CN210607281U - 一种InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器。所述光电探测器包括由下至上的衬底、底层石墨烯层、InGaN纳米柱阵列和与纳米柱阵列间形成肖特基接触的顶层石墨烯层，还包括位于纳米柱阵列一侧的第一Au金属层电极，以及位于纳米柱阵列另一侧的阻隔底层和顶层石墨烯层接触的SiO₂绝缘层，且第一Au金属层电极和SiO₂绝缘层均位于底层石墨烯层上方，第二Au金属层电极与SiO₂绝缘层通过顶层石墨烯层隔开。所述光电探测器对近红外、可见光至紫外光具有高的灵敏探测，同时具有超快的响应时间以及超高的光响应度的特点（响应时间<80μs，响应度达到2.0×10⁴A/W）。

Description

一种InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器

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InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器。

背景技术

光电探测技术因具有良好的高光敏度、非视线通讯、低窃听率等优点，在军事和民用的各个领域有广泛用途。在近红外或可见光波段主要用于近红外遥感、工业自动控制、可见光通信等；在紫外波段主要用于导弹制导、紫外分析、明火探测和太阳照度检测等方面。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、光电探测器件和太阳电池等许多领域得到广泛应用。

InGaN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0.7eV到3.4eV的连续可调谐，相当于截止波长为365nm到1770nm，这个特性使它能探测近红外、可见光至紫外波段的信号，且无需滤光系统和做成浅结。而InGaN一维纳米柱材料由于其独特的纳米结构诱导的量子约束效应，如增强的载流子迁移率、优异的光吸收/发射和几乎无位错密度等，成为近年来研究的热点。一方面，一维纳米柱巨大的表面体积比显著增加了光吸收，提高了光生载流子的密度。另一方面，低维纳米结构限制了电荷载流子的活性区域，缩短了载流子传输时间。尽管InGaN一维纳米阵列具有巨大的潜力，但这类纳米结构阵列基器件的加工制备和单片集成还相当复杂。传统的策略主要集中在纳米结构器件的平坦化，方法是用绝缘聚合物填补纳米柱阵列中的空白，或在沉积过程中将纳米柱顶部聚结在一起。这样可能会引入位错，从而限制器件的性能。因此，最具挑战性的问题是InGaN一维纳米阵列基器件的集成以及简单高效的微加工。

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InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器。其中，2D石墨烯作为一种柔性和透明的顶部/ 背面接触电极进行集成，同时作为这种纳米阵列结构外延生长的种子层衬底，由此实现InGaN一维纳米阵列基器件的。该光电探测器同时具有超快的响应时间以及超高的光响应度的特点。

本实用新型的目的至少通过如下之一的技术方案实现。

一种InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器，包括由下至上的衬底、底层石墨烯层、InGaN纳米柱阵列和与纳米柱阵列间形成肖特基接触的顶层石墨烯层，还包括位于纳米柱阵列一侧的第一Au金属层电极，以及位于纳米柱阵列另一侧的阻隔底层和顶层石墨烯层接触的SiO₂绝缘层，且第一Au金属层电极和SiO₂绝缘层均位于底层石墨烯层上方，第二Au金属层电极与SiO₂绝缘层通过顶层石墨烯层隔开。

进一步地，所述衬底的厚度为420～430μm。

进一步地，所述衬底为蓝宝石、Si或La_0.3Sr_1.7AlTaO₆。

进一步地，所述石墨烯层数为1～3层，厚度为3～5nm。

进一步地，所述InGaN纳米柱阵列长度为280～400nm，直径为60～80nm，密度为4.0～12.0×10⁹/cm²。

进一步地，阻隔上下石墨烯接触层的SiO₂绝缘层的厚度为250～370nm。

进一步地，所述第一Au金属层和第二Au金属层电极尺寸相同，厚度为 100～150nm，长度为300～330μm，宽度为50～75μm。

第一Au金属层电极和第二Au金属层电极的间距为250～300μm。

上述InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

(1)将铜箔进行清洗处理，除去表面残留物，然后在表面生长出底层石墨烯模板层，形成石墨烯/铜箔；

(2)对石墨烯/铜箔进行旋涂湿法转移，将石墨烯层转移至衬底表面，并进行转移后的清洗以去除PMMA，最后烘干，形成石墨烯/衬底结构，作为下一步 InGaN纳米柱阵列自组装生长的模板层；

