的条件下，测到的光电流响应为0.01mA。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，只是为本发明提供优选的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种响应波长可调的基于Al_xGa_1-xN上石墨烯的紫外探测器，该探测器包括支撑衬底(1)，所述支撑衬底(1)上形成有Al_xGa_1-xN(2)，所述Al_xGa_1-xN(2)上形成有石墨烯层(3)，以及在所述石墨烯层(3)上形成有两端探测电极(4)，另外在所述两端探测电极(4)上分别具有超声键合的电极引线(5)。

2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述支撑衬底(1)可以是蓝宝石，SiC、GaN或AlN，以及其它适合Al_xGa_1-xN生长的衬底。

3.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述Al_xGa_1-xN的Al组分x值介于0和1之间。

4.根据权利要求1或3所述的紫外探测器，其特征在于，所述Al_xGa_1-xN层(2)上的所述石墨烯层(3)的层数在10层以下。

5.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，还包括一个具有通光窗口的封装壳体，所述电极引线(5)与封装壳体的电极相连，紫外光可以通过通光窗口照射到所述Al_xGa_1-xN层(2)和所述石墨烯层(3)上。

6.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述两端探测电极(4)是简单的一组或多组两端电极，或者是一组或多组的叉指电极以及其它类似的电极。