CN113224198A - 一种2DWS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器及其制备方法与应用；该蓝光探测器由下至上依次包括：Si衬底层、AlN/AlGaN缓冲层、u‑GaN缓冲层、InGaN层；所述InGaN层上有SiO2窗口层、2D WS2层、第一金属电极；所述2D WS2层上有第二金属电极。本发明通过在InGaN层上引入2D WS2层，利用2D WS2材料禁带宽度为2eV及其能带结构特点，能够与InGaN层实现II型异质结结构，在界面上形成内建电场，电子将向2D WS2层迁移，空穴将向InGaN层迁移，完成光生载流子的有效分离和传输，产生更大光电流，实现了自驱动、高响应蓝光探测器。

Description

一种2DWS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器及其制备方 法与应用
技术领域
本发明涉及蓝光探测器领域，具体涉及一种2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器及其制备方法与应用。
背景技术
III族氮化物半导体材料拥有优良的光学、电学、热学、化学、机械性能，目前，Ⅲ族氮化物光电器件和功率器件也得到了广泛研究。作为第三代半导体材料研究热点之一的InGaN材料电子迁移率高、热稳定性好、化学稳定性好。并且可通过调整合金中In的组分，实现禁带宽度从3.4eV到0.7eV的连续调节，从而使得InGaN光电测器能够覆盖整个可见光波段，相比传统探测器具有体积小、易携带、易集成、工作电压低、节能环保、无需滤光系统等优势，但同时也存在相分离导致的制备困难、器件响应度低等问题。
近年来，继石墨烯后，二维材料逐渐得到发掘，其层厚仅为几个原子层，同时相比于体材料具有优异的电学、光学、机械性能，因此在催化、微电子、离子储存、光电子学领域的巨大潜力得到了研究发展。
有研究人员采用GaN/InGaN多量子阱材料制备的蓝光探测器，响应时间为300ms，暗电流为10-7A，在5V电压下，峰值响应度达到0.35A/W的响应度。但由于材料表面存在悬挂键，器件暗电流仍较高。其次，该探测器需要外加电源才可以进行工作。相比之下，为了解决以上不足，本发明通过引入缓冲层提升InGaN材料质量，通过采用2D WS2材料与InGaN功能层形成II型异质结结构，从而获得器件自驱动效应，大幅提升器件的响应度及灵敏度，同时由于二维生长材料表面无悬挂键，降低了暗电流，使得二维材料与传统研究材料相结合，获得了高性能水平的创新型器件。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供2DWS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器及其制备方法与应用，所述蓝光探测器具有生长InGaN薄膜质量好，器件获得自驱动性能，具有外量子效率高，响应速度快和灵敏度高等优点。
由于InGaN材料自身容易发生相分离，采用MOCVD方法在AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层上生长InGaN薄层，通过沉积2D WS2层后转移2D WS2至InGaN层制备II型异质结结构蓝光探测器具有以下突出优势；一、MOCVD适合大面积材料生长，可获得大面积InGaN薄膜；二、采用缓冲层结构，降低晶格失配，且InGaN为薄层，可降低相分离，可提升InGaN薄膜质量；三、设计II型异质结结构，通过内建电场使器件获得自驱动能力，同时大幅提升器件响应度、灵敏度等参数，从而获得高性能蓝光探测器。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器，由下至上依次包括：Si衬底层、AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层、InGaN层；所述InGaN层上有SiO2窗口层、2D WS2层、第一金属电极；所述2D WS2层上有第二金属电极。
优选的，所述Si衬底的厚度为420～430μm；
优选的，所述AlN/AlGaN缓冲层包括AlN层和AlGaN层；进一步优选的，所述AlN层的厚度为250～350nm，所述AlGaN层的厚度为400～600nm。
优选的，所述u-GaN缓冲层的厚度为1.5～2.5μm；
优选的，所述InGaN层的厚度为120～180nm；
优选的，所述SiO2窗口层的厚度为50～100nm；
优选的，所述2D WS2层的厚度为2～5nm。
优选的，所述SiO2窗口层设有孔，2D WS2层位于SiO2窗口层孔内，且SiO2窗口层和2D WS2层不接触；进一步优选的，所述孔规格为3mm×3mm，所述SiO2窗口层外尺寸的规格为5mm×5mm。
优选的，所述第一金属电极位于SiO2窗口层外侧，且第一金属电极和SiO2窗口层不接触。
优选的，所述第一金属电极和第二金属电极为Ni/Au金属层电极，所述Ni/Au金属层电极包括Ni层和Au层，所述Ni层和Au层的厚度分别为70～100nm。
上述的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)用MOCVD在Si衬底上生长AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层、InGaN层；
(2)采用CVD技术在另一Si衬底上生长2D WS2层；
(3)采用PECVD法在步骤(1)所述InGaN层部分区域沉积SiO2窗口层，将步骤(2)得到的的2D WS2层进行湿法转移至InGaN层上；
(4)首先将InGaN层和步骤(3)得到的2D WS2层进行匀胶，并烘干，然后进行曝光，并显影，最后经过氧离子处理，实现光刻操作；
(5)将步骤(4)得到的InGaN层和2D WS2进行蒸镀金属电极，得到2DWS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器。
优选的，步骤(1)所述AlN/AlGaN缓冲层包括AlN层和AlGaN层，所述AlN层的生长温度为1000～1100℃，所述AlGaN层的生长温度为900～1100℃；
优选的，所述u-GaN缓冲层的生长温度为900～1050℃；
优选的，所述InGaN层的生长温度为600～800℃。
优选的，步骤(3)所述沉积SiO2窗口层的温度为150～250℃。
