CN219040493U - 一种2D Ga2S3/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及紫外光探测器的技术领域，公开了一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，由下往上依次包括Si衬底层、AlN/AlGaN缓冲层、u‑GaN缓冲层和n‑GaN层；n‑GaN层上方一侧设置有2D Ga₂S₃层等。通过引入2DGa₂S₃层，利用2D Ga₂S₃材料禁带宽度为3.05eV及其天然p型的特点，与n‑GaN层实现II型异质结结构，在界面上形成内建电场，实现自驱动，完成光生载流子的有效分离和传输，产生更大光电流，实现了高响应的紫外探测器；宽带隙材料在同等温度下具有较小的本征载流子浓度，有助于探测器的热载流子浓度保持在一个相当低的水平，减小了器件漏电流的情况。

Description

一种2D Ga2S3/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器

技术领域

本实用新型涉及紫外光探测器的技术领域，具体的，涉及一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器。

背景技术

紫外探测是继红外探测和激光探测之后的一种新兴探测技术，紫外探测在环境监测、导弹发射探测、医疗保健、光通信等领域有着广泛的应用。

传统的紫外探测器主要分为两类：真空紫外探测器和固体紫外探测器。真空紫外探测器主要由各种光电倍增管及其衍生的成像器件组成，光电倍增管具有优良的综合性能和成熟的制造工艺，但存在体积大、重量大等固有缺点，而且还需要高于100V的工作电压，导致功耗较高。固态紫外探测器主要基于半导体材料，由于紫外光照射会改变外部电路的电流，从而可以观测紫外光的光强度，但外部电路的引入会使紫外探测器功耗较大，且基于窄禁带半导体的紫外探测器需要高通滤光片来阻挡可见光和红外光子，高通滤光片的引入导致紫外探测器系统中有效面积的显著损失，并增加成本。对此，行业内通过研究实现了对紫外光的基于兰姆波谐振器的高灵敏度和低功耗探测，如专利一种紫外光探测器，公开了包括衬底，衬底具有空腔；压电层，压电层位于衬底的一侧，并覆盖空腔；位于压电层第一面上的顶电极、以及位于压电层第二面上的底电极，第一面和第二面相对，第二面为靠近衬底的一面，顶电极为叉指电极；实现对紫外光基于兰姆波谐振器的高灵敏度和低功耗探测。

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。硫化镓(Gallium(III)Sulfide，Ga₂S₃)属于III-VI类层状化合物，每一层晶体结构为六方纤锌矿型结构，空间群为P63mc，晶格参数

层间相互作用以弱范德华力为主，而层间成键力本质上是共价的。Ga₂S₃作为一种近蓝色发光器件和场发射器件的材料，在300K时间接带隙为2.95eV，直接带隙为3.25eV。而作为第三代半导体材料研究热点之一的GaN材料具有电子迁移率高、热稳定性好、化学稳定性好的特点。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。行业内，有研究人员采用GaN/AlGaN多量子阱材料制备的紫外光探测器，响应时间为300ms，暗电流为10⁷A，在12V电压下，峰值响应度达到4.56A/W的响应度。

然而，现有技术中存在由于材料表面存在悬挂键，探测器器件暗电流较高；以及探测器需要外加电源才可以进行工作的技术问题。

发明内容

本实用新型为克服上述现有技术存在的器件暗电流较高、探测器需要外加电源才可以进行工作的技术问题，提供一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，具有生长Ga₂S₃/GaN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的优点。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，由下往上依次包括：Si衬底层、AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层和n-GaN层；

所述n-GaN层上方一侧设置有2D Ga₂S₃层，所述2D Ga₂S₃层与n-GaN层构成II型异质结结构，所述n-GaN层上方另一侧设置有第一金属电极；所述2D Ga₂S₃层上方设置有第二金属电极。

优选地，n-GaN层设有孔，2D Ga₂S₃层位于n-GaN层孔内，且n-GaN层和2D Ga₂S₃层接触；第二金属电位于n-GaN层4外侧，且第二金属电极与n-GaN层接触。

由于AlGaN材料自身容易发生相分离，本发明创新的采用MOCVD方法在AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层上生长n-GaN薄层，通过沉积2D Ga₂S₃层后转移2D Ga₂S₃至n-GaN层制备紫外光探测器具有以下突出优势：

