CN110416414A - 一种紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

一种紫外探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种紫外探测器及其制备方法。本发明提供的紫外探测器，包括单根氮化镓微米线，所述单根氮化镓微米线的两端分别覆盖有聚苯胺层和第一电极层，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p‑n结；所述聚苯胺层的部分表面上覆盖有第二电极层。本发明采用单根氮化镓微米线与聚苯胺层形成有机无机杂糅异质结，聚苯胺具有高的导电率，单根氮化镓微米线为一维微结构，可以增加异质结的接触面积，增加空间电荷区的面积，保证光吸收主要发生在空间电荷区，有效抑制光生载流子的复合，提高紫外探测器响应度。

Description

一种紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测器技术在导弹追踪、天文探索、环境检测、安全通信、火焰探测、视频成像等军事和民用领域有着广泛的应用。作为宽禁带半导体材料的代表，氮化镓(GaN)材料因为其合适的禁带宽度(3.4eV)、未掺杂时为n型以及稳定的化学性质等被认为是一种理想的紫外探测器材料。随着对氮化镓材料研究的深入，微/纳米线、微/纳米棒等一维结构凭借其大的比表面积、更好的结晶质量得到人们的关注。但是对于单根氮化镓微米线的紫外探测主要是在光电导模式下进行工作，需要外加偏压进行载流子的分离。
自驱动的单根氮化镓微米线异质结紫外探测器，能够利用异质结中的内建电场将光生载流子在无偏压的条件下快速有效的分离。然而传统的无机p型材料，由于晶格失配和制备工艺复杂，限制了其在实际中的应用；有机p型材料具有界面相容性好、制备方法简单和带隙可调等优点，但采用传统的有机p型材料，如聚吡咯、聚噻吩，与氮化镓结合制备的紫外探测器存在p型层导电率不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫外探测器及其制备方法，本发明利用聚苯胺与单根氮化镓微米线形成异质p-n结，具备高质量的内建电场的紫外探测器具有的自驱动、高响应速度、高光暗电流比、可见光盲、高探测率等优点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种紫外探测器，包括单根氮化镓微米线，所述单根氮化镓微米线的两端分别覆盖有聚苯胺层和第一电极层，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结；所述聚苯胺层的部分表面上覆盖有第二电极层。
优选地，所述聚苯胺层的厚度为50～300nm，第一电极层和第二电极层的厚度独立地为60～200nm。
优选地，所述第一电极层的材质为铟，所述第二电极层的材质为银。
优选地，所述单根氮化镓微米线的横截面为梯形，所述单根氮化镓微米线的长度为200～500μm。
优选地，所述单根氮化镓微米线的制备方法，包括以下步骤：
在硅片衬底上制备梯形凹槽，得到图案化硅衬底；
在所述图案化硅衬底上梯形凹槽的两侧面生长氮化镓微米线阵列，剥离后得到单根氮化镓微米线。
优选地，所述硅片衬底的晶向为<100>，厚度为200～1000μm；所述硅片衬底的上表面设置有绝缘层，所述绝缘层的厚度为100～500nm。
优选地，所述梯形凹槽为多个，呈平行阵列分布；所述梯形凹槽的横截面为倒梯形，所述梯形凹槽的上开口宽度为10～15μm，深度为5～8μm，底部宽度为5～8μm，相邻梯形凹槽的相邻边界距离为5～8μm。
优选地，所述剥离采用的剥离液为氢氟酸和硝酸的混合溶液。
本发明提供了上述技术方案所述紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
在单根氮化镓微米线的一端沉积第一电极材料，形成第一电极层；在所述单根氮化镓微米线的另一端原位生长聚苯胺，形成聚苯胺层；其中，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结；
