CN210092100U - 一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器。所述紫外探测器包括由下至上的衬底、石墨烯模板层、AlGaN纳米柱、与AlGaN纳米柱间形成肖特基接触的Ni第一金属层和Au第二金属层，还包括填充AlGaN纳米柱中的Si₃N₄绝缘层，且Ni第一金属层和Au第二金属层作为电极材料组成叉指电极。本实用新型的紫外探测器对UVA‑C紫外光具有十分高的灵敏探测，可应用于紫外导弹制导、明火探测和太阳照度检测等领域，经济效益可观。

Description

一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器

技术领域

本实用新型涉及紫外探测器的技术领域，特别涉及一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器。

背景技术

紫外探测技术因具有良好的日盲特性、非视线通讯、低窃听率和没有背景信号干扰等优点，在军事和民用等方面应用广泛。在军事上，主要应用于紫外通讯、用于导弹制导、导弹预警、紫外分析和生化分析等领域。在民用上，主要应用于环境检测、生物医药分析、臭氧检测、明火探测和太阳照度检测等方面。目前，实现产业化广泛应用的主要是Si基光电二极管紫外探测器，但由于Si的探测区域包括可见光，只有装了滤光系统后才能实现对紫外光的探测，增加了体积和成本。另外，Si对紫外光的吸收能力很强，抗辐射能力弱，这限制了紫外探测器的发展。

第三代宽带隙半导体材料（包含 GaN、AlN、InN以及三、四元化合物），因其具有禁带宽度大、电子迁移速率快、热稳定性好和抗辐射能力强等特性使其十分适合于制作频率高、功率大、集成度高和抗辐射的电子器件，在发光二极管、紫外探测器件和太阳能电池等许多领域得到广泛应用。AlGaN材料具有宽禁带、直接带隙，其能够通过调节合金的组分，实现禁带宽度从3.4 eV到6.2 eV的连续可调，相当于截止波长为200 nm到365 nm，具有可见光盲和日盲特性，这个特性使它能在可见光和日光的干扰下也探测到紫外的信号，无需滤光系统和做成浅结，是制备紫外探测器的理想材料。AlGaN基紫外探测器虽然取得了一定的突破，但是远没有达到商业应用的程度，制约AlGaN基紫外探测器发展的主要因素为：异质外延的GaN/AlGaN薄膜位错密度高、翘曲大以及容易龟裂，使得器件制备困难。一维AlGaN纳米结构相能够很好的克服传统AlGaN薄膜的缺点。具体表现为: (1) 异质外延一维AlGaN纳米材料的晶体质量是优于薄膜的，因为一维纳米结构的比表面积大，能够有效减少穿透到纳米棒顶端的位错，有助于减少缺陷，提高晶体质量；(2) 一维AlGaN纳米结构在很大程度上増加了材料的侧壁面积，从而增加了光子逃逸/吸收角度，有效的提高了光发射/吸收。

CVD法是一维AlGaN纳米材料合成的一种常用方法。相比于MOCVD、MBE、PLD、HVPE等方法，MBE法生长速率很低、PLD法大尺寸生长困难、HVPE法控制精度低，CVD法具有生长速率较高、成本低廉、操作简单等优势，适合大规模产业化。然而，目前CVD法制备的一维纳米材料都要基于催化剂辅助VLS生长法或模板选区生长法。其中，1）催化剂辅助VLS生长法需要使用金属纳米颗粒作为催化，在生长过程中，纳米柱的往往取向不同，倾向于扭曲、倾斜和分枝；2）模板选区生长法通常需要采用一系列极其复杂和昂贵的技术，如电子束曝光和聚焦离子束磨等，才能制备出有序排列和直立生长的纳米柱阵列，导致高成本和低效率。如何高效低成本制备出取向好，均匀性排列的一维AlGaN纳米柱阵列是目前的难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器。该紫外探测器具有暗电流小以及光响应度高的特点。

本实用新型的目的至少通过如下之一技术方案实现。

一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，包括由下至上的衬底、石墨烯模板层、AlGaN纳米柱、与AlGaN纳米柱间形成肖特基接触的Ni第一金属层和Au第二金属层叉指电极，还包括填充AlGaN纳米柱的Si₃N₄绝缘层，且Ni第一金属层和Au第二金属层作为电极材料组成叉指电极。

