CN113257933A - 硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硒化铋/氮化镓紫外‑红外宽波段探测器及其制备方法，所述探测器包括GaN衬底、Bi2Se3层和金电极，GaN衬底上生长的Bi2Se3层，GaN与Bi2Se3之间形成Bi2Se3/GaN异质结，金电极设置在GaN衬底和Bi2Se3层上，具体制备方法如下：一、在蓝宝石衬底上利用CVD技术生长Bi2Se3层；二、利用磁控溅射技术在GaN衬底和Bi2Se3层表面沉积Au电极，得到Bi2Se3/GaN紫外‑红外宽波段探测器。本发明实现了200~4000nm超宽光谱的光电探测器，利用Bi2Se3/GaN异质结单一结构，实现宽光谱探测。与紫外、红外多个器件叠加实现紫外‑红外探测相比，器件结构简单，降低了系统的体积、功耗和成本。
Description
技术领域
本发明属于光电成像探测技术领域，涉及一种紫外-红外宽波段探测探测器及其制备方法，具体涉及一种基于硒化铋（Bi2Se3）/氮化镓（GaN）异质结红外-紫外宽波段探测器及其制备方法。
背景技术
作为现代科技信息化的核心器件，光电探测器是基于光电效应将光信号转换为电信号从而实现对光辐射进行测量的器件，按其探测波段可分为紫外探测器、可见光探测器、红外探测器等。随着现代信息化对光电子元件的要求日益升高，光电探测器要在复杂背景和强干扰下，准确地探测目标信息，单一红外、紫外探测器的固有弱点和局限性愈发明显，光电探测技术正朝着超灵敏、高分辨、超宽光谱（紫外日盲-中长波红外）的方向发展。高灵敏、宽光谱探测成像器件可广泛应用于对地遥感、医疗防疫、通信、石油勘探、边防监控、烟火预警、智慧城市、宇宙探索、导弹制导预警等军事和民用领域。
商业化光电探测器主要以传统半导体材料（Si、III-V族、II-VI族等化合物半导体）为主。其中III-V族半导体材料GaN具有高载流子迁移率和稳定的物理化学性能，是目前商用高性能紫外探测器的首选材料。但受光电探测材料带隙限制，GaN材料的光电探测能力往往只能覆盖紫外区域，难以实现紫外-红外宽波段探测。如何设计材料结构，将GaN探测波段别向红外区域拓展，以便制备实用型低成本、高灵敏、宽光谱探测成像器件，成为新材料领域亟待解决的问题。
Bi2Se3作为新型拓扑绝缘体材料，在红外光探测方面具有优异的性能，如可调谐表面带隙、极化敏感光电流、与厚度大小有关的光学吸收。这些特殊的属性使Bi2Se3成为高性能的红外探测器的潜在材料。但是二维拓扑绝缘体Bi2Se3厚度较薄，光吸收较弱，难以实现高红外响应。
发明内容
为了解决GaN基材料受带隙所限难以实现高性能宽波段探测材料结构，本发明提供了一种在200nm~3.5μm处有明显光致发光峰的硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器，包括GaN衬底、Bi2Se3层和金电极，GaN衬底上生长的Bi2Se3层，GaN与Bi2Se3之间形成Bi2Se3/GaN异质结，金电极设置在GaN衬底和Bi2Se3层上。
本发明中，所述GaN衬底作为紫外吸收层，厚度在2~4μm左右。
本发明中，所述Bi2Se3层的厚度为2~3单原子层（0.9nm）。
本发明中，所述金电极分为顶电极和底电极，顶电极设置在Bi2Se3层上，底电极设置在GaN衬底上，顶电极和底电极连线垂直于Bi2Se3层和GaN衬底交界面，电极之间间距2mm，顶电极距交界面1mm，底电极距交界面1mm。
本发明中，所述金电极厚度为5μm。
本发明中，所述探测器为紫外-红外宽波段探测器，具体工作原理为：紫外波段，探测器利用GaN材料吸收紫外波段的光辐射，利用GaN的光电导效应实现器件紫外区域响应；红外区域，利用二维Bi2Se3层实现器件在红外区域的响应，与此同时，GaN和二维Bi2Se3层构成异质结时，由于表面电荷迁移会形成内建电场，内建电场可以增强探测器在红外区域的响应。
一种上述硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器的制备方法，采用CVD制备异质结，即：利用CVD技术在GaN衬底上生长2~3单原子层的Bi2Se3层，具体包括如下步骤：
