CN111370509B - 一种具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器及其制备方法，属于半导体技术领域，本发明的紫外探测器从下至上依次包括衬底、AlN层、AlxGa1‑xN层、石墨烯层、AlyGa1‑yN层、两个接触电极；AlN层为Al极性面，用于提供压应力，有利于位错抑制，提高外延层质量；石墨烯层用于提高载流子漂移速率，提高紫外探测器的响应水平和响应速度；优选的,AlxGa1‑xN层的厚度为500‑1000nm，AlyGa1‑yN层的厚度为10‑50nm，其中，0<y<x<1；两个接触电极为欧姆或肖特基接触电极。本发明的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器及其制备方法，通过在AlGaN异质结构区域插入高迁移率石墨烯材料，从而显著提高载流子漂移速率，提高了紫外探测器的响应水平和响应速度，制备过程简单、应用前景广。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测是继红外和激光探测技术之后发展起来的一种军民两用光电探测技术，其可探测到飞机、火箭和导弹等飞行目标的尾焰中释放的大量紫外辐射，因此被广泛应用于空间防务和报警系统、火灾监控、汽车发动机监测、石油工业和环境污染监测。AlGaN作为最具代表性的第三代宽禁带半导体材料，凭借其禁带宽度大、电子迁移率高、电子饱和速度高和击穿场强大等优点，在紫外探测领域应用前景十分广阔。AlGaN材料可形成丰富的异质结构，并且异质结之间存在自发极化和压电极化作用，因此在界面处会形成高浓度二维电子气，其具有高迁移率和高饱和漂移速度。基于这种异质结制备的AlGaN基紫外探测器有着优异的性能，被业界广泛关注。
随着紫外探测应用的深入，对紫外探测器响应速度的要求也越来越高。虽然近年来应用AlGaN异质外延工艺形成的二维电子气显著改善了低场迁移特性，达到了较高的迁移率，但如何实现具有更快响应速度的AlGaN基紫外探测器件仍然是目前研究难点。石墨烯作为二维碳纳米材料，其室温下的载流子迁移率约为200000cm2/V·s，同时石墨烯的电导率可高达106S/m。因此，石墨烯优秀的导电性能、透明、可柔性使得其在光电器件领域具有较广阔的应用前景。这些性能远远超过人类之前用来制造电子器件的绝大部分导电材料。
因此，研究石墨烯如何在AlGaN紫外光电子器件中实现应用，对AlGaN基紫外探测器工作速度的提高具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器及其制备方法，通过在AlGaN异质结构区域插入高迁移率石墨烯材料，从而显著提高载流子漂移速率，提高了紫外探测器的响应水平和响应速度，实现了更快响应速度的AlGaN基紫外探测器。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器，从下至上依次包括衬底、AlN层、AlxGa1-xN层、石墨烯层、AlyGa1-yN层、两个接触电极；
所述AlN层为Al极性面，用于提供压应力，有利于位错抑制，提高外延层质量；
所述石墨烯层用于提高载流子漂移速率，提高紫外探测器的响应水平和响应速度；
优选地，所述AlxGa1-xN层的厚度为500-1000nm，所述AlyGa1-yN层的厚度为10-50nm，其中，0<y<x<1；
所述两个接触电极为欧姆或肖特基接触电极。
进一步地，所述衬底的材质为蓝宝石、SiC、Si、AlN中的任意一种。
进一步地，所述AlxGa1-xN层的厚度为800nm，所述AlyGa1-yN层的厚度15nm。
进一步地，所述两个接触电极的材质为Ti、Al、Ni、Au中的任意一种。
本发明还提供了一种如上所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在所述衬底上生长所述AlN层；
S2：在所述AlN层上生长所述AlxGa1-xN层；
S3：在所述AlxGa1-xN层上制备所述石墨烯层；
S4：在所述石墨烯层上生长所述AlyGa1-yN层；
S5：在所述AlyGa1-yN层上制备所述两个接触电极。
进一步地，所述步骤S1中生长所述AlN层的方法为MOCVD法或HVPE法。
进一步地，所述步骤S2中生长所述AlxGa1-xN层的方法为MOCVD法或MBE法；
所述步骤S4中生长所述AlyGa1-yN层的方法为MOCVD法或MBE法。
进一步地，所述步骤S3中所述石墨烯层的制备方法为石墨烯转移法或在所述AlxGa1-xN层的表面直接CVD法生长。