进一步地，所述衬底的厚度为420~430 μm。

进一步地，所述衬底为蓝宝石、Si或La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底。

进一步地，所述石墨烯模板层的层数为1~3层，厚度为3~5 nm。

进一步地，所述AlGaN纳米柱长度为300~500 nm，直径为100~200 nm。

进一步地，所述Ni第一金属层的厚度为40~50 nm。

进一步地，所述Au第二金属层的厚度为100~150 nm。

进一步地，所述叉指电极的长度为280~340 μm，宽度为10~15 μm，电极间距为10~15 μm，对数为12~20对。

上述基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：

（1）清洗衬底除去表面残余污染物和氧化物后，在衬底表面生长出石墨烯层，形成衬底/石墨烯结构，由于石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此可以作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层；

（2）在衬底/石墨烯结构上生长得到AlGaN纳米柱，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构；

（3）在衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构上生长Si₃N₄绝缘层填充AlGaN纳米柱之间的空隙，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构；

（4）对衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构进行清洗处理，再进行光刻处理后，利用电子束蒸发镀膜系统在所述绝缘层结构表面上依次蒸镀Ni和Au两层金属层作为电极，去胶，得到与AlGaN纳米柱层肖特基接触的Ni/Au金属叉指电极，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构，并进行热退火处理；

（5）将衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构进行电镀压焊点、减薄、划片以及引线键合，再进行封装，得到所述紫外探测器。

进一步地，步骤（1）中，所述清洗为：采用6~10wt％的HF水溶液超声清洗8~10 min，去除表面的残留杂质物，再依次用丙酮以及无水乙醇分别超声清洗8~10 min 和3~5 min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗3~5 min，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（1）中，采用PECVD生长石墨烯层，其工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1~2×10^-4 Pa，衬底加热至950~1000 ℃，停下分子泵然后向腔体内通入H₂和CH₄，流量分别为80~150 sccm和20~30 sccm，压力维持为30~100 Pa，沉积过程中射频等离子体功率保持在200 ~300 W，沉积结束后衬底在Ar气气氛下冷却至室温，沉积的石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层。

进一步地，步骤（2）中，所述PECVD生长AlGaN纳米柱的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1~2×10^-4 Pa，衬底/石墨烯结构加热至850~950 ℃，采用Al粉和Ga球作为AlGaN材料的Al源和Ga源，将Al粉加热至1000~1100 ℃；将Ga球加热至850~950 ℃；然后停下分子泵然后向腔体内通入N₂和H₂作为载气，流量分别为60~100 sccm和20~30 sccm，通入NH₃作为反应气体，流量为20~30 sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在150 ~250 W，反应室内压力维持为50~100 Pa下沉积形成AlGaN纳米柱，沉积结束后衬底在N₂气气氛下冷却至室温。

更进一步地，通过控制源区不同的加热蒸发温度控制AlGaN的Al组分的摩尔分数从0~1可调，实现Al_xGa_(1-x)N（0<x<1），禁带宽度从3.4 eV到6.2 eV连续可调。

进一步地，步骤（3）中，通过PECVD生长Si₃N₄绝缘填充层，工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1~2×10^-4 Pa，衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构加热至450~550 ℃，然后停下分子泵然后向腔体内通入SiH₄和NH₃，流量分别为20~30 sccm和100~150 sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在250 ~300 W，反应室内压力维持为40~90Pa下沉积Si₃N₄绝缘填充层。

进一步地，步骤（4）中，所述清洗处理为：先依次用丙酮以及酒精分别超声清洗8~10 min 和3~5 min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗3~5 min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（4）中，所述光刻处理为：先涂覆增粘剂HMDS以增强硅片与光刻胶的黏附性，再利用匀胶机旋涂负性光刻胶40~60 s，经前烘、曝光、后烘、显影、坚膜，以及采用O₂等离子体进行反应离子刻蚀处理2~4 min，清洗，最后热氮气烘干5~10 min。

