CN218586000U - 一种MXenes/AlN基深紫外探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MXenes/AlN基深紫外探测器，由下至上依次包括硅衬底、Ti3C2Tx层状材料和AlN纳米柱阵列，所述Ti3C2Tx层状材料上设有第一金属电极；所述AlN纳米柱阵列上设有第二金属电极，Ti3C2Tx层状材料和AlN纳米柱阵列之间形成的高肖特基势垒。本实用新型AlN NRs在Ti3C2Tx上的范德华异质外延，构建了无需外部电源的肖特基型深紫外光电探测器，器件表现出很高的深紫外光响应度和极快的响应速度，并且具有优异的稳定性。

Description

一种MXenes/AlN基深紫外探测器

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种MXenes/AlN基深紫外探测器。

背景技术

深紫外光电探测器在通信、成像、生物检测和化学分析等领域有广泛的应用。传统的深紫外探测器为体积巨大、工作电压高、量子效率低的硅基光电倍增管和硅基光电二极管，不能满足光电器件微型化的发展需求。近年来，一维AlN纳米材料具有高载流子迁移率、优异的光吸收/发射和宽的直接带隙，在深紫外探测领域具有巨大的应用潜力。但是，由于缺乏内部电场，光生载流子分离效率、速度低，仍然存在响应速度慢、工作电压高等问题，需要额外的电源才能进行探测，难以满足高速、微型器件和系统开发需求。

构建二维/一维集成的范德华异质结(vdWH)是解决上述问题的有效策略之一。目前，MXenes层状材料包括Ti3C2、MoC2、V3C2、Ti4N3，具有高电子迁移率、高光电转换效率和可调的功函数(1.6eV～8.0eV)，与AlN能够构建肖特基结型深紫外光电探测器。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种MXenes/AlN基深紫外探测器。具体是提供一种AlN NRs/Ti3C2Tx肖特基型深紫外光电探测器，实现AlN NRs在Ti3C2Tx上的范德华异质外延，构建了无需外部电源、高响应度和快速响应的深紫外光电探测器。

本实用新型的制备方法解决了传统硅基深紫外探测器响应度低、响应速度慢和体积大的问题，在制备过程中无复杂操作和其他有害副产物产生，为制备高响应度、快响应速度、自供电型深紫外光电探测器提供了有效策略。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种MXenes/AlN基深紫外探测器，由下至上依次包括硅衬底、Ti3C2Tx层状材料和AlN纳米柱阵列，所述Ti3C2Tx层状材料上设有第一金属电极；所述AlN纳米柱阵列上设有第二金属电极。

进一步，所述硅衬底的厚度为500～600μm，晶面为(111)，电阻为2～3MΩ。

进一步，所述所述AlN纳米柱阵列是由1*N个AlN纳米柱构成。

进一步，所述AlN纳米柱的长度为200～500nm，直径为40～80nm；AlN纳米柱的密度为6.0×10⁹～10.0×10⁹/cm2。

进一步，相邻AlN纳米柱的间距小于20nm，非等间距。

进一步，所述Ti3C2Tx层状材料的厚度在5nm～30nm。

进一步，所述第一金属电极和第二金属电极均为从下往上依次层叠的Ti金属层和Au金属层；所述Ti金属层和Au金属层的厚度分别为80～100nm和100～120nm。

进一步，所述第一金属电极和第二金属电极的长度均为150～180μm，宽度均为120～140μm；所述第一金属电极和第二金属电极的间距为100～120μm。

一种制备所述的自供电型深紫外光电探测器的方法，包括如下步骤：

S1将硅衬底清洗处理后，通过喷雾工艺将Ti3C2Tx水溶液均匀涂在表面，在高温真空干燥箱中去除水分得到Ti3C2Tx/硅片；

S2将Ti3C2Tx/硅片置于射频辅助分子束外延设备中，在Ti3C2Tx/硅片上生长出AlN纳米柱阵列，得到AlN/Ti3C2Tx材料；

S3通过光刻、电子束蒸发、Lift-off的一般工艺方法，制备Ti/Au电极；

S4将金属置于快速退火炉中进行退火处理，使得金属与AlN、Ti3C2Tx形成欧姆接触。

由于，Ti3C2Tx水溶液的浓度与Ti3C2Tx厚度相关，层状材料太厚时，影响AlN纳米柱阵列生长，无法形成均匀、密集的纳米柱阵列；Ti3C2Tx层状材料太薄，生长过程中会被等离子体刻蚀。

