CN112599646A - 一种全光谱光电双通道器件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域。一种全光谱光电双通道器件的制备方法，包括以下步骤：在衬底表面生长ALN薄膜；在ALN薄膜表面图形化后蒸镀顶电极或阴阳电极；在ALN薄膜和顶电极表面转移一层石墨烯/PMMA复合电极，或在ALN薄膜和阴阳电极表面各转移一层石墨烯/PMMA复合电极，阴阳电极表面的石墨烯/PMMA复合电极间隔设置；将顶电极或阴阳电极表面的PMMA蚀刻去除，即得光电双通道器件。本发明制备方法简单高效，制备而成的双通道器件可同时实现发光特性和光探测特性，器件性能好，光发射范围广，可覆盖紫外到红外波段。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种全光谱光电双通道器件及其制备方法和应用。
背景技术
光电二极管LED和光电探测器是两种应用范围广、用量大的电子器件。光电二极管作为一种能将光电结合的器件，其具有体积小、发光效率理想、寿命长、开关时间短、导通电压低、环境污染小等特点。光电探测器是一种将光电信号转换为电信号的器件，其基本原理是利用光的辐射引起被照射材料电导率发生改变，从而引起信号变化。光电探测器具有体积小、灵敏度高、稳定性好、响应速度快等特点。目前此类电子器件大多为只具有发光特性或光探测特性的单一功能器件，器件制作难度大，生产成本高。因此，需要一种可同时实现发光特性和光探测特性的电子器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全光谱光电双通道器件，该双通道器件可同时实现发光特性和光探测特性，器件性能好，光发射范围广，可覆盖紫外到红外波段。
本发明的技术方案如下：
一种全光谱光电双通道器件的制备方法，包括以下步骤：
S1.在衬底表面生长ALN薄膜；
S2.在ALN薄膜表面图形化后蒸镀顶电极或阴阳电极；
S3.在ALN薄膜和顶电极表面转移一层石墨烯/PMMA复合电极，或在ALN薄膜和阴阳电极表面各转移一层石墨烯/PMMA复合电极，阴阳电极表面的石墨烯/PMMA复合电极间隔设置；
S4.将顶电极或阴阳电极表面的PMMA蚀刻去除，即得光电双通道器件。
进一步的，步骤S1中，采用磁控溅射或MOCVD的方式在衬底上成长ALN薄膜，所述ALN薄膜按照铅锌矿结构结晶成膜。ALN薄膜绝缘性能好，介电常数高，可有效防止漏电流的发生，可在界面处积聚自由载流子，提高器件的发光效率。采用磁控溅射或MOCVD的方式沉积ALN薄膜，薄膜致密性好，平整度高，对电极和石墨烯/PMMA复合电极的影响小，提高石墨烯的迁移率，从而提高器件整体的电学性能。
进一步的，步骤S2中，所述顶电极为Ni/Au薄膜，所述阳极电极为Ni/Au薄膜，所述阴极电极为Al/Ni/Au薄膜。通过对电极数量、材料的设置，可将器件制备成垂直结构或平面结构，器件应用范围广。
进一步的，步骤S3中，所述石墨烯/PMMA复合电极的制备方法为：在铜箔上制备单层石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜表面旋涂PMMA后液相腐蚀铜箔。石墨烯具有较高的载流子迁移率和良好的机械性能、耐热性能和光学性能。石墨烯/PMMA复合透明电极可起到电流扩散和透光的作用,透射率高，可在紫外-红外这一范围较宽的波段内保持高透射率，使器件具有较广的光发射范围，大大提高了器件的光电性能。
一种由所述制备方法制备而成的全光谱光电双通道器件，包括由下至上依次设置的衬底、ALN薄膜、顶电极和石墨烯/PMMA复合电极，石墨烯/PMMA复合电极中石墨烯薄膜位于所述顶电极表面和所述ALN薄膜未被所述顶电极覆盖的表面。
进一步的，所述衬底材料为高导电性材料，包括Si。
一种由所述制备方法制备而成的全光谱光电双通道器件，包括由下至上依次设置的衬底、ALN薄膜、阴阳电极和石墨烯/PMMA复合电极，所述阳极电极与所述阴极电极间隔设置于所述ALN薄膜表面，所述石墨烯/PMMA复合电极包括间隔设置的第一石墨烯/PMMA复合电极和第二石墨烯/PMMA复合电极，所述第一石墨烯/PMMA复合电极中的石墨烯薄膜位于所述阳极电极表面和所述ALN薄膜未被所述阳极电极覆盖的表面，所述第二石墨烯/PMMA复合电极中的石墨烯薄膜位于所述阴极电极表面和所述ALN薄膜未被所述阴极电极覆盖的表面。