更进一步地，所述前烘是在烘箱中进行65~75℃加热处理5~8 min。

更进一步地，所述曝光是将前烘处理后的样品和光刻掩膜版同时放置在光刻机上，然后紫外光源照射5~7 s。

更进一步地，所述后烘是在烘箱中进行85~95℃加热处理2~3 min。

更进一步地，所述显影是将后烘处理后的样品放入6~8 wt%的四丁基铵氢氧化物水溶液显影液中溶解60~100 s。

更进一步地，所述坚膜是在烘箱中进行55~75 ℃加热处理6~8 min。

更进一步地，所述清洗是使用去离子水超声清洗3~5 min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（4）中，所述电子束蒸发镀电极工艺为：将清洗好吹干的所述绝缘层结构放入电子束蒸发镀膜系统中，机械泵和分子泵抽真空至5.0~6.0×10^-4 Pa后，开始蒸镀金属电极，金属蒸发速率控制为2.0~3.0 Å/s，样品盘转速为10~20 r/min。

进一步地，步骤（4）中，所述去胶是在丙酮中浸泡20~25 min后超声处理1~3 min，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的叉指电极图案。

由于完整晶格的石墨烯表面是饱和悬挂键的不易吸附原子，而天然石墨烯表面存在缺陷（纳米尺度）的地方是存在悬挂键的，这就提供了一个天然的纳米空隙模板为生长一维AlGaN纳米柱阵列，所以使用二维石墨烯作为这种一维纳米阵列结构外延生长的种子层模板；同时，石墨烯导电性极好，提高光电器件的载流子运输。此外，MSM型紫外探测器相对于其他类型的紫外探测器例如PIN型，雪崩型紫外探测器，因具有结构简单、响应速度快、光响应度高等诸多优点，得到了越来越广泛的应用。

与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

（1）本实用新型的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器中采用了AlGaN纳米柱材料作为有源层材料，因为AlGaN材料的禁带宽度可根据Al组分的不同从3.4eV到6.2 eV连续可调，因而可对波长为200 nm到365 nm的光进行有效探测，具有良好的日盲特性；

（2）本实用新型的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器中利用了一维纳米柱材料巨大的比表面积和量子限域性，提高了光生载流子的密度和传输时间，获得高灵敏和超快速光响应；

（3）本实用新型的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器可实现对UVA-C紫外光的高灵敏探测，可应用于紫外导弹制导、明火探测和太阳照度检测等领域，经济效益可观。

附图说明

图1为本实用新型的紫外探测器的结构剖面示意图；

图2为本实用新型的紫外探测器的电极结构俯视示意图；

图3为实施例1制备的Al组分为0.02的基于石墨烯模板上Al_0.02Ga_0.98N纳米柱基MSM型紫外探测器的电流随外加偏压变化曲线图；

图4为实施例2制备的Al组分为0.3的基于石墨烯模板上Al_0.3Ga_0.7N纳米柱基MSM型紫外探测器的电流随外加偏压变化曲线图；

图5为实施例3制备的Al组分为0.98的基于石墨烯模板上Al_0.98Ga_0.02N纳米柱基MSM型紫外探测器的电流随外加偏压变化曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本实用新型的技术方案作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式及保护范围不限于此。

下述实施例中， PECVD（Tianjin Zhonghuan Furnace Co., Ltd）。

具体实施例中，本实用新型的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的结构剖面示意图如图1所示，由下至上，依次包括衬底1、石墨烯模板层2、AlGaN纳米柱3、与AlGaN纳米柱间形成肖特基接触的Ni第一金属层5和Au第二金属层6，还包括填充AlGaN纳米柱的Si₃N₄绝缘层4, Ni第一金属层5和Au第二金属层6作为电极材料组成叉指电极。

其中，衬底1的厚度为420~430 μm；石墨烯模板层2的层数为1~3层，厚度为3~5 nm；AlGaN纳米柱3的长度为300~500 nm，直径为100~200 nm；Ni第一金属层和Au第二金属层为Ni和Au由下至上依次层叠的金属层叉指电极，其中，Ni第一金属层5和Au第二金属层6的厚度分别为40~50 nm和100~150 nm，金属叉指电极的长度为280~340 μm，宽度为10~15 μm，电极间距为10~15 μm，对数为12~20对。

实施例1

一种Al组分含量为0.02的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的制备（纳米柱为Al_0.02Ga_0.98N），具体包括以下步骤：

