CN111725338A - 一种微米线阵列异质结紫外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微米线阵列异质结紫外光探测器及其制备方法，涉及光电探测器技术领域，该探测器包括主要由设定方向层叠设置的氮化镓微米线阵列和氧化镍层形成的异质p‑n结，氮化镓微米线阵列和氧化镍层上分别连接有第一电极层和第二电极层；其制备方法包括采用金属有机气相沉积工艺在图案化硅片衬底上生长氮化镓微米线阵列后，以金属材料在氮化镓微米线阵列上形成第一电极层，随后在氮化镓微米线阵列上覆设氧化镍层，最后在氧化镍层上设置第二电极层。本发明提供的微米线阵列异质结紫外光探测器具有紫外/可见光选择比高、暗电流低、响应速度快且结构简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种微米线阵列异质结紫外光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，稳定的化学性质等被认为是一种理想的紫外探测器材料。并且，随着材料科学不断向低维结构延伸，其一维纳米结构，如GaN微/纳米线，微/纳米棒等展现出比体材料更好的晶体质量，更大的体表面积，更高的吸光效率，因此，许多GaN基微纳探测器应运而生。
这些GaN基微纳探测器根据其工作原理的不同，又可分为光电导型，肖特基型和同质/异质结型。光电导型虽有增益但响应速度慢和暗电流大。肖特基型虽然响应速度快，但是容易受势垒影响。所以为了同时实现更低的暗电流和更快的响应速度，同质/异质结型成为优选，其中以异质结型更容易制备。作为异质结组分之一，无机p型半导体材料比起传统的有机p型半导体材料，稳定性更高，结构简单，且能带可调。作为其中的代表，氧化镍(NiO)因为其合适的禁带宽度(3.8eV)，未掺杂时为p型且对可见光透明，因此p型的NiO与n型的GaN是紫外探测器较为理想的结构。
目前，国内外已经对GaN/NiO紫外探测器进行了一些研究，但大多数都是GaN薄膜与NiO或者单根GaN纳米线与NiO的结合，其综合性能参数需要得到进一步的提高来满足实际的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种微米线阵列异质结紫外光探测器及其制备方法，该紫外光探测器具有紫外/可见光选择比高、暗电流低、响应速度快且结构简单等优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微米线阵列异质结紫外光探测器，包括由设定方向层叠设置的氮化镓微米线阵列以及氧化镍层形成的异质p-n结；
所述氮化镓微米线阵列生长于图案化硅片衬底上；
在所述氮化镓微米线阵列上生长有所述氧化镍层和第一电极层；所述氧化镍层与所述第一电极层位于同一水平面且未接触；
在所述氧化镍层上生长有第二电极层。
可选的，所述图案化硅片衬底为上表面为多个平行阵列沟槽的硅片衬底，且相邻所述沟槽之间的突出部的上表面设置有绝缘层。
可选的，所述硅片的电阻率大于105Ω·cm；所述硅片的晶向为<100>。
可选的，所述沟槽的横截面为倒梯形；所述沟槽的上开口的宽度为5～10μm，所述沟槽的深度为1.5～4μm；相邻所述沟槽的间距为3～5μm。
可选的，所述氮化镓微米线阵列包括多根氮化镓微米线；每个所述沟槽的两边的内侧壁上分别设置一根所述氮化镓微米线，且所述氮化镓微米线与所述沟槽的方向一致；多个所述沟槽内的所述氮化镓微米线形成平行的所述氮化镓微米线阵列。
可选的，所述氮化镓微米线的横截面为三角形，且同一所述沟槽内的两根所述氮化镓微米线的长度相同。
可选的，所述氮化镓微米线阵列还包括外延生长于所述沟槽内侧壁与所述氮化镓微米线之间的氮化铝缓冲层。
可选的，所述氧化镍层的厚度为50～300nm。
一种微米线阵列异质结紫外光探测器的制备方法，包括：
采用金属有机气相沉积工艺在图案化硅片衬底上生长氮化镓微米线阵列；