在所述聚苯胺层的部分表面上沉积第二电极材料，形成第二电极层，得到紫外探测器。
优选地，原位生长所述聚苯胺采用的原位聚合溶液为苯胺单体的硫酸溶液，所述原位聚合溶液中苯胺单体的浓度为0.004～0.016mol/L，硫酸的浓度为0.2mol/L；
所述原位生长聚苯胺时，生长温度为-5～5℃，生长时间为20～28h。
本发明提供了一种紫外探测器，包括单根氮化镓微米线，所述单根氮化镓微米线的两端分别覆盖有聚苯胺层和第一电极层，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结；所述聚苯胺层的部分表面上覆盖有第二电极层。本发明采用单根氮化镓微米线与聚苯胺层形成有机无机杂糅异质结，其中，聚苯胺(PANI)具有高的导电率，单根氮化镓(GaN)微米线为一维微结构，可以增加异质结的接触面积，增加空间电荷区的面积，保证光吸收主要发生在空间电荷区，有效抑制光生载流子的复合，提高紫外探测器响应度。实施例的实验结果显示，本发明提供的紫外探测器具有自驱动、高响应速度、高光暗电流比、可见光盲、高探测率等优点。
此外，本发明提供的紫外探测器的结构简单、易于制备，有利于规模化生产及应用。
附图说明
图1为本发明中紫外探测器的结构示意图，图中，1-单根氮化镓微米线，2-聚苯胺层，3-第一电极层，4-第二电极层；
图2为本发明中具有梯形凹槽的图案化硅衬底的结构示意图，图中，101-图案化硅片衬底，102-绝缘层，103-梯形凹槽；
图3为本发明中生长有氮化镓微米线阵列的图案化硅衬底的结构示意图，图中，101-图案化硅片衬底，102-绝缘层，201-氮化镓微米线阵列；
图4为本发明中单根氮化镓微米线的结构示意图；
图5为本发明提供的紫外探测器在无外加偏压、不同光功率条件下对325nm紫外光响应的电流-电压图；
图6为本发明提供的紫外探测器在无外加偏压、不同光功率条件下对325nm紫外光响应的电流-时间图；
图7为本发明提供的紫外探测器在无外加偏压条件下对不同波长光的响应度图。
具体实施方式
本发明提供了一种紫外探测器，包括单根氮化镓微米线，所述单根氮化镓微米线的两端分别覆盖有聚苯胺层和第一电极层，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结；所述聚苯胺层的部分表面上覆盖有第二电极层。图1为本发明中紫外探测器的结构示意图，图中，1为单根氮化镓微米线，2为聚苯胺层，3为第一电极层，4为第二电极层。
本发明提供的紫外探测器包括单根氮化镓微米线，所述单根氮化镓微米线的横截面优选为梯形；本发明对于所述梯形的尺寸没有特殊的限定，满足实际需要即可；所述单根氮化镓微米线的长度优选为200～500μm，更优选为250～450μm，进一步优选为300～400μm。
在本发明中，所述单根氮化镓微米线的制备方法，优选包括以下步骤：
在硅片衬底上制备梯形凹槽，得到图案化硅衬底；
在所述图案化硅衬底上梯形凹槽的两侧面生长氮化镓微米线阵列，剥离后得到单根氮化镓微米线。
本发明优选在硅片衬底上制备梯形凹槽，得到图案化硅衬底。在本发明中，所述硅片衬底的晶向优选为<100>，厚度优选为200～1000μm，更优选为200～500μm。本发明对所述硅片衬底的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
本发明优选在所述硅片衬底的上表面设置绝缘层，作为掩膜层，然后再制备梯形凹槽；在本发明中，所述绝缘层的厚度优选为100～500nm，更优选为200～400nm；所述绝缘层的材质优选为二氧化硅。
本发明对于在图案化硅衬底上制备梯形凹槽的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可；本发明优选利用光刻与湿法刻蚀方法在硅片衬底上制备梯形凹槽，具体包括以下步骤：
利用等离子体增强化学沉积(PECVD)法在硅片衬底的上表面形成一层二氧化硅绝缘层，作为掩膜层；在所述二氧化硅绝缘层的表面旋涂光刻胶，形成光阻层(厚度优选为2μm)，然后经过软烘、曝光和显影等光刻工艺，使光阻层形成周期交替的条形外延沟槽图形，利用缓冲刻蚀液(BOE)对所述条形外延沟槽图形进行选择性腐蚀(即对没有光阻层保护的二氧化硅绝缘层进行腐蚀)，之后进行去胶处理，此时在硅片衬底的表面呈现出条形的二氧化硅绝缘层；然后对露出的硅片衬底进行湿法刻蚀(所用刻蚀液优选为强碱溶液，更优选为氢氧化钾、异丙醇与水的混合溶液，所述氢氧化钾、异丙醇与水的用量比优选为40g：10mL：120mL)，形成梯形凹槽，得到图案化硅片衬底。