进一步地，所述步骤S3中所述石墨烯层的制备方法为石墨烯的干法转移，具体为：
采用CVD技术在Cu基上生长得到石墨烯，用PMMA光刻胶对所述石墨烯进行保护，将带有所述石墨烯的Cu基底浸泡于FeCl3溶液中进行腐蚀去Gu，之后将腐蚀干净后所述石墨烯转移至所述AlxGa1-xN层的表面，并用丙酮对PMMA光刻胶进行清洗去除。
进一步地，所述步骤S5中所述两个接触电极的制备过程为：
利用光刻技术在所述AlyGa1-yN层上形成电极制备区，再利用真空热蒸发或磁控溅射技术沉积接触电极材料，并快速退火处理完成制备。
本发明的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器及其制备方法，有益效果在于：
1)本发明的AlGaN基紫外探测器在AlGaN异质结构区域插入高迁移率的石墨烯层，利用石墨烯材料具有超高的电子迁移率，不仅可以实现光生载流子的快速传导，显著提高紫外探测器的光响应速度和光响应水平，而且石墨烯的存在降低了紫外探测器内部应力，减小器件内应变程度，提升了紫外探测器的性能和使用寿命。
2)本发明的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，工艺过程简单、易操作，可实现工业化生产，应用前景广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的结构示意图；
附图说明：1-衬底；2-AlN层；3-AlxGa1-xN层；4-石墨烯层；5-AlyGa1-yN层；6-接触电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
本发明提供了一种具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器，如图1所示，从下至上依次包括衬底1、AlN层2、AlxGa1-xN层3、石墨烯层4、AlyGa1-yN层5、两个接触电极6；
所述AlN层2的厚度大于1μm，为Al极性面，用于提供压应力，有利于位错抑制，提高外延层质量；
所述石墨烯层4用于提高载流子漂移速率，提高紫外探测器的响应水平和响应速度；
优选地，所述AlxGa1-xN层3的厚度为500-1000nm，所述AlyGa1-yN层5的厚度为10-50nm，其中，0<y<x<1；
所述两个接触电极6为欧姆或肖特基接触电极。
其中，所述衬底1的材质为常规用于氮化物生长的衬底材料，例如：蓝宝石、SiC、Si、AlN等，最优选为蓝宝石衬底。
所述AlxGa1-xN层3的厚度优选为800nm，所述AlyGa1-yN层5的厚度优选为15nm。
所述两个接触电极6的材质为常规用于欧姆或肖特基接触电极的材料，例如：Ti、Al、Ni、Au等。
本发明还提供了一种如上所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在所述衬底1上生长所述AlN层2；
S2：在所述AlN层2上生长所述AlxGa1-xN层3；
S3：在所述AlxGa1-xN层3上制备所述石墨烯层4；
S4：在所述石墨烯层4上生长所述AlyGa1-yN层5；
S5：在所述AlyGa1-yN层5上制备所述两个接触电极6。
其中，所述步骤S1中生长所述AlN层2的方法为MOCVD法或HVPE法，在所述衬底1上生长AlN厚膜，从而获得高质量AlN/衬底模板，所述AlN层2最终应为Al极性面，其中所述衬底1和所述AlN层2对AlGaN材料提供压应力，有利于位错抑制，可以提高外延层质量。
所述步骤S2中生长所述AlxGa1-xN层3的方法为MOCVD法或MBE法；所述步骤S4中生长所述AlyGa1-yN层5的方法为MOCVD法或MBE法，优选的，控制所述AlxGa1-xN层3的厚度为500-1000nm，所述AlyGa1-yN层5的厚度为10-50nm，其中，0<y<x<1。
所述步骤S3中所述石墨烯层4的制备方法为石墨烯转移法或在所述AlxGa1-xN层3的表面直接CVD法生长。当所述步骤S3中所述石墨烯层4的制备方法为石墨烯的干法转移，具体为：
采用CVD技术在Cu基上生长得到石墨烯，用PMMA光刻胶对所述石墨烯进行保护，将带有所述石墨烯的Cu基底浸泡于FeCl3溶液中进行腐蚀去Gu，之后将腐蚀干净后所述石墨烯转移至所述AlxGa1-xN层3的表面，并用丙酮对PMMA光刻胶进行清洗去除。
其中，所述步骤S5中所述两个接触电极6的制备过程为：