采用金属材料在所述氮化镓微米线阵列的第一区域上生长第一电极层，在所述氮化镓微米线阵列的第二区域上生长氧化镍层；所述第一区域与所述第二区域位于同一水平面且未接触；
在所述氧化镍层生长第二电极层。
可选的，所述采用金属有机气相沉积工艺在图案化硅片衬底上生长氮化镓微米线阵列包括：
采用光刻和湿法刻蚀工艺制备图案化硅片衬底；所述图案化硅片衬底为表面为多个平行阵列沟槽的硅片衬底；
通过金属有机化学气相沉积法在所述图案化硅片衬底的各沟槽内侧壁上上外延生长未掺杂氮化镓，得到所述氮化镓微米线阵列
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种微米线阵列异质结紫外光探测器及其制备方法。该紫外光探测器包括主要由设定方向层叠设置的氮化镓微米线阵列和氧化镍层形成的异质p-n结，其中氮化镓微米线阵列和氧化镍层上分别连接有第一电极层和第二电极层；其制备方法包括：采用金属有机气相沉积工艺在图案化硅片衬底上生长氮化镓微米线阵列后，以金属材料在氮化镓微米线阵列上形成第一电极层，随后在氮化镓微米线阵列上覆设氧化镍层，最后在氧化镍层上设置第二电极层。外延生长的氮化镓微米线能避免层状结构出现的大面积的晶格失配和热失配引起的缺陷，能保证良好的晶体质量。同时增加异质结的接触面积，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，提高探测器响应度。因此，本发明提供的紫外光探测器具有紫外/可见光选择比高、暗电流低、响应速度快且结构简单等优点。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的图案化硅片衬底示意图；
图3为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的氮化镓微米线阵列示意图；
图4为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的氮化镓微米线阵列/第一电极层示意图；
图5为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的氮化镓微米线阵列/第一电极层/氧化镍层示意图；
图6为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的图案化硅片衬底截面示意图；
图7为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的氮化镓微米线阵列截面示意图；
图8为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的结构正面示意图；
图9为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的结构侧面示意图；
图10为本发明实施例微米线阵列异质结紫外光探测器的结构俯视示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的微米线阵列异质结紫外光探测器包括主要由设定方向层叠设置的氮化镓微米线阵列2和氧化镍层4形成的异质p-n结。
该微米线阵列异质结紫外光探测器还包括图案化硅片衬底1、第一电极层3和第二电极层5。
氮化镓微米线阵列2生长于图案化硅片衬底1上；在氮化镓微米线阵列2上生长有氧化镍层4和第一电极层3；氧化镍层4与第一电极层3位于同一水平面且未接触；在氧化镍层4上生长有第二电极层5，即氮化镓微米线阵列2连接第一电极层3，氧化镍层4连接第二电极层5。
如图2和图6所示，图案化硅片衬底1为上表面为多个平行阵列沟槽102的硅片衬底101，且相邻沟槽102之间的突出部的上表面设置有绝缘层103。
在本实施例中，硅片衬底101优选为高阻硅片；高阻硅片的电阻率为＞105Ω·cm；硅片晶向为<100>；本发明对硅片的尺寸没有任务限定，根据期间要求进行调整即可；在本实施例中，高阻硅片具有超高电阻率，有助于减小该探测器的漏电流。