Ti3C2Tx水溶液的优选浓度为0.2～0.6mg/ml。

由于Ti3C2Tx水溶液真空干燥温度太高、时间太长会导致材料氧化，影响材料的性能，则优选低，干燥温度为50～60℃，干燥时间为5～10分钟。

由于AlN纳米柱阵列中腔体压力、衬底温度、束流源温度、气体流量、射频等离子体功率和生长时间是调控AlN纳米柱阵列的主要因素。

因此，S2中生长AlN纳米柱阵列的优选工艺条件如下：生长腔体内压力为1×10-9～5×10-9Torr；在850～900℃进行退火处理20～30min，以去除表面残留物；生长温度为940～960℃，衬底转速为5～8rpm；射频等离子体功率设置为400～420W，N2流量设为2.0～2.2sccm，Ga源温度为950～970℃，总生长时间为2.8～3h。

进一步地，所述S3中的电极制备工艺如下：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶30～40s，转速为3600rpm～4000rpm，经前烘(温度为65～75℃加热处理2～3min)、深紫外光源曝光8～10s、显影(时间为50～55s)，以及采用等离子体进行反应离子刻蚀处理2～3min，热氮气烘干3～5min，蒸镀80～100nm Ti/100～120nm Au电极，在热丙酮中超声震荡5～7分钟，去除光刻胶区域的电极。

退火温度选择直接影响Ti3C2Tx氧化及欧姆接触，太高容易导致Ti3C2Tx氧化，进一步影响器件性能，太低无法实现良好的欧姆接触，本实用新型退火温度优选设置为450～500℃。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型提供的一种AlN纳米柱阵列/Ti3C2Tx层状材料的肖特基型深紫外光电探测器制备方法，构建了无需外部电源的肖特基型深紫外光电探测器，器件表现出很高的深紫外光响应度和极快的响应速度，并且具有优异的稳定性，这可以归因于Ti3C2Tx和AlN之间形成的高肖特基势垒，能够有效地分离光生载流子。

(2)AlN纳米柱阵列/Ti3C2Tx层状材料的肖特基型深紫外光电探测器利用了AlN一维纳米柱材料巨大的比表面积和量子限域性，利用了Ti3C2Tx层状材料的二维量子限域性、极高的电子迁移率。同时，在制备过程中无复杂操作和其他有害副产物产生，为制备高响应度、快响应速度、自供电型深紫外光电探测器提供了有效策略

(3)本实用新型制备的一种AlN纳米柱阵列/Ti3C2Tx层状材料的肖特基型深紫外光电探测器，探测性能优异，无需外部电源，能够应用于导弹制导、明火探测和空间通信等领域，经济效益可观。

附图说明

图1为本实用新型一种MXenes/ALN基深紫外探测器的结构剖面示意图；

图2为硅片上的二维Mxene材料；

图3为Mxene/Si上的AlN纳米柱；

图4为280nm光源下的AlN NRs/Ti3C2Tx肖特基型深紫外光电探测器I-V性能；

图5为280nm光源下的AlN NRs/Ti3C2Tx肖特基型深紫外光电探测器I-T性能。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1及图2所示，一种MXenes/AlN基深紫外探测器，由下至上依次包括硅衬底1、Ti3C2Tx层状材料2和AlN纳米柱阵列3，所述Ti3C2Tx层状材料上设有第一金属电极4；所述AlN纳米柱阵列上设有第二金属电极5，Ti3C2Tx层状材料和AlN纳米柱阵列之间形成的高肖特基势垒。

具体地，AlN纳米柱阵列3覆盖Ti3C2Tx层状材料部分上表面，所说第二金属电极位于AlN纳米柱阵列3上方的左侧，所述第一金属电极位于Ti3C2Tx层状材料的右侧。

