CN109873048A - 一种透明紫外光电子器件的制造方法 - Google Patents

一种透明紫外光电子器件的制造方法 Download PDF

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王跃锦
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Abstract

本发明提供了一种透明紫外光电子器件的制造方法，包括如下步骤：1)在衬底上生长单电导层，所述单电导层为n型或p型掺杂的宽禁带半导体层，2)在单电导层上生长势垒绝缘层，或者将生长好的势垒绝缘层转移至单导电层上；4)在所述势垒绝缘层上形成透明电极层，所述透明电极层为纳米线或原子级厚的导电透明二维材料；5)形成与所述单电导层电连接的金属电极。利用上述方法制备的电子器件可以实现器件的紫外双面发光，并具有良好的光探测性能，以此可以获得一种单电导层的透明紫外光电子器件以及光探测器，有助于提高发光性能和光探测性能，并减少复杂的制作工艺降低成本。

Description

一种透明紫外光电子器件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种单电导层透明紫外光光响应多用途发光二极管器件的制备技术。
背景技术
自从Thomas Alva Edison等人发明了钨丝灯泡，人类的生活方式发生了翻天覆地的变化。“随着太阳升起，与日落一起休息”不再是一种生活方式。电致发光器件的发明直接加速了技术进步和文明的发展。在那之后，科学家们不断寻找具有更多节能和实际应用的新光源。1961年，Robert Biard和Gary Pittman发现了GaAs的红外辐射，和第二年NickHolonyak发明了第一个可见光发光二极管。最近，Nakamura Shūji等人发明了高亮度蓝光LED并获得诺贝尔物理学奖。发光二极管(LED)这种能将光和电结合在一起的器件的发展日益成熟，与传统光源相比，LED具有体积小，发光效率理想，寿命长，开关时间快，导通电压相对较低，汞环境污染小等优点；LED不仅用于照明，也用于光通信甚至工业和医疗等领域。一般的高亮度LED制造工艺相当复杂，包含十多个制造步骤，这需要大量的时间和原材料成本。
深紫外LED仍然是近年来科学家继续研究的研究目标领域之一，因为它们具有广泛的应用价值，包括生物医学，环境保护和公共卫生等；但相比于其他LED，深紫外LED的制造存在更多的挑战。这主要是因为对晶体衬底和III-V氮化物半导体的缺陷控制的忽视以及技术上的障碍，这些挑战不仅增加了制造的难度，还增加了制作成本。
因此，需要制造一种新深紫外LED结构，以满足各种竞争特征，包括批量生产的快速制造工艺，低成本和多功能。首先，就是寻找一种结构来代替p-n结，因为过多的p、n掺杂过程可能伴随着晶格结构的破坏；此外，许多半导体本身固有地难以得到p型和n型掺杂，这使得p-n结的制造成为挑战问题。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种单电导层透明紫外光电子器件的制造方法，可以实现器件的紫外双面发光，并具有良好的光探测性能，以此可以获得一种单电导层的透明紫外光电子器件以及光探测器，有助于提高发光性能和光探测性能，并减少复杂的制作工艺降低成本。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种单电导层透明紫外光电子器件的制造方法，包括如下步骤：
1)在衬底上生长单电导层，所述单电导层为n型或p型掺杂的宽禁带半导体层，
2)在单电导层上生长势垒绝缘层，或者将生长好的势垒绝缘层转移至单导电层上；
4)在所述势垒绝缘层上形成透明电极层，所述透明电极层为纳米线或原子级厚的导电透明二维材料；
5)形成与所述单电导层电连接的金属电极。
在一较佳实施例中：所述单电导层包括但不限于n-AlGaN。
在一较佳实施例中：所述势垒绝缘层包括但不限于SiO2、AlN、二维h-BN、MoS2、MoSe2、WS2、硅烯、锗烯或黑磷中的一种或多种。
在一较佳实施例中：所述透明电极层包括但不限于Ag纳米线、Cu纳米线、合金纳米线、石墨烯中的一种或多种。
在一较佳实施例中：所述金属电极与所述单电导层为欧姆接触。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明使用一种“金属(Metal)—绝缘体(Insulator)—半导体(Semiconductor)”的结构来代替p-n结，避免过多的p、n掺杂过程伴随的晶格结构的破坏，并解决了许多半导体本身固有地难以得到p型和n型掺杂的问题；