在本实施例中，沟槽102呈平行阵列分布；沟槽102的上开口的宽度优选为5～10μm，沟槽102的深度优选为1.5～4μm；沟槽102的间距优选3～5μm。
在本实施例中，沟槽102的形状由硅片的晶向决定；硅片晶向为<100>，沟槽102的横截面为倒梯形，如图1～8所示；沟槽102使氮化镓微米线阵列2在特定的区域内外延生长，避免了层状薄膜探测器出现的大面积连续的晶格失配、位错等缺陷，保证了晶体质量。
在本实施例中，沟槽102之间的突出部的上表面设置有绝缘层103；绝缘层103的介电常数优选为3.9以上，更优选为9～12；绝缘层103的材质优选为二氧化硅；绝缘层103的厚度优选为100～500nm，更优选为300～500nm。
如图3和图7所示，氮化镓微米线阵列2设置于沟槽102的内侧壁上，每个沟槽102的两边的内侧壁分别设置一根氮化镓微米线201，氮化镓微米线201与沟槽102的方向一致，多个沟槽102内的氮化镓微米线201形成平行的氮化镓微米线阵列2。
在本实施例中，氮化镓微米线阵列2还包括外延生长于沟槽102内侧壁与氮化镓微米线201之间的氮化铝缓冲层202。
在本实施例中，氮化镓微米线201的横截面优选为三角形；该三角形的底边优选与沟槽102内侧壁接触；该三角形的厚度为0.6-4μm，优选为2-3μm；本发明中氮化镓微米线201的长度方向与沟槽102的长度方向一致，同一沟槽102内的两根氮化镓微米线201的长度相同，同一沟槽102内的两根氮化镓微米线201的距离为50～200nm，优选为50～80nm。
在本实施例中，氮化铝缓冲层202的厚度优选为30～300nm，更优选为200～300nm；氮化铝缓冲层202和氮化镓微米线201一样在特定区域内外延生长，进一步避免了层状薄膜探测器出现的大面积连续的晶格失配、位错等缺陷，保证了晶体质量。
如图1，图5和图8所示，在本实施例中，氧化镍层4覆设于氮化镓米线阵列2上；氧化镍层4的厚度优选为50～300nm，更优先为150～300nm。
实施例2
本实施例提供了一种微米线阵列异质结紫外光探测器的制备方法，该制备方法包括：
步骤(1)：采用金属有机气相沉积工艺在图案化硅片衬底1上生长氮化镓微米线阵列2。
步骤(2)：以金属材料在氮化镓微米线阵列2上形成第一电极层3，随后在氮化镓微米线阵列2上覆设氧化镍层4。
步骤(3)：最后在氧化镍层4上设置第二电极层5。
步骤(1)具体包括：
通过光刻刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺制备图案化硅片衬底1。
通过金属有机化学气相沉积法在图案化硅片衬底1上外延生长未掺杂氮化镓，得到氮化镓微米线阵列2。
步骤(2)具体包括：
通过蒸镀金属材料，在氮化镓微米线阵列2上形成第一电极层3，而后进行高温退火。
其中，蒸镀工艺包括热蒸发、电子束蒸发或离子溅射工艺。
金属材料包括Ti、Al、Au、In的任意一种或两种以上的组合。
步骤(2)中，在氮化镓微米线阵列2上覆设氧化镍层4的方法包括水热法、溶液旋涂法或磁控溅射工艺。
其中，形成的氧化镍层需要在275～300℃空气下退火。
步骤(3)中具体包括：
在氧化镍层4上蒸镀厚度为100～200nm的第二电极层5，而后在200～250℃下进行退火。
其中，蒸镀工艺包括热蒸发、电子束蒸发或离子溅射工艺。
其中，用以形成第二电极层5的金属材料包括Pt，Ag，Al，Au的任意一种或二种以上的组合。
实施例3
本实施例还提供了一种微米线阵列异质结紫外光探测器的制备方法，包括：
步骤S1：采用金属有机气相沉积工艺在图案化硅片衬底1上生长氮化镓微米线阵列2。
步骤S2：采用金属材料在氮化镓微米线阵列2的第一区域上生长第一电极层3，在氮化镓微米线阵列2的第二区域上生长氧化镍层4；第一区域与第二区域位于同一水平面且未接触。