本实施例中AlN纳米柱阵列由12个纳米柱依次排列构成，间距非均匀。

具体的制备方法如下：

步骤1、将硅片清洗处理后，通过喷雾工艺将浓度为0.2mg/mlTi3C2Tx水溶液均匀涂在表面，在50℃高温真空干燥箱中处理5分钟来去除水分。

步骤2、将步骤1中的Ti3C2Tx/硅片置于PA-MBE中，在Ti3C2Tx/硅片上生长出AlN纳米柱阵列；在850℃进行退火处理20min，以去除表面残留物；生长温度为940℃，衬底转速为5rpm；射频等离子体功率设置为400W，N2流量设为2.0sccm，Ga源温度为950℃，总生长时间为2.8h。

步骤3、先利用匀胶机旋涂负性光刻胶30s，转速为3600rpm，经前烘(温度为65℃，加热处理2min)、深紫外光源曝光8s、显影(时间为50s)，以及采用等离子体进行反应离子刻蚀处理2min，热氮气烘干3min，蒸镀80nm Ti/100nm Au电极，在热丙酮中超声震荡5分钟，去除光刻胶区域的电极，在步骤2得到的AlN/Ti3C2Tx材料两侧分别制备Ti/Au电极；

步骤4、将步骤3得到的金属/AlN/Ti3C2Tx/金属置于快速退火炉中退火处理，退火温度设置为450℃，使得金属与AlN、Ti3C2Tx形成欧姆接触，得到光电探测器。

本实施例制备方法形成异质结构结，使得MXenes/AlN异质界面的肖特基内建电场能够有效地分离光生电子/空穴对，实现高效的光电转换，有望实现零偏压、自供电的深紫外光电探测。二维/一维异质结体系能够将载流子限制在低维空间内，实现载流子快速的迁移，加快光电响应速度。本实用新型首次提出了AlN纳米柱阵列(NRs)与Ti3C2Tx集成的自供电型深紫外光电探测器及其制备方法。实现了AlN NRs在Ti3C2Tx上的范德华异质外延，构建了无需外部电源的肖特基型深紫外光电探测器，器件表现出很高的深紫外光响应度和极快的响应速度，并且具有优异的稳定性，这可以归因于Ti3C2Tx和AlN之间形成的高肖特基势垒，能够有效地分离光生载流子。

如图3、图4及图5所示为本实施例的测试图，可知本实施例制备的光电探测器具有高响应速度。

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MXenes/AlN基深紫外探测器，其特征在于，由下至上依次包括硅衬底、Ti3C2Tx层状材料和AlN纳米柱阵列，所述Ti3C2Tx层状材料上设有第一金属电极；所述AlN纳米柱阵列上设有第二金属电极，Ti3C2Tx层状材料和AlN纳米柱阵列之间形成的高肖特基势垒。

2.根据权利要求1所述的MXenes/AlN基深紫外探测器，其特征在于，所述硅衬底的厚度为500～600μm，电阻为2～3MΩ。

3.根据权利要求1所述的MXenes/AlN基深紫外探测器，其特征在于，所述AlN纳米柱阵列是由1*N个AlN纳米柱构成。

4.根据权利要求1所述的MXenes/AlN基深紫外探测器，其特征在于，所述AlN纳米柱的长度为200～500nm，直径为40～80nm；AlN纳米柱的密度为6.0×10⁹～10.0×10⁹/cm2。

5.根据权利要求1所述的MXenes/AlN基深紫外探测器，其特征在于，相邻AlN纳米柱的间距小于20nm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的MXenes/AlN基深紫外探测器，其特征在于，所述Ti3C2Tx层状材料的厚度在5nm～30nm。

7.根据权利要求1所述的MXenes/AlN基深紫外探测器，其特征在于，所述第一金属电极和第二金属电极均为从下往上依次层叠的Ti金属层和Au金属层；所述Ti金属层和Au金属层的厚度分别为80～100nm和100～120nm。

8.根据权利要求1所述的MXenes/AlN基深紫外探测器，其特征在于，所述第一金属电极和第二金属电极的长度均为150～180μm，宽度均为120～140μm；所述第一金属电极和第二金属电极的间距为100～120μm。

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