利用光刻技术在所述AlyGa1-yN层5上形成电极制备区，再利用真空热蒸发或磁控溅射技术沉积接触电极材料，并快速退火处理完成制备。
并且，在步骤S4之后步骤S5之前，还包括刻蚀紫外探测器的光敏面的步骤，优选地，台面刻蚀利用ICP刻蚀技术，刻蚀气体为Cl2与BCl3，刻蚀深度由刻蚀时间决定。
本发明的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器及其制备方法，有益效果在于：
1)本发明的AlGaN基紫外探测器在AlGaN异质结构区域插入高迁移率的石墨烯层，利用石墨烯材料具有超高的电子迁移率，不仅可以实现光生载流子的快速传导，显著提高紫外探测器的光响应速度和光响应水平，而且石墨烯的存在降低了紫外探测器内部应力，减小器件内应变程度，提升了紫外探测器的性能和使用寿命。
2)本发明的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，工艺过程简单、易操作，可实现工业化生产，应用前景广阔。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，从下至上依次包括衬底、AlN层、AlxGa1-xN层、石墨烯层、AlyGa1-yN层、两个接触电极；
所述AlN层为Al极性面，用于提供压应力，有利于位错抑制，提高外延层质量；
所述石墨烯层用于提高载流子漂移速率，提高紫外探测器的响应水平和响应速度；
所述AlxGa1-xN层的厚度为500-1000nm，所述AlyGa1-yN层的厚度为10-50nm，其中，0<y<x<1；
所述两个接触电极为欧姆或肖特基接触电极。
2.根据权利要求1所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，所述衬底的材质为蓝宝石、SiC、Si、AlN中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，所述AlxGa1-xN层的厚度为800nm，所述AlyGa1-yN层的厚度15nm。
4.根据权利要求1所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器，其特征在于，所述两个接触电极的材质为Ti、Al、Ni、Au中的任意一种。
5.一种如权利要求1所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在所述衬底上生长所述AlN层；
S2：在所述AlN层上生长所述AlxGa1-xN层；
S3：在所述AlxGa1-xN层上制备所述石墨烯层；
S4：在所述石墨烯层上生长所述AlyGa1-yN层；
S5：在所述AlyGa1-yN层上制备所述两个接触电极。
6.根据权利要求5所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中生长所述AlN层的方法为MOCVD法或HVPE法。
7.根据权利要求5所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中生长所述AlxGa1-xN层的方法为MOCVD法或MBE法；
所述步骤S4中生长所述AlyGa1-yN层的方法为MOCVD法或MBE法。
8.根据权利要求5所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中所述石墨烯层的制备方法为石墨烯转移法或在AlxGa1-xN层的表面直接CVD法生长。
9.根据权利要求8所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中所述石墨烯层的制备方法为石墨烯的干法转移，具体为：
采用CVD技术在Cu基上生长得到石墨烯，用PMMA光刻胶对所述石墨烯进行保护，将带有所述石墨烯的Cu基底浸泡于FeCl3溶液中进行腐蚀去Cu，之后将腐蚀干净后所述石墨烯转移至所述AlxGa1-xN层的表面，并用丙酮对PMMA光刻胶进行清洗去除。
10.根据权利要求5所述的具有石墨烯插入层的AlGaN基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中所述两个接触电极的制备过程为：
利用光刻技术在所述AlyGa1-yN层上形成电极制备区，再利用真空热蒸发或磁控溅射技术沉积接触电极材料，并快速退火处理完成制备。
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