步骤S3：在氧化镍层4生长第二电极层5。
步骤S1具体包括：
采用光刻刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺制备图案化硅片衬底1；该图案化硅片衬底1为表面为多个平行阵列沟槽的硅片衬底。
通过金属有机化学气相沉积法在图案化硅片衬底1的各沟槽201内侧壁上上外延生长未掺杂氮化镓，得到氮化镓微米线阵列2。
在本实施例中，图案化硅片衬底1制备包括：
选取本征型硅片；硅片电阻率为＞105Ω·cm。
将硅片通过等离子体增强化学沉积(PECVD)在表面形成一层500nm的二氧化硅绝缘层，作为掩膜层。
在二氧化硅绝缘层表面旋涂光阻层，然后经过软烘、曝光、显影等光刻工艺露出周期交替的条形外延沟槽图形；其中，光阻层厚度为2μm；有光刻胶保护和无保护二氧化硅绝缘层宽度均为5μm。
对条形外延沟槽图形进行选择性腐蚀，进行去胶处理；利用缓冲蚀刻液(BOE)对外延沟槽进行腐蚀，形成5μm的硅层和5μm光刻胶保护的二氧化硅层，再用丙酮和异丙醇去胶清洗。
根据预设的刻蚀深度，对除胶后的部分进行湿法刻蚀，形成多个等间距排列的倒梯形沟槽102。所用溶液为强碱溶液(氢氧化钾与异丙醇的混合溶液)，得到图案化硅片衬底1，如图2和图6所示。
在本实施例中，氮化镓微米线阵列2的制备包括：
将上一步得到的图案化硅片衬底1利用去离子水反复冲洗，去除表面残留的强碱溶液，然后用高纯氮气将表面吹干。
将得到的干净的图案化硅片衬底1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沟槽102内侧壁上外延生长一层未掺杂氮化铝缓冲层202。
在氮化铝缓冲层202上外延生长未掺杂氮化镓，得到氮化镓微米线阵列2，如图3和图7所示。
步骤S2具体包括：
通过蒸镀金属材料，在氮化镓微米线阵列2上形成第一电极层3，而后进行高温退火。
其中，述蒸镀工艺包括热蒸发、电子束蒸发或离子溅射工艺。
金属材料包括Ti、Al、Au、In的任意一种或两种以上的组合。
在本实施例中，蒸镀工艺优选热蒸发。金属材料优先为In金属。本发明对蒸镀工艺和金属材料没有特殊的规定，采用本领域技术人员熟知的蒸镀In金属的技术方案即可。
将上述得到的氮化镓微米线阵列2利用王水清洗，得到清洁表面。
将上述外延片利用匀胶机旋涂光刻胶，经过光刻套刻工艺露出矩形电极窗口图形，且矩形电极窗口图形边界与氮化镓微米线阵列2方向垂直。
本发明对于矩形电极窗口图形没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的光刻掩膜刻蚀技术方案即可。
将露出的矩形电极窗口图形的外延片放入热蒸镀设备中，在超高真空下蒸镀100nm In金属，高温退火后形成第一电极层3，如图4所示。
在步骤S2中，在氮化镓微米线阵列2上覆设氧化镍层4的方法包括水热法、溶液旋涂法或磁控溅射工艺；其中，形成的氧化镍层4需要在275～300℃空气下退火。
在本实施例中，覆设氧化镍层4的方法优选溶液旋涂法。本发明对溶液旋涂法没有特殊的规定，采用本领域技术人员熟知的旋涂氧化镍的技术方案即可。
上述氧化镍溶液由乙酸镍四水化合物溶于乙醇中形成0.5mol/L的溶液，并添加等摩尔比例的乙醇胺，在70℃搅拌4小时，形成绿色透明溶液。
将上述带有电极的氮化镓微米线阵列2清洗过后，利用匀胶机将上述氧化镍溶液以一定的速度旋涂在上面，形成氧化镍层。
将上述氧化镍层在275℃下空气退火45min，得到150～300nm厚的氧化镍层4，如图5所示
步骤S3具体包括：
在氧化镍层4上蒸镀厚度为100～200nm的第二电极层5，而后在200～250℃下进行退火。
其中，蒸镀工艺包括热蒸发、电子束蒸发或离子溅射工艺。
其中，用以形成第二电极层5的金属材料包括Pt，Ag，Al，Au的任意一种或二种以上的组合。
在本实施例中，蒸镀工艺优选热蒸发。金属材料优先为Au金属。本发明对蒸镀工艺和金属材料没有特殊的规定，采用本领域技术人员熟知的蒸镀Au金属的技术方案即可。
