CN110690317A - 一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器及其制备方法。所述自供电紫外探测器，自下至上依次包括衬底、GaN纳米柱阵列、所述GaN纳米柱阵列顶上支撑着的单层MoS2薄膜；所述单层MoS2薄膜上设有第一金属电极；所述GaN纳米柱阵列底端处设有第二金属电极。本发明提供了一种旋涂湿法转移的方法将单层MoS2薄膜转移至生长的GaN纳米柱阵列顶部形成异质结，并利用了MoS2‑GaN异质结的PV效应，制备了自供电紫外探测器，极大程度减小了器件的尺寸体积，对光电集成器件应用前景重大。
Description
技术领域
本发明属于紫外探测器领域，具体涉及一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术在火焰探测、臭氧层空洞监测、紫外通信、国防预警与跟踪等军事及民用设施领域中具有广泛应用。在电子设备高度集成化的今天，紫外探测器作为重要的光电转换器件，其结构的微型化、可集成化成了发展的必然趋势。
第三代宽带隙半导体材料GaN，禁带宽度为3.4 eV，是一种理想的紫外探测器原材料；为了进一步减小成本和体积、提高性能，从而达到光电集成化应用的程度，近年来，使用一维纳米结构GaN作为紫外探测器成为了研究热门。一维GaN纳米结构紫外探测器优势表现为：其晶体质量是优于薄膜的，因为一维纳米结构是几乎完全弛豫的，能够有效减少穿透到纳米棒顶端的位错，有助于减少缺陷，提高晶体质量；此外，一维GaN纳米结构在很大程度上増加了材料的侧壁面积，从而增加了光子逃逸/吸收角度，有效的提高了光发射/吸收，从而提高了探测器性能。然而要使得这种纳米光电集成系统，即多个纳米器件集成成为可能，这些纳米器件必须是自给自足的，也就是说，不需要外部电源供给其工作，因为外部电源会大大增加了器件系统的尺寸和重量。克服这个问题的关键是采用自供电紫外探测器。它是利用器件结构中的光伏效应（PV），即在光照下产生半导体中的电子−空穴对，并在器件本身p-n结、肖特基结或异质结形成的内建电场作用下进行有效的分离，产生光电流，在这种情况下，该装置被分类为PV（或自供电）光电探测器。目前，基于p-n结、肖特基结的GaN自供电紫外探测器已经有很多研究报道，然而此类自供电紫外探测器的自供电光电响应性能都有待提高。因此，为了获得高性能的基于异质结的自供电紫外探测器[Bie, Y. , Liao, Z. ,Zhang, H. , Li, G. , Ye, Y. , Zhou, Y. , Xu, J. , Qin, Z. , Dai, L. and Yu,D., Self‐Powered, Ultrafast, Visible‐Blind UV Detection and Optical LogicalOperation based on ZnO/GaN Nanoscale p‐n Junctions. Advanced Materials, 23(2011) 649-653. doi:10.1002/adma.201003156]，构造晶格和能带相匹配的两种不同材料的的异质结是非常重要的。
类石墨烯的二维层状材料作为一个新兴纳米材料体系，在各种工作在不同光谱区域的光电探测器中得到广泛应用，二硫化钼（MoS2）是目前研究最热门的二维层状材料，单层MoS2薄膜是一种新型二维半导体材料，其二维结构的量子限域特性以及强束缚激子，使得其光吸收性能十分优异，文献报道在可见光波段的吸收系数高达5×107 m-1；此外，单层MoS2薄膜具有极高的电子迁移率和超快速的光电响应，这些使其非常适宜制备光电探测器。但目前将其和一维GaN纳米结构结合的紫外探测器研究报道并无，因此有着巨大的发展前景。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器及其制备方法。该制备方法工艺简单，能耗低，省时高效。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器，自下至上依次包括衬底、GaN纳米柱阵列、单层MoS2薄膜；所述单层MoS2薄膜自支撑在所述GaN纳米柱阵列顶部上；所述单层MoS2薄膜上设有第一金属电极；所述GaN纳米柱阵列的底端处设有第二金属电极。
进一步地，所述衬底的厚度为400~450 μm，所述衬底选自蓝宝石、Si或ScAlMgO4。
进一步地，所述GaN纳米柱阵列中GaN纳米柱的长度为350~450 nm，直径为50~75nm；所述GaN纳米柱阵列中的GaN纳米柱与衬底之间的GaN合并膜的厚度为4~8 nm；所述GaN纳米柱阵列上GaN纳米柱的密度为5.0×109 ~10.0×109 /cm2。
进一步地，所述单层MoS2薄膜的厚度为1-2 nm。
进一步地，所述第一金属电极和第二金属电极均为从下往上依次层叠的Ni金属层和Au金属层；所述Ni金属层和Au金属层的厚度分别为30~40 nm和80~100 nm。
进一步地，所述第一金属电极和第二金属电极的长度均为200~220 μm，宽度均为60~80 μm；所述第一金属电极和第二金属电极的间距为140~160 μm。
以上所述的一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
（1）将衬底进行清洗处理，除去表面残留物后置于射频辅助分子束外延设备（PA-MBE）中，在衬底表面生长出GaN纳米柱阵列，形成GaN纳米柱阵列/衬底结构；