在本发明中，所述梯形凹槽优选为多个，等间距排列，呈平行阵列分布；所述梯形凹槽的横截面优选为倒梯形，所述梯形凹槽的上开口宽度优选为10～15μm，深度优选为5～8μm，底部宽度优选为5～8μm，相邻梯形凹槽的相邻边界距离优选为5～8μm。在本发明中，部分绝缘层在制备梯形凹槽的过程中被刻蚀，最终相邻梯形凹槽之间的凸起部分仍保留有绝缘层。图2为本发明中具有梯形凹槽的图案化硅衬底的结构示意图，图中，101为图案化硅片衬底，102为绝缘层，103为梯形凹槽。
得到图案化硅衬底后，本发明优选在所述图案化硅衬底上梯形凹槽的两侧面生长氮化镓微米线阵列，剥离后得到单根氮化镓微米线。在本发明中，生长氮化镓微米线阵列的方法优选包括以下步骤：
将图案化硅衬底放入金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)中，利用晶体指数表面的各项异性选择性生长原理在各梯形凹槽的内侧壁上外延生长一层未掺杂氮化铝缓冲层；然后在所述未掺杂氮化铝缓冲层上外延生长未掺杂氮化镓，得到氮化镓微米线阵列；其中，采用三甲基镓作为镓源，氨气为氮源。
本发明在梯形凹槽的两侧面生长氮化镓微米线阵列，避免了层状薄膜探测器在制备时出现的大面积连续的晶格失配、位错等缺陷，保证了氮化镓微米线良好的晶体质量；与此同时增加了氮化镓的表面积以及器件的结区面积，更有利于本探测器在无偏压下工作。
得到生长在梯形凹槽的两侧面上的氮化镓微米线阵列后，本发明优选通过剥离得到单根氮化镓微米线。在本发明中，所述剥离采用的剥离液优选为氢氟酸和硝酸的混合溶液，更优选由氢氟酸、硝酸和水配制而成；其中，所述氢氟酸的质量浓度优选为25～30％，所述硝酸的质量浓度优选为65～70％；配制所述剥离液时，氢氟酸、硝酸和水的体积比优选为(4.8～5.2)：(1.8～2.2)：1，更优选为5：2：1。本发明优选是将生长有氮化镓微米线阵列的图案化硅衬底浸泡在所述剥离液中进行剥离，得到单根氮化镓微米线。
本发明提供的紫外探测器中，所述单根氮化镓微米线的两端分别覆盖有聚苯胺层和第一电极层，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结。在本发明中，所述聚苯胺层和第一电极层的边缘可以与单根氮化镓微米线的两端边缘齐平，也可以不齐平，本发明对此不作特殊限定。本发明对于所述聚苯胺层和第一电极层之间的距离没有特殊限定，保证二者互不接触即可；本发明对聚苯胺层和第一电极层的长度(以单根氮化镓微米线的长度方向为基准)没有特殊的限定，满足实际需要即可。在本发明中，所述第一电极层的材质优选为铟。在本发明中，所述聚苯胺层的厚度优选为50～300nm，更优选为100～250nm，进一步优选为150～200nm；第一电极层的厚度优选为60～200nm，更优选为80～150nm，进一步优选为100～120nm。
本发明提供的紫外探测器中，所述聚苯胺层的部分表面上覆盖有第二电极层。在本发明中，第二电极层一端的边缘可以与聚苯胺层的边缘齐平，也可以不齐平，本发明对此不作特殊限定；本发明对聚苯胺层中被第二电极层覆盖的表面积与没有被第二电极层覆盖的表面积的大小不作特殊限定，保证聚苯胺层的表面不完全被第二电极层覆盖即可。本发明对所述第二电极层的长度(以单根氮化镓微米线的长度方向为基准)没有特殊的限定，满足实际需要即可。在本发明中，所述第二电极层的材质优选为银；所述第二电极层的厚度优选为60～200nm，更优选为80～150nm，进一步优选为100～120nm。
本发明提供了上述技术方案所述紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
在单根氮化镓微米线的一端沉积第一电极材料，形成第一电极层；在所述单根氮化镓微米线的另一端原位生长聚苯胺，形成聚苯胺层；其中，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结；