1、本发明的紫外光探测器使用衬底层-缓冲层-功能层的结构，增大了n-GaN层的面积，从而有效提高该器件的工作效率；2、MOCVD适合大面积材料生长，可获得大面积n-GaN薄膜；3、采用缓冲层结构，降低晶格失配，且n-GaN为薄层，可降低相分离，可提升n-GaN薄膜质量；4、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，从而获得高性能紫外光探测器；5、宽带隙材料在同样的温度下具有较小的本征载流子浓度，有助于探测器的热载流子浓度保持在一个相当低的水平，因而减小了器件漏电流的情况；6、由于很强的化学键，该紫外光探测器器件的制作工艺就能同相当多的半导体高温可燃加工工艺相兼容；7、2D Ga₂S₃材料与GaN功能层形成II型结异质结，这种极强的化学键还减缓了器件的老化过程，使其能在极其恶劣的条件下工作相当长的时间。

进一步地，所述Si衬底的厚度为450～460μm。

进一步地，所述AlN/AlGaN缓冲层包括AlN层和AlGaN层。

进一步地，所述AlN层的厚度为300～400nm。

进一步地，所述AlGaN层的厚度为450～650nm。

进一步地，所述u-GaN缓冲层的厚度为1.0～2.0μm。

进一步地，所述n-GaN层的厚度为140～200nm。

进一步地，所述2D Ga₂S₃层的厚度为95～105nm。

进一步地，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。

进一步地，所述Ni层和Au层的厚度分别为80～120nm。

进一步地，第二金属电极的截面为矩形。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：

本发明通过引入缓冲层提升AlGaN材料质量，通过采用2D Ga₂S₃材料与GaN功能层形成II型结异质结结构，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，而探测器中Ga₂S₃的使用可以显著提高探测器的荧光性能。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。

通过2D Ga₂S₃/GaN II型异质结结构，在异质结界面处建立内建电场，电子向2DGa₂S₃层迁移，空穴向n-GaN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、高响应紫外光探测器结构设计及制备。

通过在n-GaN层上引入2D Ga₂S₃层，利用2D Ga₂S₃材料禁带宽度为3.05eV及其天然p型的特点，能够与n-GaN层实现II型异质结结构，在界面上形成内建电场，实现自驱动，完成光生载流子的有效分离和传输，产生更大光电流，实现了高响应的紫外探测器；宽带隙材料在同等温度下具有较小的本征载流子浓度，有助于探测器的热载流子浓度保持在一个相当低的水平，因而减小了器件漏电流的情况。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的俯视图；

图3为本实用新型在无外加偏压下所测得的光谱响应图；

图4为本实用新型在外加偏压下不同光强作用所得到的响应曲线。

其中，1、Si衬底层；2、AlN/AlGaN缓冲层；3、u-GaN缓冲层；4、n-GaN层；5、2D Ga₂S₃层；6-1、第一金属电极；6-2、第二金属电极。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，由下至上依次包括Si衬底层1、AlN/AlGaN缓冲层2、u-GaN缓冲层3、n-GaN层4，2D Ga₂S₃层5以及第一金属电极6-1、第二金属电极6-2；

其中，Si衬底层1的厚度为450～460μm；

AlN/AlGaN缓冲层2包括AlN层和AlGaN层，AlN层的厚度为300～400nm、AlGaN层的厚度为450～650nm；

u-GaN缓冲层3的厚度为1.0～2.0μm；n-GaN层4厚度为140～200nm；2D Ga₂S₃层5的厚度为95～105nm。

第一金属电极6-1和第二金属电极6-2为Ni/Au金属层电极，Ni/Au金属层电极包括Ni层和Au层。Ni层和Au层的厚度均为80～120nm。

以下实施例中Si衬底层、AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层、n-GaN层的长宽尺寸均为5mm×8mm；2D Ga₂S₃层尺寸为2mm×2mm、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

如图1所示，一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，由下至上依次包括Si衬底层1、AlN/AlGaN缓冲层2、u-GaN缓冲层3、n-GaN层4，2D Ga₂S₃层5以及第一金属电极6-1、第二金属电极6-2；第一金属电极6-1和第二金属电极6-2为Ni/Au金属层电极，Ni/Au金属层电极包括Ni层和Au层。