（2）在步骤（1）所得GaN纳米柱阵列/衬底结构上利用旋涂湿法转移工艺将单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部，并进行转移后的清洗、烘干，形成单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构；
（3）对步骤（2）所得单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构进行光刻图形化处理，接着进行反应等离子刻蚀去除第二金属电极所在位置的纳米柱，去胶，得到图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构，目的是为了沉积和GaN纳米柱底端接触的第二金属电极；
（4）对步骤（3）所得图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构进行光刻处理，接着利用电子束蒸发镀膜系统在单层MoS2薄膜上以及GaN纳米柱阵列的底端蒸镀形成第一金属层和第二金属层，去胶，得到所述基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器。
进一步地，步骤（1）中在衬底表面生长出GaN纳米柱阵列的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为1×10-9~2×10-9 Torr，并加热至880~900 ℃进行退火处理20~30 min，以去除表面残留物；接着将衬底温度升至970~990 ℃，衬底基片的转速为8~10 rpm，用离子束等效压力（BEP）对Ga的束流进行了精确的测定；然后通入N2等离子体对衬底进行氮化处理，时间为4~5 min，N2流量设为2.5~3.0 sccm，射频等离子体功率为390~400 W；接着开启Ga源束流，Ga-BEP设定为7.0~8.0×10-8 Torr，N2流量设为2.0~2.2sccm，射频等离子体功率为360~380 W，总生长时间为3.0~3.2 h。
进一步地，步骤（2）中，单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部的旋涂湿法转移工艺为：对一般CVD工艺生长在二氧化硅/硅衬底表面的单层MoS2薄膜用PMMA溶液旋涂覆25~30 s，转速为3500~4000 rpm，烘干，形成PMMA/单层MoS2薄膜/二氧化硅/硅衬底结构；接着将所述PMMA/单层MoS2薄膜/二氧化硅/硅衬底结构溶于B.O.E 缓冲蚀刻液（49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1：6~7（体积比））中10~12 min刻蚀二氧化硅，使得PMMA/单层MoS2薄膜层剥离下；然后将PMMA/单层MoS2薄膜层在去离子水中清洗3~5次；最后将步骤（1）中得到的GaN纳米柱阵列/衬底结构在去离子水中捞起PMMA/单层MoS2薄膜层，再干燥。
进一步地，步骤（2）中，所述清洗是置于丙酮中清洗2~4次；所述烘干的温度为45~60℃，时间为0.8~1.2 h。
进一步地，步骤（3）和（4）中，所述光刻工艺为：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶40~50 s，经前烘（烘箱中进行75~85 ℃加热处理1~1.5 min）、紫外光源曝光5.5~6.0 s、显影（显影液中溶解45~50 s），以及采用O2等离子体进行反应离子刻蚀处理1.5~2.0 min，清洗，最后热氮气烘干3~5 min。
进一步地，步骤（3）和（4）中，所述去胶是在丙酮中浸泡20~22 min后超声处理30~40 s，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的图案。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明提供了一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器，制备方法具有工艺简单、省时高效以及能耗低的特点。
（2）本发明的一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器利用了MoS2/GaN异质结的光伏效应，制备了自供电紫外探测器，极大程度减小了器件的尺寸体积，对光电集成器件应用前景重大。
（3）本发明的一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器中利用了GaN一维纳米柱材料巨大的比表面积和量子限域性；此外，利用了单层MoS2薄膜的二维量子限域性、极高的电子迁移率和超快速的光电响应，增强了光吸收，提高了光生载流子的密度和传输时间，获得了高灵敏和超快速光响应的紫外探测器。
（4）本发明的一种于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器可实现对紫外光的高灵敏探测，可应用于紫外导弹制导、明火探测和太阳照度检测等领域，经济效益可观。
附图说明
图1为本发明的基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器的结构剖面示意图。
图2a、图2b为实施例1中GaN纳米柱阵列的SEM电镜照片图。