将上述得到的氧化镍层4上，利用匀胶机旋涂光刻胶，经过光刻套刻工艺露出特定的周期性矩形电极窗口图形，且矩形电极窗口图形边界与氮化镓微米线阵列2方向垂直。
本发明对于矩形电极窗口图形没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的光刻掩膜刻蚀技术方案即可。
将矩形电极窗口图形的外延片放入热蒸镀设备中，在超高真空下蒸镀100nmAu金属，在250℃下退火后形成第二电极层5，如图1，图8，图9和图10所示。
通过本发明制备的氧化镍/氮化镓微米线阵列异质p-n结紫外光探测器能够避免层状结构出现的大面积的晶格失配和热失配引起的缺陷，能保证良好的晶体质量。同时增加异质结的接触面积，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，提高探测器响应度。因此，本发明提供的具有紫外/可见光选择比高、暗电流低、响应速度快且结构简单等优点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种微米线阵列异质结紫外光探测器，其特征在于，包括由设定方向层叠设置的氮化镓微米线阵列以及氧化镍层形成的异质p-n结；
所述氮化镓微米线阵列生长于图案化硅片衬底上；
在所述氮化镓微米线阵列上生长有所述氧化镍层和第一电极层；所述氧化镍层与所述第一电极层位于同一水平面且未接触；
在所述氧化镍层上生长有第二电极层。
2.根据权利要求1所述的微米线阵列异质结紫外光探测器，其特征在于，所述图案化硅片衬底为上表面为多个平行阵列沟槽的硅片衬底，且相邻所述沟槽之间的突出部的上表面设置有绝缘层。
3.根据权利要求2所述的微米线阵列异质结紫外光探测器，其特征在于，所述硅片的电阻率大于105Ω·cm；所述硅片的晶向为<100>。
4.根据权利要求2所述的微米线阵列异质结紫外光探测器，其特征在于，所述沟槽的横截面为倒梯形；所述沟槽的上开口的宽度为5～10μm，所述沟槽的深度为1.5～4μm；相邻所述沟槽的间距为3～5μm。
5.根据权利要求2所述的微米线阵列异质结紫外光探测器，其特征在于，所述氮化镓微米线阵列包括多根氮化镓微米线；每个所述沟槽的两边的内侧壁上分别设置一根所述氮化镓微米线，且所述氮化镓微米线与所述沟槽的方向一致；多个所述沟槽内的所述氮化镓微米线形成平行的所述氮化镓微米线阵列。
6.根据权利要求5所述的微米线阵列异质结紫外光探测器，其特征在于，所述氮化镓微米线的横截面为三角形，且同一所述沟槽内的两根所述氮化镓微米线的长度相同。
7.根据权利要求5所述的微米线阵列异质结紫外光探测器，其特征在于，所述氮化镓微米线阵列还包括外延生长于所述沟槽内侧壁与所述氮化镓微米线之间的氮化铝缓冲层。
8.根据权利要求1所述的微米线阵列异质结紫外光探测器，其特征在于，所述氧化镍层的厚度为50～300nm。
9.一种微米线阵列异质结紫外光探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
采用金属有机气相沉积工艺在图案化硅片衬底上生长氮化镓微米线阵列；
采用金属材料在所述氮化镓微米线阵列的第一区域上生长第一电极层，在所述氮化镓微米线阵列的第二区域上生长氧化镍层；所述第一区域与所述第二区域位于同一水平面且未接触；
在所述氧化镍层生长第二电极层。
10.根据权利要求9所述的微米线阵列异质结紫外光探测器的制备方法，其特征在于，所述采用金属有机气相沉积工艺在图案化硅片衬底上生长氮化镓微米线阵列包括：
采用光刻和湿法刻蚀工艺制备图案化硅片衬底；所述图案化硅片衬底为表面为多个平行阵列沟槽的硅片衬底；
通过金属有机化学气相沉积法在所述图案化硅片衬底的各沟槽内侧壁上上外延生长未掺杂氮化镓，得到所述氮化镓微米线阵列。
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