进一步的，所述衬底材料为绝缘材料，包括SiO2、SiC、金刚石或石英玻璃。平面结构的器件具有包括ALN薄膜在内的双层绝缘层，器件整体性能的稳定。
一种所述的全光谱光电双通道器件的应用，在所述双通道器件正负极上施加大于5伏的偏压，所述双通道器件可作为LED器件，发射覆盖白光区域的超宽光谱。器件具有良好的发光特性，光发射范围广，发光效率高。
一种所述的全光谱光电双通道器件的应用，将所述双通道器件正负极连接到电流探测器上，在250-1100nm范围内的光照条件下，所述双通道器件可作为光电探测器件使用。器件具有良好的光探测特性，对入射光可进行高灵敏度和响应度的光电转换。
本发明具有如下有益效果：
本发明双通道器件中设置了ALN薄膜，实现了同一器件的光电双通道转换，器件同时具有发光特性和光探测特性，在通电条件下器件可作为宽光谱光源，光发射范围广，发光效率高；在不通电条件下器件可作为宽光谱探测器使用，灵敏度和响应度高。器件光电发射和响应范围在250-1100nm之间，可覆盖紫外-红外波段。选用的石墨烯和PMMA复合透明电极可大大提高器件的整体性能。
附图说明
图1为本发明全光谱光电双通道器件垂直结构的结构示意图；
图2为本发明全光谱光电双通道器件水平结构的结构示意图；
图3为本发明全光谱光电双通道器件电致发光的光学照片；
图4为本发明全光谱光电双通道器件电致发光的光谱图；
1.衬底，2.ALN薄膜，3.顶电极，4.阳极电极，5.阴极电极，6.石墨烯/PMMA复合电极。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
一种全光谱光电双通道器件，如图1所示，其为垂直结构，包括由下至上依次设置的衬底1、ALN薄膜2、顶电极3和石墨烯/PMMA复合电极6，石墨烯/PMMA复合电极6中石墨烯薄膜位于所述顶电极3表面和所述ALN薄膜2未被所述顶电极3覆盖的表面。
一种所述全光谱光电双通道器件的制备方法，包括以下步骤：
S1.采用磁控溅射或MOCVD的方式在衬底1上成长ALN薄膜2，所述衬底1材料为Si，所述ALN薄膜2按照铅锌矿结构结晶成膜；
S2.在ALN薄膜2表面图形化后蒸镀顶电极3,所述顶电极3为Ni/Au薄膜10nm/30nm，各层厚度为，尺寸为20μm×20μm；图形化方法包括光刻或采用漏板蒸镀；
S3.在ALN薄膜2和顶电极3表面转移一层石墨烯/PMMA复合电极6，或在ALN薄膜2和阴阳电极表面各转移一层石墨烯/PMMA复合电极6，阴阳电极表面的石墨烯/PMMA复合电极6间隔设置；
S4.将顶电极3或阴阳电极表面的PMMA蚀刻去除，蚀刻可以采用光刻图形化后刻蚀，也可以采用掩膜版保护直接刻蚀；蚀刻后即得光电双通道器件。
其中，所述石墨烯/PMMA复合电极6的制备方法为：在铜箔上制备单层石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜表面旋涂PMMA后液相腐蚀铜箔。
实施例2
一种全光谱光电双通道器件，如图2所示，其为平面结构，包括由下至上依次设置的衬底1、ALN薄膜2、阴阳电极和石墨烯/PMMA复合电极6，所述阳极电极4与所述阴极电极5间隔设置于所述ALN薄膜2表面，所述石墨烯/PMMA复合电极6包括间隔设置的第一石墨烯/PMMA复合电极6和第二石墨烯/PMMA复合电极6，所述第一石墨烯/PMMA复合电极6中的石墨烯薄膜位于所述阳极电极4表面和所述ALN薄膜2未被所述阳极电极4覆盖的表面，所述第二石墨烯/PMMA复合电极6中的石墨烯薄膜位于所述阴极电极5表面和所述ALN薄膜2未被所述阴极电极5覆盖的表面。
一种所述全光谱光电双通道器件的制备方法，包括以下步骤：
S1.采用磁控溅射或MOCVD的方式在衬底1上成长ALN薄膜2，所述衬底1材料为SiC，所述ALN薄膜2按照铅锌矿结构结晶成膜；
S2.在ALN薄膜2表面图形化后蒸镀阴阳电极,阴极电极5和阳极电极4间距为10μm，所述阳极电极4为Ni/Au薄膜，各层厚度为10nm/30nm；所述阴极电极5为Al/Ni/Au薄膜，各层厚度为10nm/10nm/20nm；阴阳电极尺寸均为20μm×20μm；图形化方法包括光刻或采用漏板蒸镀；
S3.在ALN薄膜2和顶电极3表面转移一层石墨烯/PMMA复合电极6，或在ALN薄膜2和阴阳电极表面各转移一层石墨烯/PMMA复合电极6，阴阳电极表面的石墨烯/PMMA复合电极6间隔设置，间隔距离为5μm；
S4.将顶电极3或阴阳电极表面的PMMA蚀刻去除，蚀刻可以采用光刻图形化后刻蚀，也可以采用掩膜版保护直接刻蚀；蚀刻后即得光电双通道器件。
