CN112234117B - 基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自驱动超宽光谱的光电探测器，主要解决现有技术自驱动性能低和可探测光谱窄的问题。其自下而上包括：衬底层(1)、缓冲层(2)、n型GaN层(3)，n型GaN层上方的两侧分别设有p型层(4)与Ni/Au电极(6),该缓冲层采用磁控溅射氮化铝层(21)和石墨烯层(22)双层结构，该GaSe层的上方一侧及与Ni/Au电极之间设有石墨烯层(5)，该GaSe层(4)上方的另一侧设有Au电极(7)，其与GaSe层形成肖特基接触；石墨烯层分别与Ni/Au电极和Au电极之间相互隔离。本发明提升了探测器的自驱动性能，拓展了探测器的可探测光谱范围，可用于成像，光通信，传感和生物医学。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及一种自驱动超宽光谱光电探测器，可用于成像，光通信，传感，和生物医学。
背景技术
光电探测器作为光电设备的重要组成部分，在成像，光通信，传感，和生物医学技术中都有应用。在这次新冠疫情中，光电探测器作为红外热成像仪的重要组成部分，更是为各地疫情的监控起到了关键作用。相比于传统的测温仪，热成像仪不仅测温精度高，而且可以远距离同时测量多人的体温数据，在疫情尚未结束、复产复工在即的矛盾下，红外测温仪将有越来越多的应用场景，比如中大型企业、写字楼、商场等诸多应用场景。光电探测器作为红外热成像仪的核心器件之一，实现自主研发能力非常重要。
近年来，在用于制备光电探测器的材料中，范德华异质结是主流方向之一。其克服了传统光电探测器衬底与材料间的晶格失配问题，并易于成膜。但大多数二维材料的禁带宽度较小，制作的光电探测器的探测范围无法达到紫外光谱。GaN作为第三代半导体，拥有3.4eV的较宽禁带宽度。可探测到波长为325nm的紫外光，为探测器可探测光谱的拓宽提供了新的选择。现有的GaN基紫外探测器在衬底上分别引入GaN缓冲层、n-GaN外延层、本征GaN外延层和p-GaN外延层从而形成p-i-n同质结结构的GaN基紫外光探测器，其结构如图1所示。其包括:衬底1、GaN缓冲层2、n-GaN外延层3、本征GaN外延层4、p-GaN外延层5及两个欧姆电极6和7。但是其存在两方面的不足，一是由于同质结不是理想的光电伏器件，且GaN两端与电极形成的均为欧姆接触，故无法较好的实现自驱动；二是GaN基紫外探测器仅可探测紫外光无法拓展可探测光谱的范围。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器及其制备方法，以解决现有探测器可探测光谱窄，无法得到较好自驱动性能的问题。
为实现上述目的，本发明的设计思路是：首先通过在衬底上磁控溅射一层氮化铝薄膜，缓解衬底与石墨烯层之间由晶格失配产生的应力；再通过在氮化铝层上加入石墨烯缓冲层来降低轻掺n型GaN外延层缺陷密度，提高GaN外延层的质量；然后通过设计电极与n-GaN形成近似欧姆接触，与GaSe形成肖特基接触；通过这种不对称的混合接触结构以在器件内部引入不对称的电势分布进而提升器件的自驱动能力；最后通过在器件顶部加入石墨烯层，拓宽器件的可探测光谱范围，由紫外到可见再到红外，探测器均有响应。其实现方案如下:
1.一种基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器，自下而上包括：衬底层1、缓冲层2、n型GaN层3，n型GaN层3上方的两侧分别设有p型层4与Ni/Au电极6,其特征在于：
所述缓冲层2，采用磁控溅射氮化铝层21和石墨烯层22双层结构，以提高n-GaN外延层3的质量，使得探测器具有更高的明暗电流比和响应度；
所述GaSe层4的上方及与Ni/Au电极6之间设有石墨烯层5，以使得探测器的可探测光谱拓展至红外光谱，该GaSe层4上方的一侧设有Au电极7，其与GaSe层4形成肖特基接触；
所述石墨烯层5分别与Ni/Au电极6和Au电极7之间相互隔离。
进一步，所述磁控溅射氮化铝层21的厚度为30-60nm；所述石墨烯层22为单层石墨烯或双层石墨烯。
进一步，所述轻掺杂n型GaN层3厚度为300-600nm；
进一步，所述机械剥离的GaSe层4厚度约为7.5-15nm；
进一步，所述机械剥离的石墨烯5层厚度约为1-2.3nm；
进一步，所述p型层4为GaSe层，其与n型GaN层3形成异质结，以增强探测器的光伏特性，并使探测器的可探测光谱拓展至可见光谱。