2.本发明避免了复杂的制作工艺，并减少了长时间的沉积过程中产生的缺陷，同时降低了制作成本；
3.本发明可以实现器件的紫外双面发光，且发光效率高，发光波段达紫外光波段；
4.本发明具有良好的光探测性能，以此可以获得一种光探测器，具有快的光响应时间以及高的响应度。
附图说明
图1示出了本发明实施例的单电导层透明紫外光电子器件的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的单电导层透明紫外光电子器件的制造方法流程示意图；
图3示出了本发明实施例的单电导层的结构示意图；
图4示出了本发明实施例的光致发光(PL)光谱；
图5示出了了本发明实施例的绝缘层h-BN薄膜SEM表征以及绝缘性测试；
图6示出了本发明实施例的透明电极层Cu纳米线的SEM表征以及透射率测试；
图7示出了本发明实施例的金属电极的欧姆接触测试；
图8示出了本发明实施例的单电导层透明紫外光电子器件的整流特性的I-V曲线；
图9示出了本发明实施例的单电导层透明紫外光电子器件的电致发光(EL)光谱；
图10示出了本发明实施例的单电导层透明紫外光电子器件的瞬态响应的光探测性能。
具体实施方式
下文通过附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参考图1-2，本实施例提供了一种单电导层透明紫外光电子器件的制造方法，包括如下步骤：
1.单电导层n-AlGaN的制备，所述单电导层为n型或p型掺杂的宽禁带半导体层。
1)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上制备：包括600nm未掺杂的Al0.3Ga0.7N缓冲层以及100nm Al0.4Ga0.6N；
2)利用分子束外延生长1.5μm的n型Si掺杂的Al0.3Ga0.7N薄膜，如图3、图4所示；
3)在乙醇和DI水中用超声波冲击冲洗n-AlGaN活性层，使表面完全清洁，最后利用氮气枪清除表面水滴和灰尘。
2.势垒绝缘层h-BN的制备：
1)采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法在Cu衬底上制备；
2)设置大石英管作为反应腔体，用于提供真空环境和整体腔体气体环境并发生沉积反应；大石英管末端与真空泵通过法兰相连接，包括机械泵和分子泵两级真空装置，密封好后可将腔体抽至所需真空度，确保反应不受大气污染，同时将反应过程中产生的废气和副产物带出腔体。
3)设置小管构成独立通气管路，直接与独立气路相连，长度通过BN前驱物温区，出口设置与反应室起始处。
4)内外管路外部有质量流量控制器连接气瓶，利用软件可对气体质量流量作精确控制，并做多种气体的混合供气。
5)选取Borazane(硼烷氨)作为B、N的前驱物，称取0.0120g后，置于一个小型石英舟内并将其推到小管内位于第一温区的中心位置；将Cu箔衬底置于第三温区的中心位置。
6)设置好温控面板及通气程序并开始升温，当第反应温区升温至800-1000℃时，外管通以一定比例的氢气和氩气混合气体(10sccm H2和20sccm Ar)，对衬底进行退火处理约20-60分钟，以去除衬底表面氧化层和其他吸附污染物，使Cu的domain增以大降低成核密度，有利于高质量薄膜的生长。
7)退火完成后，反应腔温度提升至1050-1060℃，同时，前驱物所处温区提升至预设温度(85-100℃、700～800℃)，此时开始生长阶段：改为从内管通入8sccm H2和20sccmAr来输送Borazane(气体流量和比例可根据掺杂浓度和反应速度需要按比例调控)。
8)反应结束后加热程序自动关闭，并改于外管继续通入5sccm H2和20sccm Ar用作保护气体，最后待自然冷却到室温后，关闭真空泵，打开腔体恢复真空度后取出样品区分正反面，并置于干燥箱中待用。
3.将势垒绝缘层h-BN薄膜转移至单电导层；1)采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)作为媒介的转移方法。
2)在六方氮化硼上面涂上一层PMMA保护氮化硼，配制一定浓度过硫酸铵((NH4)2S2O8)溶液，将生长基底铜片去除，得到PMMA覆盖的六方氮化硼薄膜漂浮在刻蚀溶液上。
3)在去离子水中漂洗之后转移到单电导层n-AlGaN上，PMMA覆盖的六方氮化硼薄膜上留有放置金属电极的窗口，以将部分单电导层n-AlGaN暴露出来。然后加热固化，使PMMA覆盖的六方氮化硼薄膜充分与单电导层n-AlGaN接触，并把样品放置于丙酮溶液中去除PMMA。