其中，所述石墨烯/PMMA复合电极6的制备方法为：在铜箔上制备单层石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜表面旋涂PMMA后液相腐蚀铜箔。
一种本发明全光谱光电双通道器件实施例1的应用，在所述双通道器件正负极上施加大于5伏的偏压，所述双通道器件可作为LED器件，发射覆盖白光区域的超宽光谱。并测试其性能，测试结果为：器件电致发光光学照片和光谱图如图3-4所示，光谱范围从250-1100nm，完整覆盖了可见光区域，峰值波长在550nm附近。在白光区域的显示指数Ra高达95以上，其中R9也高达95以上。
一种所述的全光谱光电双通道器件实施例1-2的应用，将所述双通道器件正负极连接到电流探测器上，在250-1100nm范围内的光照条件下，所述双通道器件可作为光电探测器件使用。并测试其性能，测试结果为：两种结构的器件均具有较宽的光谱响应特性。在测试中使用半导体激光光源照射样品，然后测试光电流的变化情况，发现从紫外到红外光照射都具有光电流。不同光照下，光响应度分布从0.08A/W-0.5A/W，其中最大的光响应度是在360nm光照条件下测得。
本发明双通道器件可同时实现发光特性和光探测特性，器件性能好，光发射范围广，可覆盖紫外到红外波段。
Claims (10)
1.一种全光谱光电双通道器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在衬底表面生长ALN薄膜；
S2.在ALN薄膜表面图形化后蒸镀顶电极或阴阳电极；
S3.在ALN薄膜和顶电极表面转移一层石墨烯/PMMA复合电极，或在ALN薄膜和阴阳电极表面各转移一层石墨烯/PMMA复合电极，阴阳电极表面的石墨烯/PMMA复合电极间隔设置；
S4.将顶电极或阴阳电极表面的PMMA蚀刻去除，即得光电双通道器件。
2.根据权利要求1所述的全光谱光电双通道器件，其特征在于，步骤S1中，采用磁控溅射或MOCVD的方式在衬底上成长ALN薄膜，所述ALN薄膜按照铅锌矿结构结晶成膜。
3.根据权利要求1所述的全光谱光电双通道器件，其特征在于，步骤S2中，所述顶电极为Ni/Au薄膜，所述阳极电极为Ni/Au薄膜，所述阴极电极为Al/Ni/Au薄膜。
4.根据权利要求1所述的全光谱光电双通道器件，其特征在于，步骤S3中，所述石墨烯/PMMA复合电极的制备方法为：在铜箔上制备单层石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜表面旋涂PMMA后液相腐蚀铜箔。
5.一种由权利要求1所述的制备方法制备而成的全光谱光电双通道器件，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底、ALN薄膜、顶电极和石墨烯/PMMA复合电极，石墨烯/PMMA复合电极中石墨烯薄膜位于所述顶电极表面和所述ALN薄膜未被所述顶电极覆盖的表面。
6.根据权利要求5所述的全光谱光电双通道器件，其特征在于，所述衬底材料为高导电性材料，包括Si。
7.一种由权利要求1所述的制备方法制备而成的全光谱光电双通道器件，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底、ALN薄膜、阴阳电极和石墨烯/PMMA复合电极，所述阳极电极与所述阴极电极间隔设置于所述ALN薄膜表面，所述石墨烯/PMMA复合电极包括间隔设置的第一石墨烯/PMMA复合电极和第二石墨烯/PMMA复合电极，所述第一石墨烯/PMMA复合电极中的石墨烯薄膜位于所述阳极电极表面和所述ALN薄膜未被所述阳极电极覆盖的表面，所述第二石墨烯/PMMA复合电极中的石墨烯薄膜位于所述阴极电极表面和所述ALN薄膜未被所述阴极电极覆盖的表面。
8.根据权利要求7所述的全光谱光电双通道器件，其特征在于，所述衬底材料为绝缘材料，包括SiO2、SiC、金刚石或石英玻璃。
9.一种权利要求5或7所述的全光谱光电双通道器件的应用，其特征在于，在所述双通道器件正负极上施加大于5伏的偏压，所述双通道器件可作为LED器件，发射覆盖白光区域的超宽光谱。
10.一种权利要求5或7所述的全光谱光电双通道器件的应用，其特征在于，将所述双通道器件正负极连接到电流探测器上，在250-1100nm范围内的光照条件下，所述双通道器件可作为光电探测器件使用。
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