2.一种基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器制备方法，包括：
1)在衬底上磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝基板；
2)采用化学气相淀积法在铜箔上生长石墨烯，并将长有石墨烯的铜箔底置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时去除铜箔，得到石墨烯层；
3)将石墨烯层转移到已溅射的氮化铝基板上，得到覆盖石墨烯层的溅射氮化铝基板；
4)将覆盖石墨烯层的溅射氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室温度升到1045℃，并同时通入镓源、氮源和n型掺杂源进行热处理，在该基板上生长厚度为300-600nm，电子浓度为1×1018-5×1018cm-3的轻掺杂n型GaN层；
5)在已经外延生长的GaSe体材料上通过机械剥离得到GaSe薄层，并通过转移平台转移到轻掺杂n-GaN层的一侧；
6)在已经外延生长的石墨烯体上通过机械剥离得到石墨烯薄层，并通过转移平台转移到GaSe薄层的上方一侧及与Ni/Au电极之间；
7)在衬底上覆盖掩膜版通过镀膜机蒸镀，得到Ni/Au电极和Au电极；
8)将Ni/Au电极通过转移平台转移到轻掺杂n-GaN层上的另一侧；
9)将Au电极通过转移平台转移到GaSe层上方另一侧，完成器件制作。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，本发明由于使用了磁控溅射氮化铝层和石墨烯层双层缓冲层结构，提升了n-GaN外延层质量，使得探测器具有更高的明暗电流比和响应度。
第二，本发明由于使用了n-GaN/p-GaSe异质结，其中n-GaN和p-GaSe分别与两侧电极形成了欧姆接触和肖特基接触，提升了器件的自驱动性能，使得器件在没有外加电压的情况下依然可以工作。
第三，本发明由于在探测器中加入了GaSe层，使得探测器的探测光谱增加了可见光范围。
第四，本发明由于在器件顶层加入了石墨烯层，使得探测器的可探测光谱延伸到了红外光范围。
附图说明
图1是现有的p-i-n同质结结构的GaN基紫外光探测器结构图；
图2是本发明基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器结构图；
图3是本发明制作图2器件的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步的说明。
参照图2，本发明基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器共包括七层，自下而上包括：衬底层1选用蓝宝石衬底或Si/SiO2衬底或SiC衬底、缓冲层2包括氮化铝层21和石墨烯层22双层结构，以提高n-GaN外延层3质量，使得探测器具有更高的明暗电流比和响应度、n型GaN层3，n型GaN层3上方的两侧分别设有GaSe层4与Ni/Au电极6，该Ni/Au电极6与其下方的n型GaN层3形成近似欧姆接触；GaSe层4的上方一侧及与Ni/Au电极6之间设有石墨烯层5，以使得探测器的可探测光谱拓展至红外光谱，该石墨烯层5分别与Ni/Au电极6和Au电极7之间相互隔离，以保证器件正常工作；该GaSe层4上方的另一侧设有Au电极7，其与GaSe层4形成肖特基接触。
所述氮化铝层21的厚度为30-60nm，石墨烯层22厚度为0.3-1nm；
所述n型GaN层3的厚度为300-600nm；
所述GaSe层4厚度为7.5-15nm；
所述石墨烯层5厚度约为1-2.3nm；
所述Ni/Au电极6所用的金属Ni的厚度为30nm,金属Au的厚度为80nm；
所述Au电极7的厚度为80nm。
参照图3，本发明制备上述自驱动超宽光谱光电探测器的方法，给出如下三种实施例。
实施例1：在蓝宝石衬底上制备顶层石墨烯厚度为1nm,GaSe层厚度为7.5nm，GaN外延层电子浓度为1×1018cm-3、厚度为300nm的n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器。
步骤1.磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝的基板。