(3)在石墨烯/衬底结构上一侧生长SiO₂绝缘层以阻隔上下石墨烯接触层导通，接着进行光刻处理和湿法刻蚀，形成图形化SiO₂/石墨烯/衬底结构；

(4)利用石墨烯作为生长模板层，在图形化SiO₂/石墨烯/衬底结构上直接生长得到InGaN纳米柱阵列，形成InGaN纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构；

(5)重复步骤(1)，并对得到的石墨烯/铜箔进行旋涂湿法转移，将石墨烯层转移至InGaN纳米柱阵列的上表面，并进行转移后的清洗，最后烘干，得到顶层石墨烯层，形成石墨烯/InGaN纳米柱阵列/石墨烯GSG型结构；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蒸镀Au金属层形成第一Au 金属电极和第二Au金属电极，去胶，并转移至退火炉中进行热退火处理。得到所述InGaN纳米柱阵列基GSG型光电探测器。

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

进一步的，步骤(1)中，通过PECVD生长石墨烯层，且工艺条件为：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^-6Torr，接着加热至 550～650℃，停下分子泵然后向腔体内通入H₂和CH₄，流量分别为40～60sccm 和30～45sccm，压力维持为90～150mTorr，沉积过程中射频等离子体功率保持在200～300W，沉积时间为5～15分钟，沉积结束后在Ar气气氛下冷却至室温。

进一步地，步骤(2)和(5)中，旋涂湿法转移的方法为：对石墨烯/铜箔用PMMA旋涂覆25～30s，转速为4500～5000rpm，形成PMMA/石墨烯/铜箔；接着用湿法腐蚀铜箔，将铜箔溶于CuSO₄:HCl:H₂O＝4～5g：20～25ml：20～25ml 的溶液中30～40min腐蚀铜箔，然后将PMMA包覆的石墨烯层去使用离子水中清洗3～5次，以去除任何残留的蚀刻液。

进一步地，步骤(2)和(5)中，转移后的清洗工艺为：将转移后的PMMA 包覆的石墨烯/衬底结构至于丙酮中在0.8～1.2h内清洗2～4次，以去除任何残留的PMMA，最后烘干的温度为45～60℃，时间为0.8～1.2h。

进一步地，步骤(3)中，通过PECVD生长SiO₂绝缘填充层，且工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持1～2×10^-6Torr，石英管加热至400～500℃，然后停下分子泵然后向腔体内通入SiH₄和CO₂，流量分别为 50～100sccm和150～200sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在250～300 W，沉积时间为10～20分钟，反应室内压力维持为80～200mTorr下沉积SiO₂绝缘填充层。

进一步地，步骤(3)和(5)中，所述光刻工艺为：先旋涂负性光刻胶40～60 s，经前烘、曝光、显影、坚膜，以及采用O₂等离子体进行反应离子刻蚀处理 2～4min，清洗，最后热氮气烘干5～10min。

更进一步地，所述前烘是65～75℃加热处理5～8min。

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5～7s。

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

更进一步地，所述坚膜是55～75℃加热处理6～8min。

更进一步地，所述清洗是使用去离子水超声清洗3～5min，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(3)中，湿法刻蚀的工艺为：将光刻后放入浓度为6～10wt％的HF水溶液中刻蚀5～10min；接着放入乙醇中洗涤3～5min，去除表面有机物，放入去离子水中室温下超声清洗5～10min；清洗后的样品用高纯干燥氮气吹干。

进一步地，步骤(4)中，通过PA-MBE生长InGaN纳米柱阵列，且工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为1～2×10^-9Torr，并加热至880～900℃进行退火处理20～30min以去除表面残留物。接着衬底温度升至 550～950℃，用离子束等效压力(BEP)对Ga和In的束流进行了精确的测定，其中，Ga-BEP设定为1.5～5.5×10^-8Torr，In-BEP设定为1.5～2.5×10^-7Torr。N₂流量为1.8～2.0sccm，射频氮气等离子体功率为380～400W，在生长过程中，基片的转速为8～10rpm，总生长时间为3.0～4.0h。

更进一步地，通过控制衬底温度，Ga-BEP和In-BEP可以控制InGaN的In 组分从0～1可调，实现In_xGa_(1-x)N(0<x<1)的禁带宽度从0.7eV到3.4eV连续可调，从而实现探测365-1770nm波长可调谐光电探测器。