步骤一、在蓝宝石衬底上利用CVD技术生长Bi2Se3层，其中：Bi2Se3层的厚度为2~3单原子层，CVD工艺如下：（1）使用Bi2O3粉末作为Bi源，Se粒作Se源，100~300sccm氩气、10~30sccm氢气作为生长载气，生长设备使用双温区管式炉，将Bi2Se3放置在高温区，升温至600~800℃；（2）将Se放置在低温区，升温至200~400℃；（3）采用化学气相沉积法在GaN衬底上生长Bi2Se3薄膜，控制生长时间为1~3小时；
步骤二、利用磁控溅射技术在GaN衬底和Bi2Se3层表面沉积Au电极，得到Bi2Se3/GaN紫外-红外宽波段探测器，控制磁控溅射的功率为30~50W，压强为0.5~1.0 Pa，氩气流量为20~40sccm，溅射时间为1~2 min。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明将GaN与多层Bi2Se3相结合，构建复合结构的光电探测器，不但可以实现两种材料的优势互补，还衍生出以下优点：（1）体材料作为吸收层能有效增强Bi2Se3材料的吸收；（2）Bi2Se3与GaN构成异质时，会发生电子的转移，从而导致体材料能带在交界面处发生弯曲，形成内建电场，而内建电场的产生大大提高了器件对光生电子空穴对的分离能力，可使器件表现出优异的响应率和响应速度；（3）光生载流子在范德瓦尔斯异质结子带间的跃迁可以将材料探测截止波长拓展到红外波段，有利于实现宽波段探测。
2、本发明实现了200~4000nm超宽光谱的光电探测器，利用Bi2Se3/GaN异质结单一结构，实现宽光谱探测。与目前为实现宽光谱探测广泛采用的紫外、红外多个器件叠加实现紫外-红外探测相比，器件结构简单，降低了系统的体积、功耗和成本。
3、本发明利用异质结界面形成的内建电场增强器件的灵敏度和响应度。
附图说明
图1为CVD生长Bi2Se3拉曼光谱图；
图2为异质结吸收光谱（200~900nm）；
图3为异质结光致发光谱（200~900nm）；
图4为异质结的红外光谱；
图5为器件结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种低成本Bi2Se3/GaN紫外-红外宽波段探测器，器件结构图如图5所示，在2μm厚商业GaN衬底上，利用CVD技术生长2~3单原子层的Bi2Se3层，GaN与Bi2Se3之间形成Bi2Se3/GaN异质结，再在GaN衬底和Bi2Se3层上分别蒸镀50μm厚金电极，制备宽波段探测器，其中：金电极分为顶电极和底电极，顶电极设置在Bi2Se3层上，底电极设置在GaN层上，顶电极和底电极连线垂直于Bi2Se3层和GaN层交界面，电极之间间距为2mm，顶电极距交界面1mm，底电极距交界面1mm。具体制备步骤如下：
步骤一、使用0.1克99.995% Bi2O3粉末作为Bi源，使用1g 99.9999%纯度Se粒作Se源，使用200sccm氩气、15sccm氢气作为生长载气，生长设备使用双温区管式炉，将Bi2Se3放置在高温区升温至700℃，Se放置在低温区升温至300℃，蓝宝石放置在Bi2Se3下方向5cm处，此处温度约为500℃，生长2小时，在GaN上生长Bi2Se3薄膜；
步骤二、利用磁控溅射技术（溅射功率40W，压强0.7 Pa，氩气流量30sccm，溅射时间1.5 min）在GaN衬底和Bi2Se3层表面分别沉积50μm厚Au电极，得到Bi2Se3/GaN紫外-红外宽波段探测器，其中：Bi2Se3层为1cm×1cm正方形，GaN衬底上电极位置为距Bi2Se3边1mm位置，Bi2Se3上电极位置与GaN上电极相距2mm，两电极连线与Bi2Se3边垂直。
CVD生长的Bi2Se3的拉曼光谱如图1所示。图中在71.8 cm-1、174.3 cm-1和132.1cm-1波数处的三个峰峰分别为Bi2Se3的A11g、A21g、 E2g 声子峰。
异质结吸收光谱如图2所示，图中可以看出样品在200~900nm处有明显的吸收峰。异质结200~900nm光致发光谱如图3所示，图中可以看出450nm处的发光峰为商业GaN衬底的发光峰，550~750 nm处发光峰为Bi2Se3的发光峰。异质结的红外波段发光光谱如图4所示，图中可以看出样品在4μm处有明显的光致发光峰。综合图2~图4的结果，样品在200~4000nm 紫外-红外波段有明显的光谱信号。