1a)对蓝宝石衬底分别使用丙酮、酒精、去离子水进行清洗处理，得到清洗后的蓝宝石衬底，将清洗后的蓝宝石衬底置于磁控溅射设备中，设反应室压力为1Pa，温度为100℃。并向反应室同时通入流量为200sccm的氮气和100sccm的氩气5min；
1b)以99.99％纯度的铝为靶材，调至100W的功率，采用射频磁控溅射方法，在清洗后的蓝宝石衬底上溅射30nm厚的氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝的基板。
步骤2.生长、转移石墨烯。
2a)将已经过电化学抛光的铜箔折叠成荷包形状；
2b)将已折叠好的铜箔放入化学气相淀积设备MOCVD中；
2c)通入流量为200sccm的氮气并升温至1020℃；
2d)通入流量分别为100和30sccm的氢气和甲烷并保持1h；
2e)停止通入甲烷并开始降温，待化学气相淀积设备MOCVD降至室温，完成石墨烯的生长。
2f)将带有石墨烯的铜箔置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时，以去除铜箔，得到石墨烯层；
2g)将石墨烯层转移到氮化铝的基板上，得到覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板。
步骤3.在覆盖石墨烯的氮化铝基板上生长轻掺杂的n-GaN层。
3a)将覆盖石墨烯的氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中；
3b)将反应室温度升到1045℃，并同时通入镓源、氮源和n型掺杂源，在覆盖石墨烯的氮化铝基板上生长厚度为300nm，电子浓度为1×1018cm-3的轻掺杂n-GaN层；
3c)停止反应室加热和通气，将得到的n型GaN层冷却至室温。
步骤4.剥离并转移GaSe和石墨烯薄层。
4a)在已经外延生长的GaSe体材料上通过机械剥离得到厚度为7.5nm的八层GaSe薄层，并将其转移至轻掺杂n-GaN层上。
4b)在已经外延生长的石墨烯体上通过机械剥离得到厚度为1nm的三层石墨烯薄层，并将其转移至GaSe薄层的上方一侧及与Ni/Au电极之间，形成n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结。
步骤5.使用真空镀膜机蒸镀电极并分别转移至轻掺杂的n-GaN层与GaSe薄层上。
5a)将覆盖掩膜版的SiO2衬底放入真空镀膜机，设置高压电压为1800V，灯丝电流为9A，蒸镀厚度为80nm的金属Au得到Au电极，蒸镀时的高压电流为2A,蒸镀速率为1
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5b)将覆盖掩膜版的SiO2衬底放入真空镀膜机，设置高压电压为2000V，灯丝电流为10A，依次蒸镀厚度为30nm的金属Ni和厚度为80nm的金属Au得到Ni/Au电极，蒸镀时的高压电流为3A,蒸镀Ni速率为0.5
/S。
5b)使用转移平台将得到的Ni/Au与Au电极分别转移至轻掺杂的n-GaN层与GaSe薄层上，这两个电极均与顶层石墨烯之间设有间隙,即不发生接触。
5c)使用真空退火炉对器件在350℃下退火220min,完成基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器制备。
实施例2：在SiO2衬底上制备顶层石墨烯厚度为1.7nm，GaSe层厚度为10nm，GaN外延层电子浓度为3×1018cm-3、厚度为400nm的n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器。
步骤一.磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝的基板。
1.1)对SiO2衬底分别使用丙酮、酒精、去离子水进行清洗处理，得到清洗后的SiO2衬底，将清洗后的SiO2衬底置于磁控溅射设备中，设反应室压力为1Pa，温度为100℃。并向反应室同时通入流量为250sccm的氮气和150sccm的氩气5min；
1.2)以99.99％纯度的铝为靶材，调至100W的功率，采用射频磁控溅射方法，在清洗后的SiO2衬底上溅射30nm厚的氮化铝薄膜，得到氮化铝的基板。
步骤二.生长、转移石墨烯。
2.1)将已经过电化学抛光的铜箔折叠成荷包形状；
2.2)将已折叠好的铜箔放入化学气相淀积设备MOCVD中；