进一步地，步骤(5)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5.0～6.0×10^-4Pa后，开始蒸镀金属电极，金属蒸发速率控制为

样品盘转速为10～20rpm。

进一步地，步骤(5)中，所述去胶是在丙酮中浸泡20～25min后超声处理 1～3min，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的电极图案。

进一步地，步骤(5)中，所述热退火处理为样品置于快速退火炉中进行 450～550℃处理2～3min。

与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型的一种InGaN纳米柱基GSG型光电探测器实现了1D/2D 材料结合的新型器件，一方面利用了石墨烯材料透明、导电和柔性的特点，提高了探测器对光的收集、光电响应灵敏度；另一方面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；其光电响应度和外量子效率达到了～10⁴A/W和～10⁷％，响应时间<80μs。

(2)本实用新型的一种InGaN纳米柱基GSG型光电探测器中采用了InGaN 纳米柱材料作为有源层材料，因为InGaN材料的禁带宽度可根据In组分的不同从0.7eV到3.4eV连续可调，因而可对波长为365nm到1770nm的光进行有效探测。

(3)本实用新型一种InGaN纳米柱基GSG型光电探测器可实现对近红外、可见光至紫外光的高灵敏探测，可应用于近红外遥感、工业自动控制、可见光通信、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InGaN纳米柱基GSG型光电探测器的结构剖面示意图；

图2为本实用新型的光电探测器的电极结构的俯视示意图；

图3为实施1生长的InGaN纳米柱阵列的扫描电镜剖视图；

图4为实施例1制备的光电探测器的电流随外加偏压变化的曲线图；

图5为实施例1制备的光电探测器的电流随波长响应曲线图；

图6为实施例1制备的光电探测器的时间响应曲线图；

图7为实施例2制备的光电探测器的电流随外加偏压变化的曲线图；

图8为实施例3制备的光电探测器的电流随外加偏压变化的曲线图。

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，铜箔纯度99.99％(Alfa Aesar)，PECVD(Tianjin ZhonghuanFurnace Co.,Ltd)，射频等离子体辅助分子束外延法(RF PA-MBE，MANTIS)， PMMAALLRESIST AR-26。

具体实施例中，本实用新型的InGaN纳米柱基GSG型光电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，依次包括衬底1、底层石墨烯模板层2、SiO₂绝缘层3、InGaN纳米柱阵列4、顶层石墨烯接触层5以及与上下石墨烯接触的Au金属层电极6；

其中，衬底1的厚度为420～430μm、上下石墨烯2和5的层数为1～3层，厚度为3～5nm、SiO₂绝缘层3的厚度为250～370nm、InGaN纳米柱阵列4的长度为280～400nm、Au金属层电极6的厚度为100～150nm，长度为300～330μm，宽度为50～75μm，间距为250～300μm。

实施例1

In组分为0.02的InGaN纳米柱基GSG型光电探测器的制备(纳米柱为In_0.02Ga_0.98N)，具体包括以下步骤：

(1)将铜箔进行清洗处理(依次用丙酮以及无水乙醇分别超声清洗10min 和5min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗5min，最后用氮气枪吹走表面的水汽)，除去表面残留物后置于PECVD设备中，在其表面生长出单层的石墨烯层(生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为2×10^-6Torr，接着加热至650℃，停下分子泵然后向腔体内通入H₂和CH₄，流量分别为60sccm和45sccm，压力维持为150mTorr，沉积过程中射频等离子体功率保持在200W，沉积时间为5分钟，沉积结束后在Ar气气氛下冷却至室温)，形成石墨烯/铜箔。

(2)对石墨烯/铜箔用PMMA旋涂覆25s，转速为5000rpm，形成PMMA/ 石墨烯/铜箔；接着用湿法腐蚀铜箔，将铜箔溶于CuSO₄:HCl:H₂O＝4g：20ml： 20ml的溶液中40min。然后将PMMA包覆的石墨烯层在去离子水中清洗5次在2.0h内，以去除任何残留的蚀刻液。将单层石墨烯层转移至蓝宝石衬底表面，并将转移后的PMMA包覆的石墨烯/衬底结构至于丙酮中清洗2次，以去除任何残留的PMMA，最后在烘箱中烘烤0.8h，温度为45℃，形成石墨烯/衬底结构，作为下一步InGaN纳米柱阵列自组装生长的模板层。