图3为实施例1的自供电探测器在325 nm紫外光照射下的电流I随外加偏压V变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
具体实施例中，本发明的基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器的结构剖面示意图如图1所示；由图1可知，由下至上，依次包括衬底1、GaN纳米柱阵列2、单层MoS2薄膜3、第一金属电极4、第二金属电极5。
其中，所述衬底为蓝宝石、Si或ScAlMgO4，厚度为400~450 μm；所述GaN纳米柱阵列长度为350~450 nm，直径为50~75 nm；所述GaN纳米柱阵列中的GaN纳米柱与衬底之间的GaN合并膜的厚度为4~8 nm；所述GaN纳米柱阵列上GaN纳米柱的密度为5.0×109 ~10.0×109 /cm2；所述单层MoS2薄膜是自支撑在GaN纳米柱阵列顶部上，厚度为1-2 nm。所述第一金属电极和第二金属电极均为从下往上依次层叠的Ni金属层和Au金属层，厚度分别为30~40 nm和80~100 nm，所述第一金属电极和第二金属电极的长度均为200~220 μm，宽度均为60~80 μm，二者间距为140~160 μm。
实施例1
本实施例的基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器。
衬底为Si，厚度为430 μm； GaN纳米柱阵列长度为350 nm，直径为75 nm，GaN纳米柱阵列中的GaN纳米柱与衬底之间的GaN合并膜的厚度为8 nm，GaN纳米柱阵列上GaN纳米柱的密度为10.0×109 /cm2；单层MoS2薄膜是自支撑在GaN纳米柱阵列顶部上，厚度为1 nm。第一金属电极和第二金属电极均为从下往上依次层叠的Ni金属层和Au金属层，厚度分别为30nm和80 nm，第一金属电极和第二金属电极的长度均为220 μm，宽度均为60 μm，二者间距为160 μm。
其制备方法，包括如下步骤：
（1）将衬底进行清洗处理，除去表面残留物后置于PA-MBE设备中，在衬底表面生长出GaN纳米柱阵列，形成GaN纳米柱阵列/衬底结构。
（2）在上述GaN纳米柱阵列/衬底结构上利用旋涂湿法转移工艺将单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部，并进行转移后的清洗，烘干，形成单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构。
（3）对上述结构进行光刻图形化处理，接着进行反应等离子刻蚀去除一侧多余的纳米柱，去胶，得到图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构，目的是为了沉积和GaN纳米柱底端接触的第二金属电极。
（4）对图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构进行光刻处理，接着利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上蒸镀形成第一金属层和第二金属层，去胶，得到所述基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器。
步骤（1）中，所述PA-MBE生长GaN纳米柱阵列的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为1×10-9 Torr，并加热至880 ℃进行退火处理30 min，以去除表面残留物；接着衬底温度升至990 ℃，衬底基片的转速为10 rpm，用离子束等效压力（BEP）对Ga的束流进行了精确的测定。开始进行生长：先通入N2等离子体对衬底进行氮化处理，时间为5 min，N2流量设为3.0 sccm，射频等离子体功率为390 W；接着开启Ga源束流，Ga-BEP设定为7.5×10-8 Torr，N2流量设为2.0 sccm，射频等离子体功率为380 W。总生长时间为3.2 h。
步骤（2）中，单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部的旋涂湿法转移工艺为：对一般CVD工艺生长在二氧化硅/硅衬底表面的单层MoS2薄膜进行用PMMA溶液旋涂覆25 s，转速为4000 rpm，并烘干；形成PMMA/单层MoS2薄膜/二氧化硅/硅衬底结构，接着将上述结构溶于B.O.E 缓冲蚀刻液（49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1：7（体积比））中12 min刻蚀二氧化硅，使得PMMA/单层MoS2薄膜层剥离下，然后将PMMA/单层MoS2薄膜层用去离子水清洗5次，以去除任何残留的蚀刻液；最后将步骤（1）中得到的GaN纳米柱阵列/衬底结构在去离子水中捞起PMMA/单层MoS2薄膜层，置于真空干燥箱中干燥。
步骤（2）中，转移后的清洗、烘干工艺为：将转移后的PMMA/单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构置于丙酮中清洗3次，以去除任何残留的PMMA，最后烘干的温度为45 ℃，时间为1.2 h。
步骤（3）和（4）中，所述光刻工艺为：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶45 s，经前烘（烘箱中进行75 ℃加热处理1.5 min）、紫外光源曝光5.5 s、显影（显影液中溶解47 s），以及采用O2等离子体进行反应离子刻蚀处理1.5 min，清洗，最后热氮气烘干5 min。