（1）对Si(111)衬底进行清洗，除去表面残余污染物和氧化物后，置于等离子增强化学气相沉积设备中，在衬底表面生长出石墨烯层，形成衬底/石墨烯结构，由于石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此可以作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层；

（2）在衬底/石墨烯结构上再利用PECVD法直接生长得到AlGaN纳米柱，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构；

（3）在衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构上再利用PECVD法直接生长Si₃N₄绝缘层填充AlGaN纳米柱之间的空隙，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构；

（4）对衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构进行清洗处理，再进行光刻处理后，利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上依次蒸镀Ni和Au两层金属层作为电极，去胶，得到与AlGaN层肖特基接触的Ni/Au金属叉指电极，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构，并转移至退火炉中进行热退火处理；

（5）将衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构进行电镀压焊点、减薄、划片以及引线键合，再进行封装，得到所述紫外探测器。

进一步地，步骤（1）中，所述清洗为：采用6 wt％的HF水溶液超声清洗10 min，去除表面的残留杂质物，再依次用丙酮以及无水乙醇分别超声清洗8 min 和5 min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗3 min，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（1）中，所述PECVD生长石墨烯层的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1.0×10^-4 Pa，衬底加热至950 ℃，停下分子泵然后向腔体内通入H₂和CH₄，流量分别为150 sccm和30 sccm，压力维持为100 Pa，沉积过程中射频等离子体功率保持在200 W，沉积结束后衬底在Ar气气氛下冷却至室温，沉积的石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层；

进一步地，步骤（2）中，所述PECVD生长AlGaN纳米柱的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1×10^-4 Pa，衬底/石墨烯结构加热至950 ℃，采用Al粉和Ga球作为AlGaN材料的Ga源和Al源。然后停下分子泵然后向腔体内通入N₂和H₂作为载气，流量分别为60 sccm和20 sccm，通入NH₃作为反应气体，流量为20 sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在250 W，反应室内压力维持为50 Pa下沉积形成AlGaN纳米柱。沉积结束后衬底在N₂气气氛下冷却至室温。

更进一步地，所述Al粉和Ga球源区的加热温度分别为1000 ℃和950 ℃，实现了Al组分为0.02的Al_0.02Ga_0.98N纳米柱，其禁带宽度为3.46 eV。

进一步地，步骤（3）中，所述PECVD生长Si₃N₄绝缘填充层工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1.0×10^-4 Pa，衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构加热至550 ℃，然后停下分子泵然后向腔体内通入SiH₄和NH₃，流量分别为20 sccm和100 sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在250 W，反应室内压力维持为40 Pa下沉积Si₃N₄绝缘填充层。

进一步地，步骤（4）中，所述清洗处理为：先依次用丙酮以及酒精分别超声清洗10min 和5 min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗3 min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（4）中，所述光刻处理为：先涂覆增粘剂HMDS以增强硅片与光刻胶的黏附性，再利用匀胶机旋涂负性光刻胶40 s，经前烘、曝光、后烘、显影、坚膜，以及采用O₂等离子体进行反应离子刻蚀处理4 min，清洗，最后热氮气烘干5 min。

更进一步地，所述前烘是在烘箱中进行75℃加热处理5 min。

更进一步地，所述曝光是将前烘处理后的样品和光刻掩膜版同时放置在光刻机上，然后紫外光源照射5 s。

更进一步地，所述后烘是在烘箱中进行85 ℃加热处理3 min。

更进一步地，所述显影是将后烘处理后的样品放入6 wt%的四丁基铵氢氧化物水溶液显影液中溶解60 s。

更进一步地，所述坚膜是在烘箱中进行75 ℃加热处理6 min。

更进一步地，所述清洗是使用去离子水超声清洗5 min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（4）中，所述电子束蒸发镀电极工艺为：将清洗好吹干的样品放入电子书蒸发镀膜系统中，机械泵和分子泵抽真空至6.0×10^-4 Pa后，开始蒸镀金属电极，金属蒸发速率控制为2.0 Å/s，样品盘转速为20 r/min

进一步地，步骤（4）中，所述去胶是在丙酮中浸泡20 min后超声处理3 min，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的叉指电极图案。