优选的，步骤(4)所述烘干的时间为37～46s，曝光的时间为5～11s，显影的时间为37～46s，氧离子处理的时间为1.5～3min；
优选的，步骤(5)所述蒸镀金属电极的速率为0.20～0.24nm/min。
上述的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器在蓝光探测中的应用。
本发明的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器设计思路如下：
(1)设计2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的外延结构：对于InGaN材料与Si衬底之间晶格失配(>17％)和热失配(>54％)较大因而容易导致高密度缺陷和裂纹的问题，通过设计AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层，可以有效控制外延层的应力以及缺陷密度，提高InGaN材料的质量。
(2)用MOCVD技术在Si衬底上生长高质量InGaN材料：通过MOCVD技术先在Si衬底上高温生长AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层，再在缓冲层上生长InGaN层，抑制相分离，实现高质量InGaN材料的生长。
(3)2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器及其异质结的优化设计：设计2DWS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的器件结构，利用2D WS2材料可以与InGaN材料形成II型异质结结构的特点，在InGaN部分区域沉积SiO2窗口层，再将2D WS2转移至SiO2窗口层的InGaN上，获得锐利界面的异质结结构，通过内建电场大幅提升器件性能。分析并优化芯片单元结构及参数、电极种类及接触面积、异质结结构等，实现高性能自驱动器件结构设计。
(4)2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的制备：优化探测器制备工艺，先采用PECVD法在InGaN层上沉积SiO2窗口层，后采用CVD法生长2D WS2，通过湿法转移技术将Si衬底上2D WS2层转移至InGaN层上SiO2窗口处，通过光刻蒸镀工艺，在暴露InGaN层以及2D WS2层上制备Ni/Au金属电极。改变湿法转移参数及条件、光刻曝光显影等时间、氧离子处理时间电极材料种类、电极接触面积，蒸镀速率等工艺参数，探究其对2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器性能的影响，提升2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的灵敏度和响应度，实现高性能自驱动蓝光探测器制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的一种2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器提供了一种先采用MOCVD高温外延方法在Si衬底上生长AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层，然后在缓冲层上生长InGaN层，接着通过PECVD沉积SiO2窗口层，再采用CVD法生长2D WS2，通过湿法转移的方法将Si衬底上2D WS2层转移至InGaN层上，最后通过光刻蒸镀工艺，在InGaN层以及2D WS2层上制备金属电极，实现了2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器。制备方法具有工艺简单、省时高效以及能耗低的优点，有利于规模化生产。
(2)本发明的一种2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器实现。通过2D WS2/InGaN II型异质结结构，在异质结界面处建立内建电场，电子向2DWS2层迁移，空穴向InGaN层迁移，完成光生载流子的有效分离和传输，产生更大光电流，实现了自驱动、高响应蓝光探测器结构设计及制备。
(3)本发明的一种2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器实现。通过优化探测器件的电极接触面积、种类等参数，增强电极对光生载流子的收集能力，提升蓝光波段的量子效率；在异质结界面进行界面改性，有效实现异质结构的可控性，实现高灵敏度探测。
附图说明
图1为本发明的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的结构剖面示意图；
图2为本发明的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的结构俯视图；
图3为实施例1制备的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器在无外加偏压下的光谱响应图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
具体实施例中，本发明的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光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Si衬底1、AlN/AlGaN缓冲层2、u-GaN缓冲层3、InGaN层4、SiO2窗口层5，2D WS2层6以及第一Ni/Au金属层电极7-2，第二Ni/Au金属层电极7-1；其中，Si衬底1的厚度为420～430μm；AlN/AlGaN缓冲层2包括AlN层和AlGaN层，厚度分别为250～350nm、400～600nm；u-GaN缓冲层3的厚度为1.5～2.5μm；InGaN层4厚度为120～180nm；SiO2窗口层5厚度为50～100nm；2D WS2层6厚度为2～4nm。Ni/Au金属层电极包括的厚度各为70～100nm。