4)最后进行退火进一步除去残留的PMMA。
4.欧姆电极Ti/Al/Ti/Au的制备：
1)用铝箔纸制作Cu纳米线电极mask，并包裹在h-BN/n-AlGaN上，注意使电极位置与所述窗口对应。
2)采用磁控溅射法分别溅射Ti(40nm)/Al(120nm)/Ti(40nm)/Au(80nm)的金属电极。
3)950℃下快速退火30s后达到欧姆接触。
5.透明电极Cu纳米线的制备：
1)称取0.8mmol二水合氯化铜(CuCl2·2H2O)作为铜原子的反应前驱物(Precursor)；0.4mmol乙酰丙酮镍-Ni(acac)2作为还原剂；量取10ml油胺作为还原剂、分散剂及结构导向剂(保护剂)，将三者混合于三口烧瓶中。
2)将三口烧瓶置于恒温加热磁力搅拌器内进行加热反应，通过设定调节加热装置，可以实现对反应温度以及反应速率的精确控制。为避免反应过程中Cu纳米线在高温下被氧化，需不断向容器中通入50sccm高纯氮气(或氩气)作为保护气。
3)当装置温度升高至80℃时，恒温加热20min。
4)将反应装置持续加热至185℃，恒温加热4个小时。
5)反应结束后，停止加热，待反应溶液冷却至室温后，从反应产物中离心分离出Cu纳米丝，并封存于正己烷溶液中。
6.将透明电极Cu纳米线转移至绝缘层h-BN：
1)采用真空抽滤压印技术来制备Cu纳米线透明金属电极。
2)用铝箔纸制作Cu纳米线电极mask，并包裹在h-BN/n-AlGaN上，注意使透明电极部分位于有h-BN覆盖的位置。
3)取出一定量的Cu纳米线-正己烷油墨，用一定比例的正己烷溶液稀释至一定浓度(通过改变加入正己烷的量可以调控透明电极的厚度而影响其透射率和方块电阻等参数)并超声、振荡数分钟使其分散均匀。
4)将稀释过的Cu纳米线油墨倒入抽滤装置的容器中，开启真空机械泵抽掉正己烷，在滤膜上形成具有一定厚度的均匀分布的Cu纳米线薄膜。
5)用镊子从抽滤头上揭下覆盖有均匀Cu纳米线薄膜的滤膜，使覆盖有Cu纳米线的一面与目标衬底紧密贴合在一起。
6)利用舟形印章在滤膜背面施加一定压力并均匀滚压转印，在压应力的作用下，Cu纳米线薄膜与目标衬底表面充分接触，并使得Cu纳米线能够完整得转移至目标衬底上。
7)将mask取下后于300-400℃下快速退火20min后取出，以去除纳米线上的有机物，同时提高铜纳米线网格导电性及机械性能，从而获得分布均匀的金属薄膜导电网格。
作为本实施例的简单替换，可以改为直接在单电导层n-AlGaN上制备势垒绝缘层；另外透明电极和金属电极的制备顺序可以颠倒，即先制作透明电极再制备金属电极。
通过上述方法得到了单电导层透明紫外光电子器件，包括：衬底、设置在衬底上的单电导层、设置在单电导层上的势垒绝缘层、设置在势垒绝缘层上的透明电极层、以及与所述单电导层电连接的金属电极；
所述势垒绝缘层上具有暴露出单电导层的窗口，所述金属电极通过该窗口与单电导层形成电连接，所述单电导层为n型或p型掺杂的宽禁带半导体层，所述透明电极层为纳米线或原子级厚的导电透明二维材料。
为验证本方案的可行性及有益效果，对本方案制作的单电导层透明紫外光电子器件进行测试及分析：
1)单电导层n-AlGaN的光电性能测试；
为研究n-AlGaN的质量，测得室温PL谱：发现在248nm激光激发下，正面收光在282nm以及325nm处存在发光峰，经初步分析，324nm发光不是因为Si的杂质能级，因为Si在AlGaN中电离能只有0.2eV，而是来自Si杂质能级到某些缺陷的受主能级之间的跃迁，是与缺陷有关的近带边发射；而282nm处的发光则同样不会来自于缺陷发光，因为缺陷发光必定在更长的位置产生，但可以确定的是，光致发光波长已达到紫外波段，若尝试优化n-AlGaN的结构或组分，则有望步入深紫外波段。
2)势垒绝缘层h-BN薄膜的形貌及绝缘性测试：
从图5可以看出，h-BN薄膜存在一些褶皱(Wrinkles)以及单个三角形的h-BNdomain，褶皱是由于一张接合完整的h-BN薄膜，它的膨胀系数和铜箔的膨胀系数是不同所致，可以判断h-BN薄膜的完整性。
对于绝缘性的测试，我们利用I-V曲线的测量来说明：可以看到在5V的电压下，均匀覆盖在n-AlGaN上的h-BN薄膜呈现出绝缘的特性，同样说明了h-BN在转移过程中保持良好的完整性，同时也说明可以利用h-BN薄膜作为绝缘层，以此可防止漏电流的发生，也可在界面处积聚自由载流子，从而提高光电子器件的发光效率。
3)透明电极Cu纳米线的形貌及透射率测试：
从图6可以看出，制备的纳米线分散均匀，不聚集成束，杂质颗粒少，纳米丝纯度高。从纳米丝形貌看，直径粗细均匀，其直径平均在30nm以下，有超高长径比(>1600)，说明制备出来的Cu纳米线的具有较高质量，与目前报道中其他技术获得的Cu纳米线相比，我们的结果是国际上最细、长径比最高、表面最为光滑、质量最高的纳米线。