(3)将石墨烯/衬底结构置于PECVD中生长一层厚度为250nm的SiO₂绝缘层以阻隔上下石墨烯接触层导通(生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持1×10^-6Torr，石英管加热至400℃，然后停下分子泵然后向腔体内通入SiH₄和CO₂，流量分别为100sccm和200sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在250W，沉积时间为10分钟，反应室内压力维持为200mTorr 下沉积SiO₂绝缘填充层)，接着进行光刻处理(工艺为：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶40s，经前烘(烘箱中进行75℃加热处理8min)、曝光(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7s)、显影(将曝光处理后的样品放入6wt％的四丁基铵氢氧化物水溶液显影液中溶解100s)、坚膜(在烘箱中进行55℃加热处理8min)，以及采用O₂等离子体进行反应离子刻蚀处理4min，清洗(使用去离子水超声清洗3min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽)，最后热氮气烘干10min)；接着进行湿法刻蚀处理(工艺为：将光刻后的样品放入浓度为6wt％的HF水溶液中刻蚀10min；接着放入乙醇中洗涤5min，去除表面有机物，放入去离子水中室温下超声清洗 5min；清洗后的样品用高纯干燥氮气吹干)。形成图形化SiO₂/石墨烯/衬底结构。

(4)利用石墨烯作为生长模板层，在图形化SiO₂/石墨烯/衬底结构上用 PA-MBE直接生长得到InGaN纳米柱阵列，生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为1×10^-9Torr，并加热至900℃进行退火处理20 min以去除表面残留物。接着衬底温度升至950℃，用离子束等效压力(BEP) 对Ga和In的束流进行了精确的测定，其中，Ga-BEP设定为5.5×10^-8Torr，In-BEP 设定为1.5×10^-7Torr。N₂流量为2.0sccm，射频氮气等离子体功率为400W，在生长过程中，基片的转速为10rpm。总生长时间约为4.0h。实现了In组分为0.02的In_0.02Ga_0.98N纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构，其中InGaN禁带宽度为3.35 eV。

(5)对InGaN纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构进行PMMA旋涂湿法转移的方法(和上述步骤(2)中一致)，将单层石墨烯层转移至InGaN纳米柱阵列顶表面，并进行转移后的清洗以去除PMMA(和上述步骤(2)中一致)，最后在烘箱中烘烤0.8h，温度为45℃，形成石墨烯/InGaN纳米柱阵列/石墨烯GSG型结构；再进行光刻处理(和上述步骤(3)中一致)，后利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上蒸镀Au金属层作为电极(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^-4Pa后，开始蒸镀金属电极，金属蒸发速率控制为

样品盘转速为20r/min)，去胶(在丙酮中浸泡25min后超声处理3min，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的电极图案)，并转移至退火炉中进行热退火处理(500℃下2min)。得到所述In组分为 0.02的InGaN纳米柱阵列基GSG型光电探测器。

所制备的In组分为0.02的In_0.02Ga_0.98N纳米柱阵列基GSG型光电探测器的结构剖面示意图参见图1，其中，蓝宝石衬底的厚度为420μm、上下石墨烯的层数为单层，厚度为3nm、SiO₂绝缘层的厚度为250nm、InGaN纳米柱阵列的长度为280nm、Au金属层电极的厚度为100nm，长度为330μm，宽度为75μm，间距为300μm；其俯视面示意图见图2；其外延生长的InGaN纳米柱阵列的扫描电镜剖视图见图3，可以看到生长出晶格十分完整、取向性好、均匀性好的纳米柱阵列，平均长度为330～360nm。

所制备的In组分为0.02的In_0.02Ga_0.98N纳米柱阵列基GSG型光电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，且形成了良好的肖特基接触。在1V偏压下，暗电流仅为0.16nA，说明制备的光电探测器具有良好的暗电流特性，在380nm光照射下，电流显著增大。此外，光电探测器的电流随波长响应曲线图如图5所示，由图5可知，制备的光电探测器在380nm附近有十分高的响应，其响应度达到2.0×10⁴A/W。表明对紫外光的具有十分灵敏的探测效果；并且，光响应在380nm后开始迅速下降，呈现陡峭的截止边，表明具有良好的可见光盲特性。此探测器还显示出超快的响应时间，如图5所示，其响应时间<80μs。