本发明的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的结构俯视图如图2所示，所述SiO2窗口层5设有孔，2D WS2层6位于SiO2窗口层5孔内，且SiO2窗口层5和2D WS2层6不接触；所述第一金属电极7-2位于SiO2窗口层5外侧，且第一金属电极和SiO2窗口层不接触。
以下实施例中Si衬底层、AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层、InGaN层的长宽尺寸均为5mm×10mm；SiO2窗口层外尺寸为5mm×5mm、2D WS2层尺寸为3mm×3mm、第一金属电极尺寸为1.5mm×1.5mm、第二金属电极尺寸为1.5mm×1.5mm。
实施例1
本实施例的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先按照结构设计，用MOCVD在Si衬底上高温生长AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层，温度分别为1000℃、1000℃、900℃，所述AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层薄膜厚度分别为250nm、400nm、2μm；其次采用MOCVD生长InGaN层，温度为600℃，InGaN层厚度为120nm。
(2)按照结构设计，采用CVD技术在另一Si衬底上生长2D WS2层，2D WS2层厚度为2nm。
(3)按照异质结设计，采用PECVD法在InGaN部分区域沉积SiO2窗口层，将步骤(2)得到的的2D WS2层进行湿法转移至SiO2窗口处InGaN层上，获得2D WS2/InGaN异质结结构。
(4)按照电极设计，将步骤(3)得到的的InGaN及2D WS2光刻，首先将样品匀胶，并烘干38s，然后进行曝光8s,并显影38s，最后经过氧离子处理2.5min。(5)按照电极设计，将步骤(4)得到的InGaN及2D WS2进行蒸镀，控制蒸镀速率为0.20nm/min，先蒸镀Ni后蒸镀Au分别蒸镀80nm，在InGaN层蒸镀电极为阳极，2D WS2层蒸镀电极为阴极。取出后清洗得到2DWS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器。
(6)将步骤(5)得到的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器进行测试。
如图1所示，本实施例制备的2D WS2/InGaN异质结t光/蓝光双色光电探测器，包括Si衬底1，生长在Si衬底1上的AlN/AlGaN缓冲层2、生长在AlN/AlGaN缓冲层2上的u-GaN缓冲层3、生长在u-GaN缓冲层3上的InGaN层4，生长在InGaN层4上的SiO2窗口层5，转移至SiO2窗口处InGaN层4上的2D WS2层6，生长在InGaN层4及2D WS2层6上的Ni/Au金属层电极7。
图3为本实施例所得2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器在无外加偏压下所测得的光谱响应图。由曲线可看出，该探测器在蓝光波段拥有极高的带宽与0.82A/W高的响应度。
实施例2
本实施例的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先按照结构设计，用MOCVD在Si衬底上高温生长AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层，温度分别为1050℃、1050℃、950℃，所述AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层薄膜厚度分别300nm、400nm、3μm；其次采用MOCVD生长InGaN层，温度为800℃，InGaN层厚度为130nm。
(2)按照结构设计，采用CVD技术在另一Si衬底上生长2D WS2层，2D WS2层厚度为3nm。
(3)按照异质结设计，采用PECVD法在InGaN部分区域沉积SiO2窗口层，将步骤(2)得到的的2D WS2层进行湿法转移至SiO2窗口处InGaN层上，获得2D WS2/InGaN异质结结构。
(4)按照电极设计，将步骤(3)得到的的InGaN及2D WS2光刻，首先将样品匀胶，并烘干40s，然后进行曝光10s,并显影40s，最后经过氧离子处理3min。
(5)按照电极设计，将步骤(4)得到的InGaN及2D WS2进行蒸镀，控制蒸镀速率为0.22nm/min，先蒸镀Ni后蒸镀Au分别蒸镀90nm，在InGaN层蒸镀电极为阳极，2D WS2层蒸镀电极为阴极。取出后清洗得到2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器。
(6)将步骤(5)得到的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器进行测试。
本实施例制备的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器具有与实施例1相近的效果，在此不再赘述。
实施例3
本实施例的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先按照结构设计，用MOCVD在Si衬底上高温生长AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层，温度分别为950℃、950℃、1000℃，所述AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层薄膜厚度分别350nm、600nm、3.5μm；其次采用MOCVD生长InGaN层，温度为700℃，InGaN层厚度为150nm。
(2)按照结构设计，采用CVD技术在另一Si衬底上生长2D WS2层，2D WS2层厚度为4nm。
(3)按照异质结设计，采用PECVD法在InGaN部分区域沉积SiO2窗口层，将步骤(2)得到的的2D WS2层进行湿法转移至SiO2窗口处InGaN层上，获得2D WS2/InGaN异质结结构。
(4)按照电极设计，将步骤(3)得到的的InGaN及2D WS2光刻，首先将样品匀胶，并烘干42s，然后进行曝光12s,并显影42s，最后经过氧离子处理3.5min。