2.3)通入流量为250sccm的氮气并升温至1020℃；
2.4)通入流量分别为150和50sccm的氢气和甲烷并保持1h；
2.5)停止通入甲烷并开始降温，待化学气相淀积设备MOCVD降至室温，完成石墨烯的生长。
2.6)将带有石墨烯的铜箔置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时，以去除铜箔，得到石墨烯层；
2.7)将石墨烯层转移到溅射氮化铝的基板上，得到覆盖石墨烯的氮化铝基板。
步骤三.在覆盖石墨烯的氮化铝基板上生长轻掺杂的n-GaN层。
3.1)将覆盖石墨烯的氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中；
3.2)将反应室温度升到1045℃，并同时通入镓源、氮源和n型掺杂源，在覆盖石墨烯的氮化铝基板上生长厚度为400nm，电子浓度为3×1018cm-3的轻掺杂n-GaN层；
3.3)停止反应室加热和通气，将得到的n型GaN层冷却至室温。
步骤四.剥离并转移GaSe和石墨烯薄层。
4.1)在已经外延生长的GaSe体材料上通过机械剥离得到厚度为10nm的十层GaSe薄层，并将其转移至轻掺杂n-GaN层上。
4.2)在已经外延生长的石墨烯体上通过机械剥离得到厚度为1.7nm的五层石墨烯薄层，并将其转移至GaSe薄层的上方一侧及与Ni/Au电极之间，形成n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结。
步骤五.使用真空镀膜机蒸镀电极并分别转移至轻掺杂的n-GaN层与GaSe薄层上,完成基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器制备。
本步骤的具体实现与实施例1相同。
实施例3：在SiC衬底上制备顶层石墨烯厚度为2.3nm，GaSe层厚度为15nm，GaN外延层电子浓度为5×1018cm-3、厚度为600nm的n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器。
步骤A.磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝的基板。
首先对SiC衬底分别使用丙酮、酒精、去离子水进行清洗处理，得到清洗后的SiC衬底，将清洗后的SiC衬底置于磁控溅射设备中，设反应室压力为1Pa，温度为100℃。并向反应室同时通入流量为300sccm的氮气和200sccm的氩气5min；再以99.99％纯度的铝为靶材，调至100W的功率，采用射频磁控溅射方法，在清洗后的SiC衬底上溅射30nm厚的氮化铝薄膜，得到氮化铝的基板。
步骤B.生长、转移石墨烯。
首先，将已经过电化学抛光的铜箔折叠成荷包形状，放入化学气相淀积设备MOCVD中，并通入流量为300sccm的氮气并升温至1020℃，再通入流量分别为200和80sccm的氢气和甲烷并保持1h后，降温至化学气相淀积设备MOCVD达到室温,完成石墨烯的生长；
接着，将带有石墨烯的铜箔置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时，以去除铜箔，得到石墨烯层；
然后，将石墨烯层转移到溅射氮化铝的基板上，得到覆盖石墨烯的氮化铝基板。
步骤C.在覆盖石墨烯的氮化铝基板上生长轻掺杂的n-GaN层。
将覆盖石墨烯的氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室温度升到1045℃，并同时通入镓源、氮源和n型掺杂源，在覆盖石墨烯的氮化铝基板上生长厚度为600nm，电子浓度为5×1018cm-3的轻掺杂n-GaN层，并将其冷却至室温。
步骤D.剥离并转移GaSe和石墨烯薄层。
先在已经外延生长的GaSe体材料上通过机械剥离得到厚度为15nm的十六层GaSe薄层，并将其转移至轻掺杂n-GaN层上；再在已经外延生长的石墨烯体上通过机械剥离得到厚度为2.3nm的七层石墨烯薄层，并将其转移至GaSe薄层的上方一侧及与Ni/Au电极之间，形成n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结。
步骤E.使用真空镀膜机蒸镀电极并分别转移至轻掺杂的n-GaN层与GaSe薄层上,完成基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器制备。