实施例2

In组分为0.3的InGaN纳米柱基GSG型光电探测器的制备(纳米柱为 In_0.3Ga_0.7N)，具体包括以下步骤：

(1)将铜箔进行清洗处理(依次用丙酮以及无水乙醇分别超声清洗8min 和3min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗4min，最后用氮气枪吹走表面的水汽)，除去表面残留物后置于PECVD设备中，在其表面生长出三层的石墨烯层(生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1.6×10^-6Torr，接着加热至600℃，停下分子泵然后向腔体内通入H₂和 CH₄，流量分别为40sccm和30sccm，压力维持为90mTorr，沉积过程中射频等离子体功率保持在300W，沉积时间为12分钟，沉积结束后在Ar气气氛下冷却至室温)，形成石墨烯/铜箔。

(2)对石墨烯/铜箔用PMMA旋涂覆28s，转速为4500rpm，形成PMMA/ 石墨烯/铜箔；接着用湿法腐蚀铜箔，将铜箔溶于CuSO₄:HCl:H₂O＝5g：25ml： 25ml的溶液中30min。然后将PMMA包覆的石墨烯层在去离子水中清洗3次，以去除任何残留的蚀刻液。将三层石墨烯层转移至Si(111)衬底表面，并将转移后的PMMA包覆的石墨烯/衬底结构至于丙酮中清洗3次在1.2h内，以去除任何残留的PMMA，最后在烘箱中烘烤1.2h，温度为50℃，形成石墨烯/衬底结构，作为下一步InGaN纳米柱阵列自组装生长的模板层。

(3)将石墨烯/衬底结构置于PECVD中生长一层厚度为300nm的SiO₂绝缘层以阻隔上下石墨烯接触层导通(生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持1.5×10^-6Torr，石英管加热至500℃，然后停下分子泵然后向腔体内通入SiH₄和CO₂，流量分别为80sccm和180sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在280W，沉积时间为18分钟，反应室内压力维持为150mTorr 下沉积SiO₂绝缘填充层)，接着进行光刻处理(工艺为：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶50s，经前烘(烘箱中进行65℃加热处理7min)、曝光(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6s)、显影(将曝光处理后的样品放入8wt％的四丁基铵氢氧化物水溶液显影液中溶解60s)、坚膜(在烘箱中进行65℃加热处理7min)，以及采用O₂等离子体进行反应离子刻蚀处理2min，清洗(使用去离子水超声清洗5min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽)，最后热氮气烘干8min)；接着进行和湿法刻蚀处理(工艺为：将光刻后的样品放入浓度为10wt％的HF水溶液中刻蚀5min；接着放入乙醇中洗涤4min，去除表面有机物，放入去离子水中室温下超声清洗10min；清洗后的样品用高纯干燥氮气吹干)。形成图形化SiO₂/石墨烯/衬底结构。

(4)利用石墨烯作为生长模板层，在图形化SiO₂/石墨烯/衬底结构上用 PA-MBE直接生长得到InGaN纳米柱阵列，生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为1.5×10^-9Torr，并加热至880℃进行退火处理30 min以去除表面残留物。接着衬底温度升至900℃，用离子束等效压力(BEP) 对Ga和In的束流进行了精确的测定，其中，Ga-BEP设定为3.5×10^-8Torr，In-BEP 设定为2.2×10^-7Torr。N₂流量为1.8sccm，射频氮气等离子体功率为380W，在生长过程中，基片的转速为8rpm。总生长时间约为3.5h。实现了In组分为0.3的InGaN纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构，其中InGaN禁带宽度为2.6eV。

(5)对InGaN纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构进行PMMA旋涂湿法转移的方法(和上述步骤(2)中一致)，将三层石墨烯层转移至InGaN纳米柱阵列顶表面，并进行转移后的清洗以去除PMMA(和上述步骤(2)中一致)，最后在烘箱中烘烤1.2h，温度为50℃，形成石墨烯/InGaN纳米柱阵列/石墨烯GSG型结构；再进行光刻处理(和上述步骤(3)中一致)，后利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上蒸镀Au金属层作为电极(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^-4Pa后，开始蒸镀金属电极，金属蒸发速率控制为