第二金属电极的截面为矩形。

如图2所示，n-GaN层4设有孔，2D Ga₂S₃层5位于n-GaN层4孔内，且n-GaN层4和2DGa₂S₃层5接触；第二金属电极6-2位于n-GaN层4外侧，且第二金属电极6-2与n-GaN层4接触。

本实施例的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外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、n-GaN缓冲层。Si衬底层1的厚度为450μm。

AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层薄膜厚度分别为300nm、450nm、1.5μm；其次采用MOCVD生长n-GaN层，n-GaN层厚度为150nm。

(2)按照结构设计，采用CVD技术在n-GaN衬底上生长2D Ga₂S₃层，2D Ga₂S₃层厚度为100nm。

(3)将步骤(2)得到的的2D Ga₂S₃层进行湿法转移至n-GaN层上，获得2D Ga₂S₃/GaN异质结结构。

(4)按照电极设计，将步骤(3)得到的的n-GaN及2D Ga₂S₃光刻，首先将样品匀胶，并烘干，然后进行曝光，并显影，最后经过氧离子处理。

(5)按照电极设计，将步骤(4)得到的n-GaN及2D Ga₂S₃进行蒸镀，控制蒸镀速率，先蒸镀Ni后蒸镀Au分别蒸镀95nm，在n-GaN层蒸镀电极为阳极，2D Ga₂S₃层蒸镀电极为阴极。取出后清洗得到2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动蓝光探测器。

(6)将步骤(5)得到的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器进行测试。

图3为本实施例所得2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外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16.5mA/W高的响应度。

图4为本实施例所得2D Ga₂S₃/GaNⅡ型异质结自驱动紫外光探测器在外加偏压下不同光强作用所得到的响应曲线。从下到上，实线、划线及点划线分别为暗电流、弱光强对应光电流和强光强对应光电流。

实施例2

如图1所示，一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，由下至上依次包括Si衬底层1、AlN/AlGaN缓冲层2、u-GaN缓冲层3、n-GaN层4，2D Ga₂S₃层5以及第一金属电极6-1、第二金属电极6-2；第一金属电极6-1和第二金属电极6-2为Ni/Au金属层电极，Ni/Au金属层电极包括Ni层和Au层。

第二金属电极的截面为矩形。

如图2所示，n-GaN层4设有孔，2D Ga₂S₃层5位于n-GaN层4孔内，且n-GaN层4和2DGa₂S₃层5接触；第二金属电极6-2位于n-GaN层4外侧，且第二金属电极6-2与n-GaN层4接触。

本实施例的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外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、n-GaN缓冲层。Si衬底层1的厚度为460μm。

AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层薄膜厚度分别为350nm、550nm、1μm；其次采用MOCVD生长n-GaN层，n-GaN层厚度为140nm。

(2)按照结构设计，采用CVD技术在n-GaN衬底上生长2D Ga₂S₃层，2D Ga₂S₃层厚度为95nm。

(3)将步骤(2)得到的的2D Ga₂S₃层进行湿法转移至n-GaN层上，获得2D Ga₂S₃/GaN异质结结构。

(4)按照电极设计，将步骤(3)得到的的n-GaN及2D Ga₂S₃光刻，首先将样品匀胶，并烘干，然后进行曝光，并显影，最后经过氧离子处理。

(5)按照电极设计，将步骤(4)得到的n-GaN及2D Ga₂S₃进行蒸镀，控制蒸镀速率，先蒸镀Ni后蒸镀Au分别蒸镀80nm，在n-GaN层蒸镀电极为阳极，2D Ga₂S₃层蒸镀电极为阴极。取出后清洗得到2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动蓝光探测器。

实施例3

如图1所示，一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，由下至上依次包括Si衬底层1、AlN/AlGaN缓冲层2、u-GaN缓冲层3、n-GaN层4，2D Ga₂S₃层5以及第一金属电极6-1、第二金属电极6-2；第一金属电极6-1和第二金属电极6-2为Ni/Au金属层电极，Ni/Au金属层电极包括Ni层和Au层。