透明电极材料的光电特性是衡量是否具有实际应用价值的最重要指标，一般而言，我们希望透明电极的透射率(T，光学属性)越高越好，而方阻(Rs电学属性)越低越好。我们将Cu纳米线转移至高透光性的石英玻璃上，利用紫外可见光光度计测试其透射率，可以看出Cu纳米线在一个很宽的波段范围(紫外-红外)都有很高的透射率：方阻Rs为23Ω/sq时，透射率T可达86.6％；且值得注意的是，我们可以通过改变纳米线的浓度来制备不同厚度的透明电极薄膜，Cu纳米线浓度越高，薄膜越厚，透明电极导电性越好，透射率则越低。
4)金属电极的欧姆接触测试：
通过测量溅射了Ti(40nm)/Al(120nm)/Ti(40nm)/Au(80nm)金属电极后的n-AlGaN器件的I-V曲线，如图7，发现可以达到良好的欧姆接触，这种欧姆接触不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化，也不影响器件的电流-电压特性，因此证明所选金属电极较为合适。
5)光电子器件的I-V测量：
为了证实隧穿机制是该器件中载流子输运的原因，我们测量了从-10V到+10V的I-V曲线，如图8，发现该器件存在明显的整流特性，且电流很大可到达几十mA；此外，结合理论知识可发现直接隧穿过程是我们器件中载流子输运的主导机制。
6)光电子器件的电致发光(EL)光谱测量：
为测量该器件的发光效率，我们在室温正向偏压下不同隧穿电流的电致发光光谱，如图9，从图中可以看出，在中等注入电流下，在328nm附近的一次光发射属于近带边发射，且随着隧穿电流的增加，发光强度也出现明显的增加现象。由于h-BN绝缘层和的存在，产生电场并导致了电子的积累；n-AlGaN薄膜导电带中的隧穿空穴与电子迅速结合，在328nm附近产生紫外辐射。我们实现的一个独有特性是双面发光，它来自于高透明性Cu纳米线电极和蓝宝石衬底。图中为从正、反面接收到的EL光谱。从反面测量的发光效率正面的53％。
7)光电子器件的光探测性能的测试：
基于发光二极管和光电探测器的结构相似性，本发明的器件可以显示通过光伏效应产生的光检测。当用325nm激光(0.75mw/mm2)激发时，发现探测器有瞬态响应，暗电流和光电流具有良好的稳定性和重复性。与其他结构如MSM和p-i-n光电探测器相比，我们测量到的暗电流要小得多；响应时间快～90ms且响应度可达0.133A/W，如图10，说明本发明的器件在响应度上保持优异，因此具有良好的紫外检测性能。
本领域技术人员可知，当本发明的技术参数在如下范围内变化时，可以预期得到与上述实施例相同或相近的技术效果：
所述势垒绝缘层为SiO2、AlN以及二维h-BN、MoS2、MoSe2、WS2、硅烯、锗烯或黑磷等二维材料中的一种或多种。
所述透明电极层为Ag纳米线、Cu纳米线、合金纳米线、或石墨烯等原子级厚导电透明二维材料中的一种或多种。
以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (5)

1.一种透明紫外光电子器件的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在衬底上生长单电导层，所述单电导层为n型或p型掺杂的宽禁带半导体层，
2)在单电导层上生长势垒绝缘层，或者将生长好的势垒绝缘层转移至单导电层上；
4)在所述势垒绝缘层上形成透明电极层，所述透明电极层为纳米线或原子级厚的导电透明二维材料；
5)形成与所述单电导层电连接的金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种透明紫外光电子器件的制造方法，其特征在于：所述单电导层包括但不限于n-AlGaN。
3.根据权利要求1所述的一种透明紫外光电子器件的制造方法，其特征在于：所述势垒绝缘层包括但不限于SiO2、AlN、二维h-BN、MoS2、MoSe2、WS2、硅烯、锗烯或黑磷中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种透明紫外光电子器件的制造方法，其特征在于：所述透明电极层包括但不限于Ag纳米线、Cu纳米线、合金纳米线、石墨烯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种透明紫外光电子器件的制造方法，其特征在于：所述金属电极与所述单电导层为欧姆接触。
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