样品盘转速为10r/min)，去胶(在丙酮中浸泡20min后超声处理1min，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的电极图案)，并转移至退火炉中进行热退火处理(550℃下2.6min)。得到所述In组分为0.3的InGaN纳米柱阵列基GSG型光电探测器。

所制备的In组分为0.3的InGaN纳米柱阵列基GSG型光电探测器中，Si(111) 衬底的厚度为430μm、上下石墨烯的层数为三层，厚度为5nm、SiO₂绝缘层的厚度为300nm、InGaN纳米柱阵列的长度为330nm、Au金属层电极的厚度为 120nm，长度为300μm，宽度为65μm，间距为260μm。外延生长的InGaN纳米柱阵列的扫描电镜剖视图参考图3。

所制备的In组分为0.3的InGaN纳米柱阵列基GSG型光电探测器的电流随外加偏压变化的曲线图如图7所示，电流随着外加偏压的增大而增大，并形成了良好的肖特基接触。在1V偏压下，暗电流仅为0.18nA，说明制备的光电探测器具有良好的暗电流特性，在480nm光照射下，电流显著增大，表明对蓝绿光的具有十分灵敏的探测效果。

实施例3

In组分为0.98的InGaN纳米柱基GSG型光电探测器的制备(纳米柱为In_0.98Ga_0.02N)，具体包括以下步骤：

(1)将铜箔进行清洗处理(依次用丙酮以及无水乙醇分别超声清洗9min 和4min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗3min，最后用氮气枪吹走表面的水汽)，除去表面残留物后置于PECVD设备中，在其表面生长出两层的石墨烯层(生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1×10^-6Torr，接着加热至550℃，停下分子泵然后向腔体内通入H₂和CH₄，流量分别为50sccm和40sccm，压力维持为120mTorr，沉积过程中射频等离子体功率保持在220W，沉积时间为15分钟，沉积结束后在Ar气气氛下冷却至室温)，形成石墨烯/铜箔。

(2)对石墨烯/铜箔用PMMA旋涂覆30s，转速为4600rpm，形成PMMA/ 石墨烯/铜箔；接着用湿法腐蚀铜箔，将铜箔溶于CuSO₄:HCl:H₂O＝4.5g：22.5 ml：22.5ml的溶液中35min。然后将PMMA包覆的石墨烯层在去离子水中清洗4次，以去除任何残留的蚀刻液。将两层石墨烯层转移至La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底表面，并将转移后的PMMA包覆的石墨烯/衬底结构至于丙酮中清洗4次在 1.0h内，以去除任何残留的PMMA，最后在烘箱中烘烤1.0h，温度为60℃，形成石墨烯/衬底结构，作为下一步InGaN纳米柱阵列自组装生长的模板层。

(3)将石墨烯/衬底结构置于PECVD中生长一层厚度为370nm的SiO₂绝缘层以阻隔上下石墨烯接触层导通(生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持2×10^-6Torr，石英管加热至450℃，然后停下分子泵然后向腔体内通入SiH₄和CO₂，流量分别为50sccm和150sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在300W，沉积时间为20分钟，反应室内压力维持为80mTorr 下沉积SiO₂绝缘填充层)，接着进行光刻处理(工艺为：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶60s，经前烘(烘箱中进行70℃加热处理5min)、曝光(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5s)、显影(将曝光处理后的样品放入7wt％的四丁基铵氢氧化物水溶液显影液中溶解80s)、坚膜(在烘箱中进行75℃加热处理6min)，以及采用O₂等离子体进行反应离子刻蚀处理3min，清洗(使用去离子水超声清洗4min，去除表面的无机杂质，最后用氮气枪吹走表面的水汽)，最后热氮气烘干5min)；接着进行和湿法刻蚀处理(工艺为：将光刻后的样品放入浓度为8wt％的HF水溶液中刻蚀6min；接着放入乙醇中洗涤3min，去除表面有机物，放入去离子水中室温下超声清洗 8min；清洗后的样品用高纯干燥氮气吹干)。形成图形化SiO₂/石墨烯/衬底结构。