Claims (9)
1.一种硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器，其特征在于所述探测器包括GaN衬底、Bi2Se3层和金电极，GaN衬底上生长的Bi2Se3层，GaN与Bi2Se3之间形成Bi2Se3/GaN异质结，金电极设置在GaN衬底和Bi2Se3层上。
2.根据权利要求1所述的硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器，其特征在于所述GaN衬底的厚度在2~4μm。
3.根据权利要求1所述的硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器，其特征在于所述Bi2Se3层的厚度为2~3单原子层。
4.根据权利要求1所述的硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器，其特征在于所述金电极分为顶电极和底电极，顶电极设置在Bi2Se3层上，底电极设置在GaN衬底上。
5.根据权利要求4所述的硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器，其特征在于顶电极和底电极连线垂直于Bi2Se3层和GaN衬底交界面，电极之间间距2mm，顶电极距交界面1mm，底电极距交界面1mm。
6.根据权利要求1所述的硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器，其特征在于所述金电极厚度为5μm。
7.一种权利要求1-6任一项所述硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、在蓝宝石衬底上利用CVD技术生长Bi2Se3层；
步骤二、利用磁控溅射技术在GaN衬底和Bi2Se3层表面沉积Au电极，得到Bi2Se3/GaN紫外-红外宽波段探测器。
8.根据权利要求7所述的硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器的制备方法，其特征在于所述步骤一中，CVD工艺如下：（1）使用Bi2O3粉末作为Bi源，Se粒作Se源，100~300sccm氩气、10~30sccm氢气作为生长载气，生长设备使用双温区管式炉，将Bi2Se3放置在高温区，升温至600~800℃；（2）将Se放置在低温区，升温至200~400℃；（3）采用化学气相沉积法在GaN衬底上生长Bi2Se3薄膜，控制生长时间为1~3小时。
9.根据权利要求7所述的硒化铋/氮化镓紫外-红外宽波段探测器的制备方法，其特征在于所述步骤二中磁控溅射的功率为30~50W，压强为0.5~1.0 Pa，氩气流量为20~40sccm，溅射时间为1~2 min。
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| Title |
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| SWANAND V. SOLANKE等: "UV/Near-IR dual band photodetector based on p-GaN/α-In2Se3 heterojunction", 《SENSORS AND ACTUATORS A: PHYSICAL》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112490305A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-03-12 | 天津津航技术物理研究所 | 一种可见-紫外双色探测器 |
| CN112490305B (zh) * | 2020-11-25 | 2022-04-01 | 天津津航技术物理研究所 | 一种可见-紫外双色探测器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113257933B (zh) | 2023-08-29 |
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