步骤（3）和（4）中，所述去胶是在丙酮中浸泡22 min后超声处理30 s，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的图案。
所生长的Si衬底上GaN纳米柱阵列的SEM电镜照片如图2a、图2b所示，从图中可以明显看到GaN纳米柱阵列长度为350 nm，直径为75 nm，纳米柱底部合并膜的厚度为8 nm，密度为10.0×109 /cm2。
所制备的基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器在325 nm光照射的电流I随外加偏压V变化的曲线图如图3所示。在325 nm光照射下，0 V偏下的光电流为0.20 μA，表明其自供电性能和光电响应性能优异。
实施例2
本实施例的基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器。
衬底为ScAlMgO4，厚度为400 μm； GaN纳米柱阵列长度为450 nm，直径为50 nm，GaN纳米柱阵列中的GaN纳米柱与衬底之间的GaN合并膜的厚度为4 nm，GaN纳米柱阵列上GaN纳米柱的密度为5.0×109 /cm2；单层MoS2薄膜是自支撑在GaN纳米柱阵列顶部上，厚度为1.5 nm。第一金属电极和第二金属电极均为从下往上依次层叠的Ni金属层和Au金属层，厚度分别为35 nm和90 nm，第一金属电极和第二金属电极的长度均为200 μm，宽度均为80μm，二者间距为140 μm。
其制备方法，包括如下步骤：
（1）将衬底进行清洗处理，除去表面残留物后置于PA-MBE设备中，在衬底表面生长出GaN纳米柱阵列，形成GaN纳米柱阵列/衬底结构。
（2）在上述GaN纳米柱阵列/衬底结构上利用旋涂湿法转移工艺将单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部，并进行转移后的清洗，烘干，形成单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构。
（3）对上述结构进行光刻图形化处理，接着进行反应等离子刻蚀去除一侧多余的纳米柱，去胶，得到图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构，目的是为了沉积和GaN纳米柱底端接触的第二金属电极。
（4）对图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构进行光刻处理，接着利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上蒸镀形成第一金属层和第二金属层，去胶，得到所述基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器。
步骤（1）中，所述PA-MBE生长GaN纳米柱阵列的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为1.5×10-9 Torr，并加热至900 ℃进行退火处理22 min，以去除表面残留物；接着衬底温度升至970 ℃，衬底基片的转速为9 rpm，用离子束等效压力（BEP）对Ga的束流进行了精确的测定。开始进行生长：先通入N2等离子体对衬底进行氮化处理，时间为4 min，N2流量设为2.8 sccm，射频等离子体功率为395 W；接着开启Ga源束流，Ga-BEP设定为7.0×10-8 Torr，N2流量设为2.2 sccm，射频等离子体功率为370 W。总生长时间为3.0 h。
步骤（2）中，单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部的旋涂湿法转移工艺为：对一般CVD工艺生长在二氧化硅/硅衬底表面的单层MoS2薄膜进行用PMMA溶液旋涂覆30 s，转速为3500 rpm，并烘干；形成PMMA/单层MoS2薄膜/二氧化硅/硅衬底结构，接着将上述结构溶于B.O.E 缓冲蚀刻液（49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1：6（体积比））中10 min刻蚀二氧化硅，使得PMMA/单层MoS2薄膜层剥离下，然后将PMMA/单层MoS2薄膜层用去离子水中清洗4次，以去除任何残留的蚀刻液；最后将步骤（1）中得到的GaN纳米柱阵列/衬底结构在去离子水中捞起PMMA/单层MoS2薄膜层，置于真空干燥箱中干燥。
步骤（2）中，转移后的清洗、烘干工艺为：将转移后的PMMA/单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构置于丙酮中清洗2次，以去除任何残留的PMMA，最后烘干的温度为60 ℃，时间为0.8 h。
步骤（3）和（4）中，所述光刻工艺为：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶40 s，经前烘（烘箱中进行85 ℃加热处理1 min）、紫外光源曝光5.8 s、显影（显影液中溶解45 s），以及采用O2等离子体进行反应离子刻蚀处理2.0 min，清洗，最后热氮气烘干4 min。
步骤（3）和（4）中，所述去胶是在丙酮中浸泡20 min后超声处理36 s，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的图案。