所制备的Al组分为0.02的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的结构剖面示意图参见图1，其中，Si(111)衬底1的厚度为420 μm；石墨烯模板层2的层数为1层，厚度为3 nm；AlGaN纳米柱3的长度为500 nm，直径为100 nm；Ni第一金属层和Au第二金属层叉指电极为Ni和Au由下至上依次层叠的金属层叉指电极，其中，Ni第一金属层5和Au第二金属层6的厚度分别为50 nm和150 nm，金属叉指电极的长度为340 μm，宽度为15 μm，电极间距为10 μm，对数为14对，其俯视面示意图见图2。

所制备的Al组分为0.02的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的电流随外加偏压变化的曲线图如图3所示，电流随着外加偏压的增大而增大，而且图像在正负压区域有很好的对称性，表明形成了良好的肖特基接触。在1 V偏压下，暗电流仅为3.5nA，说明制备的光电探测器具有良好的暗电流特性，在365 nm光照射下，电流显著增大（~μA），表明对UVA紫外光具有十分灵敏的探测效果。

实施例2

一种Al组分为0.3的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的制备（纳米柱为Al_0.3Ga_0.7N），具体包括以下步骤：

（1）对蓝宝石衬底进行清洗，除去表面残余污染物和氧化物后，置于等离子增强化学气相沉积（PECVD）设备中，在衬底表面生长出石墨烯层，形成衬底/石墨烯结构，由于石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此可以作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层；

（2）在衬底/石墨烯结构上再利用PECVD法直接生长得到AlGaN纳米柱，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构；

（3）在衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构上再利用PECVD法直接生长Si₃N₄绝缘层填充AlGaN纳米柱之间的空隙，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构；

（4）对衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构进行清洗处理，再进行光刻处理后，利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上依次蒸镀Ni和Au两层金属层作为电极，去胶，得到与AlGaN层肖特基接触的Ni/Au金属叉指电极，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构，并转移至退火炉中进行热退火处理；

（5）将衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构进行电镀压焊点、减薄、划片以及引线键合，再进行封装，得到所述紫外探测器。

进一步地，步骤（1）中，所述清洗为：采用8 wt％的HF水溶液超声清洗9 min，去除表面的残留杂质物，再依次用丙酮以及无水乙醇分别超声清洗10 min 和4 min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗5 min，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（1）中，所述PECVD生长石墨烯层的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为2×10^-4 Pa，衬底加热至1000 ℃，停下分子泵然后向腔体内通入H₂和CH₄，流量分别为120 sccm和25 sccm，压力维持为70 Pa，沉积过程中射频等离子体功率保持在300 W，沉积结束后衬底在Ar气气氛下冷却至室温，沉积的石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层；

进一步地，步骤（2）中，所述PECVD生长AlGaN纳米柱的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1.5×10^-4 Pa，衬底/石墨烯结构加热至900 ℃，采用Al粉和Ga球作为AlGaN材料的Al源和Ga源。然后停下分子泵然后向腔体内通入N₂和H₂作为载气，流量分别为80 sccm和25 sccm，通入NH₃作为反应气体，流量为22 sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在150 W，反应室内压力维持为75 Pa下沉积形成AlGaN纳米柱。沉积结束后衬底在N₂气气氛下冷却至室温。

更进一步地，所述Al粉和Ga球源区的加热温度分别为1050 ℃和930 ℃，实现了AlGaN的Al组分为0.3，禁带宽度为4.20 eV左右。

进一步地，步骤（3）中，所述PECVD生长Si₃N₄绝缘填充层工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为2×10^-4 Pa，衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构加热至500 ℃，然后停下分子泵然后向腔体内通入SiH₄和NH₃，流量分别为30 sccm和150 sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在280 W，反应室内压力维持为90 Pa下沉积Si₃N₄绝缘填充层。

进一步地，步骤（4）中，所述清洗处理为：先依次用丙酮以及酒精分别超声清洗8min 和4 min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗5 min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（4）中，所述光刻处理为：先涂覆增粘剂HMDS以增强硅片与光刻胶的黏附性，再利用匀胶机旋涂负性光刻胶50 s，经前烘、曝光、后烘、显影、坚膜，以及采用O₂等离子体进行反应离子刻蚀处理3 min，清洗，最后热氮气烘干10 min。