本步骤的具体实现与实施例1相同。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器，自下而上包括：衬底层(1)、缓冲层(2)、n型GaN层(3)，n型GaN层(3)上方的两侧分别设有p型GaSe层(4)与Ni/Au电极(6),其特征在于：
所述缓冲层(2)，采用磁控溅射氮化铝层(21)和石墨烯层(22)双层结构，以提高n-GaN外延层(3)质量，使得探测器具有更高的明暗电流比和响应度；
所述GaSe层(4)的上方一侧及与Ni/Au电极(6)之间设有石墨烯层(5)，以使得探测器的可探测光谱拓展至红外光谱，该GaSe层(4)上方的另一侧设有Au电极(7)，其与GaSe层(4)形成肖特基接触；
所述石墨烯层(5)分别与Ni/Au电极(6)和Au电极(7)之间相互隔离。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：
所述磁控溅射氮化铝层(21)的厚度为30-60nm；
所述石墨烯层(22)为单层石墨烯或双层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：
所述n型GaN层(3)厚度为300-600nm；
所述GaSe层(4)厚度为7.5-15nm；
所述石墨烯层(5)厚度为1-2.3nm。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述p型GaSe层(4)，其与n型GaN层(3)形成异质结，以增强探测器的光伏特性，并使探测器的可探测光谱拓展至可见光谱。
5.根据权利要求书1所述的光电探测器，其特征在于：衬底层(1)选用蓝宝石衬底或Si/SiO2衬底或SiC衬底。
6.一种基于n-GaN/p-GaSe/石墨烯异质结的自驱动超宽光谱光电探测器制备方法，包括：
1)在衬底上磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝基板；
2)采用化学气相淀积法在铜箔上生长石墨烯，并将长有石墨烯的铜箔底置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时去除铜箔，得到石墨烯层；
3)将石墨烯层转移到已溅射的氮化铝基板上，得到覆盖石墨烯层的溅射氮化铝基板；
4)将覆盖石墨烯层的溅射氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室温度升到1045℃，并同时通入镓源、氮源和n型掺杂源进行热处理，在该基板上生长厚度为300-600nm，电子浓度为1×1018-5×1018cm-3的轻掺杂n型GaN层；
5)在已经外延生长的GaSe体材料上通过机械剥离得到GaSe薄层，并通过转移平台转移到轻掺杂n-GaN层的一侧；
6)在已经外延生长的石墨烯体上通过机械剥离得到石墨烯薄层，并通过转移平台转移到GaSe薄层的上方一侧及与Ni/Au电极之间；
7)在衬底上覆盖掩膜版通过镀膜机蒸镀，得到Ni/Au电极和Au电极；
8)将Ni/Au电极通过转移平台转移到轻掺杂n-GaN层上的另一侧；
9)将Au电极通过转移平台转移到GaSe层上方另一侧，完成器件制作。
7.根据权利要求6所述的方法，其中1)中在蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝的工艺条件如下：
溅射时真空为1-3×10-4Pa；
氮气和氩气流量分别为200-300sccm和100-200sccm；
温度为100℃；
压强为1Pa；
功率为100W；
溅射速率为2nm/min。
8.根据权利要求6所述的方法，其中2)中采用化学气相淀积法在铜箔上生长石墨烯，其实现如下：
2a)将已经过电化学抛光的铜箔折叠成荷包形状；
2b)将已折叠好的铜箔放入MOCVD中；
2c)通入流量为200-400sccm的氮气并升温至1020℃；
2d)通入流量分别为100-300sccm和30-80sccm的氢气和甲烷并保持1h；
2e)停止通入甲烷并开始降温，待MOCVD降至室温，完成石墨烯的生长。
9.根据权利要求6所述的方法，其中7)中在衬底上蒸镀电极的工艺条件如下：
蒸镀时高压电压1800-2000V；
高压电流2-3A；
灯丝电流为9-10A；
蒸镀Au速率为
蒸镀Ni速率为
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