本实施例所述生长在蓝宝石衬底上的GaN纳米柱阵列的SEM电镜照片参照图2a、图2b。
实施例3
本实施例的基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器。
衬底为ScAlMgO4，厚度为450 μm； GaN纳米柱阵列长度为400 nm，直径为65 nm，GaN纳米柱阵列中的GaN纳米柱与衬底之间的GaN合并膜的厚度为6 nm，GaN纳米柱阵列上GaN纳米柱的密度为8.0×109 /cm2；单层MoS2薄膜是自支撑在GaN纳米柱阵列顶部上，厚度为2 nm。第一金属电极和第二金属电极均为从下往上依次层叠的Ni金属层和Au金属层，厚度分别为40 nm和100 nm，第一金属电极和第二金属电极的长度均为210 μm，宽度均为70 μm，二者间距为150 μm。
其制备方法，包括如下步骤：
（1）将衬底进行清洗处理，除去表面残留物后置于PA-MBE设备中，在衬底表面生长出GaN纳米柱阵列，形成GaN纳米柱阵列/衬底结构。
（2）在上述GaN纳米柱阵列/衬底结构上利用旋涂湿法转移工艺将单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部，并进行转移后的清洗，烘干，形成单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构。
（3）对上述结构进行光刻图形化处理，接着进行反应等离子刻蚀去除一侧多余的纳米柱，去胶，得到图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构，目的是为了沉积和GaN纳米柱底端接触的第二金属电极。
（4）对图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构进行光刻处理，接着利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上蒸镀形成第一金属层和第二金属层，去胶，得到所述基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器。
步骤（1）中，所述PA-MBE生长GaN纳米柱阵列的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为2×10-9 Torr，并加热至890 ℃进行退火处理20 min，以去除表面残留物；接着衬底温度升至980 ℃，衬底基片的转速为8 rpm，用离子束等效压力（BEP）对Ga的束流进行了精确的测定。开始进行生长：先通入N2等离子体对衬底进行氮化处理，时间为4.5 min，N2流量设为2.5 sccm，射频等离子体功率为400 W；接着开启Ga源束流，Ga-BEP设定为8.0×10-8 Torr，N2流量设为2.1 sccm，射频等离子体功率为360 W。总生长时间为3.1 h。
步骤（2）中，单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部的旋涂湿法转移工艺为：对一般CVD工艺生长在二氧化硅/硅衬底表面的单层MoS2薄膜进行用PMMA溶液旋涂覆28 s，转速为3800 rpm，并烘干；形成PMMA/单层MoS2薄膜/二氧化硅/硅衬底结构，接着将上述结构溶于B.O.E 缓冲蚀刻液（49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1：6.5（体积比））中11 min刻蚀二氧化硅，使得PMMA/单层MoS2薄膜层剥离下，然后将PMMA/单层MoS2薄膜层用去离子水中清洗3次，以去除任何残留的蚀刻液；最后将步骤（1）中得到的GaN纳米柱阵列/衬底结构在去离子水中捞起PMMA/单层MoS2薄膜层，置于真空干燥箱中干燥。
步骤（2）中，转移后的清洗、烘干工艺为：将转移后的PMMA/单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构置于丙酮中清洗4次，以去除任何残留的PMMA，最后烘干的温度为50℃，时间为1.0 h。
步骤（3）和（4）中，所述光刻工艺为：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶50 s，经前烘（烘箱中进行80 ℃加热处理1.2 min）、紫外光源曝光6.0 s、显影（显影液中溶解50 s），以及采用O2等离子体进行反应离子刻蚀处理1.8 min，清洗，最后热氮气烘干3 min。
步骤（3）和（4）中，所述去胶是在丙酮中浸泡21 min后超声处理40 s，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的图案。
本实施例所述生长在ScAlMgO4衬底上的GaN纳米柱阵列的SEM电镜照片参照图2a、图2b。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器，其特征在于，自下至上依次包括衬底（1）、GaN纳米柱阵列（2）、单层MoS2薄膜（3）；所述单层MoS2薄膜（3）自支撑在所述GaN纳米柱阵列（2）顶部上；所述单层MoS2薄膜上设有第一金属电极（4）；所述GaN纳米柱阵列的底端处设有第二金属电极（5）。
2.根据权利要求1所述的一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器，其特征在于，所述衬底（1）的厚度为400~450 μm；所述衬底选自蓝宝石、Si或ScAlMgO4。