更进一步地，所述前烘是在烘箱中进行70℃加热处理8 min。

更进一步地，所述曝光是将前烘处理后的样品和光刻掩膜版同时放置在光刻机上，然后紫外光源照射7 s。

更进一步地，所述后烘是在烘箱中进行95 ℃加热处理2.5 min。

更进一步地，所述显影是将后烘处理后的样品放入8 wt%的四丁基铵氢氧化物水溶液显影液中溶解80 s。

更进一步地，所述坚膜是在烘箱中进行55 ℃加热处理8 min。

更进一步地，所述清洗是使用去离子水超声清洗3 min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（4）中，所述电子束蒸发镀电极工艺为：将清洗好吹干的样品放入电子书蒸发镀膜系统中，机械泵和分子泵抽真空至5.5×10^-4 Pa后，开始蒸镀金属电极，金属蒸发速率控制为3.0 Å/s，样品盘转速为10 r/min

进一步地，步骤（4）中，所述去胶是在丙酮中浸泡25 min后超声处理2 min，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的叉指电极图案。

所制备的Al组分为0.3的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的结构剖面示意图参见图1，其中，Si(111)衬底1的厚度为430 μm；石墨烯模板层2的层数为3层，厚度为5 nm；AlGaN纳米柱3的长度为300 nm，直径为200 nm；Ni第一金属层和Au第二金属层叉指电极为Ni和Au由下至上依次层叠的金属层叉指电极，其中，Ni第一金属层5和Au第二金属层6的厚度分别为40 nm和100 nm，金属叉指电极的长度为280 μm，宽度为10 μm，电极间距为15 μm，对数为12对。

所制备的Al组分为0.3的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的电流随外加偏压变化的曲线图如图4所示，电流随着外加偏压的增大而增大，而且图像在正负压区域有很好的对称性，表明形成了良好的肖特基接触。在1 V偏压下，暗电流仅为8.8 nA，说明制备的光电探测器具有良好的暗电流特性，在295 nm光照射下，电流显著增大（~μA），表明对UVB紫外光的具有十分灵敏的探测效果。

实施例3

一种Al组分为0.98的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的制备（纳米柱为Al_0.98Ga_0.02N），具体包括以下步骤：

（1）对La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底进行清洗，除去表面残余污染物和氧化物后，置于等离子增强化学气相沉积（PECVD）设备中，在衬底表面生长出石墨烯层，形成衬底/石墨烯结构，由于石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此可以作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层；

（2）在衬底/石墨烯结构上再利用PECVD法直接生长得到AlGaN纳米柱，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构；

（3）在衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构上再利用PECVD法直接生长Si₃N₄绝缘层填充AlGaN纳米柱之间的空隙，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构；

（4）对衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构进行清洗处理，再进行光刻处理后，利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上依次蒸镀Ni和Au两层金属层作为电极，去胶，得到与AlGaN层肖特基接触的Ni/Au金属叉指电极，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构，并转移至退火炉中进行热退火处理；

（5）将衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si₃N₄绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构进行电镀压焊点、减薄、划片以及引线键合，再进行封装，得到所述紫外探测器。

进一步地，步骤（1）中，所述清洗为：采用10 wt％的HF水溶液超声清洗8 min，去除表面的残留杂质物，再依次用丙酮以及无水乙醇分别超声清洗9 min 和3 min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗4 min，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（1）中，所述PECVD生长石墨烯层的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1.5×10^-4 Pa，衬底加热至980 ℃，停下分子泵然后向腔体内通入H₂和CH₄，流量分别为80 sccm和20 sccm，压力维持为30 Pa，沉积过程中射频等离子体功率保持在250 W，沉积结束后衬底在Ar气气氛下冷却至室温，沉积的石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层；

进一步地，步骤（2）中，所述PECVD生长AlGaN纳米柱的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为2×10^-4 Pa，衬底/石墨烯结构加热至850 ℃，采用Al粉和Ga球作为AlGaN材料的Al源和Ga源。然后停下分子泵然后向腔体内通入N₂和H₂作为载气，流量分别为100 sccm和30 sccm，通入NH₃作为反应气体，流量为30 sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在200 W，反应室内压力维持为100 Pa下沉积形成AlGaN纳米柱。沉积结束后衬底在N₂气气氛下冷却至室温。