在所述聚苯胺层的部分表面上沉积第二电极材料，形成第二电极层，得到紫外探测器。
本发明在单根氮化镓微米线的一端沉积第一电极材料，形成第一电极层。本发明优选采用真空蒸镀的方法在单根氮化镓微米线的一端蒸镀形成第一电极层；本发明对于蒸镀第一电极层的具体操作参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作参数即可。
本发明在所述单根氮化镓微米线的另一端原位生长聚苯胺，形成聚苯胺层，其中，所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结。本发明优选是将单根氮化镓微米线需要设置聚苯胺层的部位浸没在原位聚合溶液中，以实现聚苯胺的原位聚合生长，有利于保证聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结。在本发明中，所述原位聚合溶液优选为苯胺单体的硫酸溶液，所述原位聚合溶液中苯胺单体的浓度优选为0.004～0.016mol/L，更优选为0.008～0.012mol/L；硫酸的浓度优选为0.2mol/L。在本发明中，所述原位生长聚苯胺时，生长温度优选为-5～5℃，更优选为0～2℃；生长时间优选为20～28h，更优选为22～24h。
在所述单根氮化镓微米线上制备聚苯胺层后，本发明在所述聚苯胺层的部分表面上沉积第二电极材料，形成第二电极层。本发明优选采用真空蒸镀的方法在聚苯胺层的部分表面上蒸镀形成第二电极层；本发明对于蒸镀第二电极层的具体操作参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作参数即可。
本发明对制备所述第一电极层的时机没有特殊的限定，能够满足上述各层的结构及位置关系即可；具体的，可以先制备第一电极层，再依次制备聚苯胺层和第二电极层；也可以先依次制备聚苯胺层和第二电极层，再制备第一电极层；还可以先制备聚苯胺层，再依次制备第一电极层和第二电极层(或者是依次制备第二电极层和第一电极层)。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
利用等离子体增强化学沉积(PECVD)法在硅片衬底的上表面形成一层二氧化硅绝缘层，作为掩膜层；在所述二氧化硅绝缘层的表面旋涂光刻胶，形成光阻层(厚度为2μm)，然后经过软烘、曝光和显影等光刻工艺，使光阻层形成周期交替的条形外延沟槽图形，利用缓冲刻蚀液(BOE)对所述条形外延沟槽图形进行选择性腐蚀(即对没有光阻层保护的二氧化硅绝缘层进行腐蚀)，之后进行去胶处理，此时在硅片衬底的表面呈现出条形的二氧化硅绝缘层；然后对露出的硅片衬底进行湿法刻蚀(所用刻蚀液为氢氧化钾、异丙醇与水的混合溶液，所述氢氧化钾、异丙醇与水的用量比为40g：10mL：120mL)，形成等间距排列、呈平行阵列分布的梯形凹槽，得到图案化硅片衬底；其中，所述硅片衬底的晶向为<100>，厚度为450μm；二氧化硅绝缘层的厚度为200nm；所述梯形凹槽的横截面为倒梯形，所述梯形凹槽的上开口宽度为10μm，深度为5μm，底部宽度为5μm，相邻梯形凹槽的相邻边界距离为10μm；
将所述图案化硅衬底放入金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)中，利用晶体指数表面的各项异性选择性生长原理在各梯形凹槽的内侧壁上外延生长一层未掺杂氮化铝缓冲层；然后在所述未掺杂氮化铝缓冲层上外延生长未掺杂氮化镓，得到氮化镓微米线阵列；其中，采用三甲基镓作为镓源，氨气为氮源；
将生长有氮化镓微米线阵列的图案化硅衬底浸泡在剥离液中进行剥离，得到长度为200μm的单根氮化镓微米线；其中，所述剥离液氢氟酸、硝酸和水按体积比为5：2：1配制而成，所述氢氟酸的质量浓度为30％，所述硝酸的质量浓度为69％；
采用真空蒸镀的方法在单根氮化镓微米线的一端蒸镀形成厚度为200nm的第一电极层(铟电极)；将单根氮化镓微米线的另一端浸没在原位聚合溶液中，进行原位聚合生长，形成厚度为100nm的绿色聚苯胺层，且所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结；其中，所述原位聚合溶液为苯胺单体的硫酸溶液，所述原位聚合溶液中苯胺单体的浓度为0.004mol/L，硫酸的浓度为0.2mol/L；所述原位聚合生长的温度为0℃，时间为24h；