(4)利用石墨烯作为生长模板层，在图形化SiO₂/石墨烯/衬底结构上用 PA-MBE直接生长得到InGaN纳米柱阵列，生长条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为2×10^-9Torr，并加热至890℃进行退火处理25 min以去除表面残留物。接着衬底温度升至550℃，用离子束等效压力(BEP) 对Ga和In的束流进行了精确的测定，其中，Ga-BEP设定为1.5×10^-8Torr，In-BEP 设定为2.5×10^-7Torr。N₂流量为1.9sccm，射频氮气等离子体功率为390W，在生长过程中，基片的转速为9rpm。总生长时间约为3.0h。实现了In组分为0.98的In_0.98Ga_0.02N纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构，其中InGaN禁带宽度为0.75 eV。

(5)对InGaN纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构进行PMMA旋涂湿法转移的方法(和上述步骤(2)中一致)，将三层石墨烯层转移至InGaN纳米柱阵列顶表面，并进行转移后的清洗以去除PMMA(和上述步骤(2)中一致)，最后在烘箱中烘烤1.0h，温度为60℃，形成石墨烯/InGaN纳米柱阵列/石墨烯GSG型结构；再进行光刻处理(和上述步骤(3)中一致)，后利用电子束蒸发镀膜系统在样品表面上蒸镀Au金属层作为电极(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^-4Pa后，开始蒸镀金属电极，金属蒸发速率控制为

样品盘转速为15r/min)，去胶(在丙酮中浸泡22min后超声处理2min，从而去掉了不需要的部分，留下了所需的电极图案)，并转移至退火炉中进行热退火处理(450℃下3min)。得到所述In组分为 0.98的InGaN纳米柱阵列基GSG型光电探测器。

所制备的In组分为0.98的In_0.98Ga_0.02N纳米柱阵列基GSG型光电探测器中，La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底的厚度为425μm、上下石墨烯的层数为两层，厚度为4nm、 SiO₂绝缘层的厚度为370nm、InGaN纳米柱阵列的长度为400nm、Au金属层电极的厚度为150nm，长度为310μm，宽度为50μm，间距为250μm。外延生长的In_0.98Ga_0.02N纳米柱阵列的扫描电镜剖视图参考图3。

所制备的In组分为0.98的In_0.98Ga_0.02N纳米柱阵列基GSG型光电探测器的电流随外加偏压变化的曲线图如图8所示，电流随着外加偏压的增大而增大，形成了良好的肖特基接触。在1V偏压下，暗电流仅为0.13nA，说明制备的光电探测器具有良好的暗电流特性，在1770nm光照射下，电流显著增大，表明对近红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InGaN纳米柱阵列基GSG型可调谐光电探测器，其特征在于，包括由下至上的衬底（1）、底层石墨烯层（2）、InGaN纳米柱阵列（4）和与纳米柱阵列间形成肖特基接触的顶层石墨烯层（5），还包括位于纳米柱阵列（4）一侧的第一Au金属层电极（6），以及位于纳米柱阵列（4）另一侧的阻隔底层和顶层石墨烯层接触的SiO₂绝缘层（3），且第一Au金属层电极（6）和SiO₂绝缘层（3）均位于底层石墨烯层（2）上方，第二Au金属层电极（7）与SiO₂绝缘层（3）通过顶层石墨烯层（5）隔开。

2.根据权利要求1所述的GSG型可调谐光电探测器，其特征在于，所述衬底（1）为蓝宝石、Si或La_0.3Sr_1.7AlTaO₆。

3.根据权利要求1所述的GSG型可调谐光电探测器，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GSG型可调谐光电探测器，其特征在于，所述底层石墨烯层（2）和顶层石墨烯层（5）的层数为1~3层，厚度为3~5 nm。

5.根据权利要求1所述的GSG型可调谐光电探测器，其特征在于，所述InGaN纳米柱阵列（4）长度为280~400 nm，直径为60~80 nm，密度为4.0~12.0×10⁹ /cm²。

6.根据权利要求1所述的GSG型可调谐光电探测器，其特征在于，所述SiO₂绝缘层（3）的厚度为250~370 nm。

7.根据权利要求1所述的GSG型可调谐光电探测器，其特征在于，所述第一Au金属层电极（6）和第二Au金属层电极（7）尺寸相同，厚度为100~150 nm，长度为300~330 μm，宽度为50~75 μm。

8.根据权利要求1所述的GSG型可调谐光电探测器，其特征在于，第一Au金属层电极（6）和第二Au金属层电极（7）的间距为250~300 μm。

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