更进一步地，所述Al粉和Ga球源区的加热温度分别为1100 ℃和850 ℃，实现了AlGaN纳米柱的Al组分为0.98，Al_0.98Ga_0.02N禁带宽度为6.14 eV。

进一步地，步骤（3）中，所述PECVD生长Si₃N₄绝缘填充层工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1.5×10^-4 Pa，衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构加热至450 ℃，然后停下分子泵然后向腔体内通入SiH₄和NH₃，流量分别为25 sccm和130 sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在300 W，反应室内压力维持为80 Pa下沉积Si₃N₄绝缘填充层。

进一步地，步骤（4）中，所述清洗处理为：先依次用丙酮以及酒精分别超声清洗9min 和3 min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗4 min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（4）中，所述光刻处理为：先涂覆增粘剂HMDS以增强硅片与光刻胶的黏附性，再利用匀胶机旋涂负性光刻胶60 s，经前烘、曝光、后烘、显影、坚膜，以及采用O₂等离子体进行反应离子刻蚀处理2 min，清洗，最后热氮气烘干8 min。

更进一步地，所述前烘是在烘箱中进行65 ℃加热处理6 min。

更进一步地，所述曝光是将前烘处理后的样品和光刻掩膜版同时放置在光刻机上，然后紫外光源照射6.5 s。

更进一步地，所述后烘是在烘箱中进行90℃加热处理2 min。

更进一步地，所述显影是将后烘处理后的样品放入7 wt%的四丁基铵氢氧化物水溶液显影液中溶解100 s。

更进一步地，所述坚膜是在烘箱中进行65 ℃加热处理7 min。

更进一步地，所述清洗是使用去离子水超声清洗4 min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽。

进一步地，步骤（4）中，所述电子束蒸发镀电极工艺为：将清洗好吹干的样品放入电子书蒸发镀膜系统中，机械泵和分子泵抽真空至5.0×10^-4 Pa后，开始蒸镀金属电极，金属蒸发速率控制为2.5 Å/s，样品盘转速为12 r/min

进一步地，步骤（4）中，所述去胶是在丙酮中浸泡22 min后超声处理1 min，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的叉指电极图案。

所制备的Al组分为0.98的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的结构剖面示意图参见图1，其中，Si(111)衬底1的厚度为425 μm；石墨烯模板层2的层数为2层，厚度为4 nm；AlGaN纳米柱3的长度为400 nm，直径为150 nm；Ni第一金属层和Au第二金属层叉指电极为Ni和Au由下至上依次层叠的金属层叉指电极，其中，Ni第一金属层5和Au第二金属层6的厚度分别为45 nm和120 nm，金属叉指电极的长度为320 μm，宽度为12 μm，电极间距为12 μm，对数为20对。

所制备的Al组分为0.98的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的电流随外加偏压变化的曲线图如图5所示，电流随着外加偏压的增大而增大，而且图像在正负压区域有很好的对称性，表明形成了良好的肖特基接触。在1 V偏压下，暗电流仅为16.4nA，说明制备的光电探测器具有良好的暗电流特性，在200 nm光照射下，电流显著增大（~μA），表明对UVC紫外光的具有十分灵敏的探测效果。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，包括由下至上的衬底（1）、石墨烯模板层（2）、AlGaN纳米柱（3）、与AlGaN纳米柱形成肖特基接触的Ni第一金属层（5）和Au第二金属层（6），还包括填充AlGaN纳米柱中的Si₃N₄绝缘层（4），且Ni第一金属层（5）和Au第二金属层（6）作为电极材料组成叉指电极。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，所述衬底（1）为蓝宝石、Si或La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，所述衬底（1）的厚度为420~430 μm。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，所述石墨烯模板层（2）的层数为1~3层，厚度为3~5 nm。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，所述AlGaN纳米柱（3）长度为300~500 nm，直径为100~200 nm。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，所述Ni第一金属层（5）的厚度为40~50 nm。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，所述Au第二金属层（6）的厚度为100~150 nm。

8.根据权利要求1所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，所述叉指电极的长度为280~340 μm，宽度为10~15 μm，电极间距为10~15 μm，对数为12~20对。

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