3.根据权利要求1所述的一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器，其特征在于，所述GaN纳米柱阵列（2）中GaN纳米柱的长度为350~450 nm，直径为50~75 nm；所述GaN纳米柱阵列中的GaN纳米柱与衬底之间的GaN合并膜的厚度为4~8 nm；所述GaN纳米柱阵列上GaN纳米柱的密度为5.0×109 ~10.0×109 /cm2。
4.根据权利要求1所述的一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器，其特征在于，所述单层MoS2薄膜（3）的厚度为1-2 nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器，其特征在于，所述第一金属电极（4）和第二金属电极（5）均为从下往上依次层叠的Ni金属层和Au金属层；所述Ni金属层和Au金属层的厚度分别为30~40 nm和80~100 nm；所述第一金属电极（4）和第二金属电极（5）的长度均为200~220 μm，宽度均为60~80 μm；所述第一金属电极（4）和第二金属电极（5）的间距为140~160 μm。
6.制备权利要求1~5任一项所述的一种基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将衬底进行清洗处理，除去表面残留物后置于射频辅助分子束外延设备中，在衬底表面生长出GaN纳米柱阵列，形成GaN纳米柱阵列/衬底结构；
（2）在步骤（1）所得GaN纳米柱阵列/衬底结构上利用旋涂湿法转移工艺将单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部，并进行转移后的清洗、烘干，形成单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构；
（3）对步骤（2）所得单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构进行光刻图形化处理，接着进行反应等离子刻蚀去除第二金属电极所在位置的纳米柱，去胶，得到图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构，目的是为了沉积和GaN纳米柱底端接触的第二金属电极；
（4）对步骤（3）所得图形化单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列/衬底结构进行光刻处理，接着利用电子束蒸发镀膜系统在单层MoS2薄膜上以及GaN纳米柱阵列的底端蒸镀形成第一金属层和第二金属层，去胶，得到所述基于单层MoS2薄膜/GaN纳米柱阵列的自供电紫外探测器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中在衬底表面生长出GaN纳米柱阵列的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为1×10-9~2×10-9 Torr，并加热至880~900 ℃进行退火处理20~30 min，以去除表面残留物；接着将衬底温度升至970~990 ℃，衬底基片的转速为8~10 rpm；然后通入N2等离子体对衬底进行氮化处理，时间为4~5 min，N2流量设为2.5~3.0 sccm，射频等离子体功率为390~400 W；接着开启Ga源束流，Ga-BEP设定为7.0×10-8~8.0×10-8 Torr，N2流量设为2.0~2.2 sccm，射频等离子体功率为360~380 W，总生长时间为3.0~3.2 h。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，单层MoS2薄膜转移至GaN纳米柱阵列顶部的旋涂湿法转移工艺为：对一般CVD工艺生长在二氧化硅/硅衬底表面的单层MoS2薄膜用PMMA溶液旋涂覆25~30 s，转速为3500~4000 rpm，烘干，形成PMMA/单层MoS2薄膜/二氧化硅/硅衬底结构；接着将所述PMMA/单层MoS2薄膜/二氧化硅/硅衬底结构溶于B.O.E 缓冲蚀刻液中10~12 min刻蚀二氧化硅，使得PMMA/单层MoS2薄膜层剥离下；然后将PMMA/单层MoS2薄膜层在去离子水中清洗3~5次；最后将步骤（1）中得到的GaN纳米柱阵列/衬底结构在去离子水中捞起PMMA/单层MoS2薄膜层，再干燥。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述清洗是置于丙酮中清洗2~4次；所述烘干的温度为45~60℃，时间为0.8~1.2 h。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）和步骤（4）中，所述光刻是先利用匀胶机旋涂负性光刻胶40~50 s，然后在烘箱中75~85℃加热1~1.5 min前烘、再在紫外光源曝光5.5~6.0 s、在显影液中溶解45~50 s显影，以及采用O2等离子体进行反应离子刻蚀处理1.5~2.0min，清洗，最后热氮气烘干3~5min；所述去胶是在丙酮中浸泡20~22min后超声处理30~40s。
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