第二金属电极的截面为矩形。

如图2所示，n-GaN层4设有孔，2D Ga₂S₃层5位于n-GaN层4孔内，且n-GaN层4和2DGa₂S₃层5接触；第二金属电极6-2位于n-GaN层4外侧，且第二金属电极6-2与n-GaN层4接触。

本实施例的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外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、n-GaN缓冲层。Si衬底层1的厚度为450μm。

AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层薄膜厚度分别为400nm、650nm、2μm；其次采用MOCVD生长n-GaN层，n-GaN层厚度为200nm。

(2)按照结构设计，采用CVD技术在n-GaN衬底上生长2D Ga₂S₃层，2D Ga₂S₃层厚度为105nm。

(3)将步骤(2)得到的的2D Ga₂S₃层进行湿法转移至n-GaN层上，获得2D Ga₂S₃/GaN异质结结构。

(4)按照电极设计，将步骤(3)得到的的n-GaN及2D Ga₂S₃光刻，首先将样品匀胶，并烘干，然后进行曝光，并显影，最后经过氧离子处理。

(5)按照电极设计，将步骤(4)得到的n-GaN及2D Ga₂S₃进行蒸镀，控制蒸镀速率，先蒸镀Ni后蒸镀Au分别蒸镀120nm，在n-GaN层蒸镀电极为阳极，2D Ga₂S₃层蒸镀电极为阴极。取出后清洗得到2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动蓝光探测器。

本实用新型的创新的提出了如下设计方案：

(1)设计2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器的外延结构：对于AlGaN材料与Si衬底之间晶格失配(>17％)和热失配(>56％)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GaN材料的质量。

(2)用MOCVD技术在Si衬底上生长高质量n-GaN材料：通过MOCVD技术先在Si衬底上高温生长AlN/AlGaN缓冲层、GaN缓冲层，再在缓冲层上生长n-GaN层，抑制相分离，实现高质量n-GaN材料的生长。

(3)2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器及其异质结的优化设计：设计2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器的器件结构，利用2D Ga₂S₃材料可以与n-GaN材料形成II型异质结结构的特点，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 Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器的制备：优化探测器制备工艺，采用CVD法生长2D Ga₂S₃，通过湿法转移技术将Si衬底上2D Ga₂S₃层转移至n-GaN层上，通过光刻蒸镀工艺，在暴露n-GaN层以及2D Ga₂S₃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 Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器性能的影响，提升2DGa₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器的灵敏度和响应度，实现高性能自驱动紫外光探测器制备。

本实用新型提供了一种先采用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n-GaN层，再采用CVD法生长2D Ga₂S₃，通过湿法转移的方法将Si衬底上2D Ga₂S₃层转移至n-GaN层上，最后通过光刻蒸镀工艺，在n-GaN层以及2D Ga₂S₃层上制备金属电极，实现了2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器。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。

本实用新型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，提升紫外光波段的量子效率；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。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，由下往上依次包括：Si衬底层、AlN/AlGaN缓冲层、u-GaN缓冲层和n-GaN层；

所述n-GaN层上方一侧设置有2D Ga₂S₃层，所述2D Ga₂S₃层与n-GaN层构成II型异质结结构，所述n-GaN层上方另一侧设置有第一金属电极；所述2D Ga₂S₃层上方设置有第二金属电极。

2.根据权利要求1所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，n-GaN层设有孔，2D Ga₂S₃层位于n-GaN层孔内，且n-GaN层和2D Ga₂S₃层接触；第二金属电位于n-GaN层(4)外侧，且第二金属电极与n-GaN层接触。

3.根据权利要求1所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述Si衬底层的厚度为450～460μm。

4.根据权利要求1所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述AlN/AlGaN缓冲层包括AlN层和AlGaN层，所述AlN层的厚度为300～400nm；所述AlGaN层的厚度为450～650nm。

5.根据权利要求1所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述u-GaN缓冲层的厚度为1.0～2.0μm。

6.根据权利要求1所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述n-GaN层的厚度为140～200nm。

7.根据权利要求1所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述2D Ga₂S₃层的厚度为95～105nm。

8.根据权利要求1所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，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。

9.根据权利要求8所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述Ni层和Au层的厚度分别为80～120nm。

10.根据权利要求1所述的2D Ga₂S₃/GaN II型异质结自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述第二金属电极的截面为矩形。

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