得到聚苯胺层后，采用真空蒸镀的方法在聚苯胺层的部分表面上蒸镀形成厚度为200nm的第二电极层(银电极)，得到紫外探测器。
以氙灯加单色仪为光源，使用原表测量探测器对本发明提供的紫外探测器进行光电性能测试。其中，图5为本发明提供的紫外探测器在无外加偏压、不同光功率条件下对325nm紫外光响应的电流-电压图，由图5可知，本发明提供的紫外探测器在无外加偏压条件下的暗电流为0.01nA。图6为本发明提供的紫外探测器在无外加偏压、不同光功率条件下对325nm紫外光响应的电流-时间图，由图6可知，本发明提供的紫外探测器在无外加偏压条件下，在光功率为1.4mW/cm2的光照条件下能够产生14.2nA的光电流，其中，上升和下降时间分别为0.2ms与0.3ms。图7为本发明提供的紫外探测器在无外加偏压条件下对不同波长光的响应度图，由图7可知，本发明提供的紫外探测器在325nm与400nm波长光照条件下的响应度的比值为173。以上光电性能测试结果说明本发明提供的紫外探测器具有自驱动、高响应速度、高光暗电流比等优势。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种紫外探测器，其特征在于，包括单根氮化镓微米线，所述单根氮化镓微米线的两端分别覆盖有聚苯胺层和第一电极层，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结；所述聚苯胺层的部分表面上覆盖有第二电极层。
2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述聚苯胺层的厚度为50～300nm，第一电极层和第二电极层的厚度独立地为60～200nm。
3.根据权利要求1或2所述的紫外探测器，其特征在于，所述第一电极层的材质为铟，所述第二电极层的材质为银。
4.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述单根氮化镓微米线的横截面为梯形，所述单根氮化镓微米线的长度为200～500μm。
5.根据权利要求1或4所述的紫外探测器，其特征在于，所述单根氮化镓微米线的制备方法，包括以下步骤：
在硅片衬底上制备梯形凹槽，得到图案化硅衬底；
在所述图案化硅衬底上梯形凹槽的两侧面生长氮化镓微米线阵列，剥离后得到单根氮化镓微米线。
6.根据权利要求5所述的紫外探测器，其特征在于，所述硅片衬底的晶向为<100>，厚度为200～1000μm；所述硅片衬底的上表面设置有绝缘层，所述绝缘层的厚度为100～500nm。
7.根据权利要求6所述的紫外探测器，其特征在于，所述梯形凹槽为多个，呈平行阵列分布；所述梯形凹槽的横截面为倒梯形，所述梯形凹槽的上开口宽度为10～15μm，深度为5～8μm，底部宽度为5～8μm，相邻梯形凹槽的相邻边界距离为5～8μm。
8.根据权利要求5所述的紫外探测器，其特征在于，所述剥离采用的剥离液为氢氟酸和硝酸的混合溶液。
9.权利要求1～8任一项所述紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在单根氮化镓微米线的一端沉积第一电极材料，形成第一电极层；在所述单根氮化镓微米线的另一端原位生长聚苯胺，形成聚苯胺层；其中，所述聚苯胺层和第一电极层互不接触，且所述聚苯胺层与单根氮化镓微米线形成异质p-n结；
在所述聚苯胺层的部分表面上沉积第二电极材料，形成第二电极层，得到紫外探测器。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，原位生长所述聚苯胺采用的原位聚合溶液为苯胺单体的硫酸溶液，所述原位聚合溶液中苯胺单体的浓度为0.004～0.016mol/L，硫酸的浓度为0.2mol/L；
所述原位生长聚苯胺时，生长温度为-5～5℃，生长时间为20～28h。
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