(5)按照电极设计，将步骤(4)得到的InGaN及2D WS2进行蒸镀，控制蒸镀速率为0.24nm/min，先蒸镀Ni后蒸镀Au分别蒸镀100nm，在InGaN层蒸镀电极为阳极，2D WS2层蒸镀电极为阴极。取出后清洗得到2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器。
(6)将步骤(5)得到的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器进行测试。
本实施例制备的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器具有与实施例1相近的效果，在此不再赘述。
实施例4
本实施例的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先按照结构设计，用MOCVD在Si衬底上高温生长AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层，温度分别为1025℃、975℃、925℃，所述AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层薄膜厚度分别325nm、500nm、2.5μm；其次采用MOCVD生长InGaN层，温度为650℃，InGaN层厚度为140nm。
(2)按照结构设计，采用CVD技术在另一Si衬底上生长2D WS2层，2D WS2层厚度为5nm。
(3)按照异质结设计，采用PECVD法在InGaN部分区域沉积SiO2窗口层，将步骤(2)得到的的2D WS2层进行湿法转移至SiO2窗口处InGaN层上，获得2D WS2/InGaN异质结结构。
(4)按照电极设计，将步骤(3)得到的的InGaN及2D WS2光刻，首先将样品匀胶，并烘干41s，然后进行曝光11s,并显影41s，最后经过氧离子处理2.75min。
(5)按照电极设计，将步骤(4)得到的InGaN及2D WS2进行蒸镀，控制蒸镀速率为0.23nm/min，先蒸镀Ni后蒸镀Au分别蒸镀70nm，在InGaN层蒸镀电极为阳极，2D WS2层蒸镀电极为阴极。取出后清洗得到2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器。
(6)将步骤(5)得到的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器进行测试。
本实施例制备的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器具有与实施例1相近的效果，在此不再赘述。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器，其特征在于，由下至上依次包括：Si衬底层、AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层、InGaN层；所述InGaN层上有SiO2窗口层、2D WS2层、第一金属电极；所述2D WS2层上有第二金属电极。
2.根据权利要求1所述的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器，其特征在于，所述Si衬底的厚度为420～430μm；所述AlN/AlGaN缓冲层包括AlN层和AlGaN层；所述u-GaN缓冲层的厚度为1.5～2.5μm；所述InGaN层的厚度为120～180nm；所述SiO2窗口层的厚度为50～100nm；所述2D WS2层的厚度为2～5nm。
3.根据权利要求2所述的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器，其特征在于，所述AlN层的厚度为250～350nm，所述AlGaN层的厚度为400～600nm。
4.根据权利要求1所述的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器，其特征在于，所述SiO2窗口层设有孔，2D WS2层位于SiO2窗口层孔内，且SiO2窗口层和2D WS2层不接触；所述第一金属电极位于SiO2窗口层外侧，且第一金属电极和SiO2窗口层不接触。
5.根据权利要求1所述的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器，其特征在于，所述第一金属电极和第二金属电极为Ni/Au金属层电极，所述Ni/Au金属层电极包括Ni层和Au层，所述Ni层和Au层的厚度分别为70～100nm。
6.权利要求1-5任一项所述的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用MOCVD在Si衬底上生长AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层、InGaN层；
(2)采用CVD技术在另一Si衬底上生长2D WS2层；
(3)采用PECVD法在步骤(1)所述InGaN层部分区域沉积SiO2窗口层，将步骤(2)得到的的2D WS2层进行湿法转移至InGaN层上；
(4)首先将InGaN层和步骤(3)得到的2D WS2层进行匀胶，并烘干，然后进行曝光，并显影，最后经过氧离子处理，实现光刻操作；
(5)将步骤(4)得到的InGaN层和2D WS2进行蒸镀金属电极，得到2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述AlN/AlGaN缓冲层包括AlN层和AlGaN层，所述AlN层的生长温度为1000～1100℃，所述AlGaN层的生长温度为900～1100℃；所述u-GaN缓冲层的生长温度为900～1050℃；所述InGaN层的生长温度为600～800℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述沉积SiO2窗口层的温度为150～250℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述烘干的时间为37～46s，曝光的时间为5～11s，显影的时间为37～46s，氧离子处理的时间为1.5～3min；步骤(5)所述蒸镀金属电极的速率为0.20～0.24nm/min。
10.权利要求1-5任一项所述的2D WS2/InGaN II型异质结自驱动蓝光探测器在蓝光探测中的应用。
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