光电探测器及其制作方法与流程

1.本发明属于光电探测技术领域，具有地讲，涉及一种光电探测器及其制作方法。


背景技术：

2.光电探测技术在医疗、净水、环境监测和加密通讯等领域有广泛的应用，是继红外和激光探测技术之后的又一项新型的军民两用探测技术，在环境监测、火焰检测、地质检测、空间通信、火灾预警和电子对抗等领域具有不可替代的优势。
3.iii族氮化物gan、aln和inn及其多元合金材料的带隙几乎涵盖了可见光到紫外的全部波段。algan材料相较于传统的si基材料具有更强的抗辐照性能，在极端的物理和化学环境中也具有良好的稳定性，在航空航天探测器领域具有极大的应用潜力。此外algan材料还具有高电子饱和漂移速率、高击穿电场、高热导率以及高抗辐射能力等优良的特性，是一种优良的光电材料。近年来algan探测器发展迅猛，其中，光电导型algan探测器具有结构简单，内部增益高等特点，但是其显影速度慢、暗电流高和长波假信号等缺点，限制了其在直流、高速器件领域的应用。肖特基型algan探测器具有平滑的响应率，其位于半导体表面的空间电荷区抑制了在p-n和p-i-n器件中观察到的短波量子效率降低的现象，使器件的响应率不依赖入射光强和温度，这是肖特基型algan探测器的一大优势。
4.尽管肖特基型algan探测器有很多优点，然而其肖特基异质结的光吸收效率受到阳极材料的限制，即传统肖特基异质结中作为阳极的金属(通常例如au，ag，cu和pt)薄层透光率很低，不利于探测器的光吸收，限制了探测器光响应度的提高。另外，常用的金属电极与algan材料的功函数难以匹配，并且在金属的沉积过程中，金属与半导体界面间会产生明显的晶格畸变和界面键合紊乱，导致探测器的内量子效率降低。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光电探测器及其制作方法。
6.根据本发明的实施例的一方面提供的光电探测器，所述光电探测器包括由mxene材料层和algan材料层形成的mxene/algan范德瓦尔斯异质结。
7.在上述实施例的一方面提供的光电探测器的一个示例中，所述光电探测器还包括：基底、n型半导体材料层、第一电极以及第二电极；
8.其中，所述n型半导体材料层设置于所述基底上，所述algan材料层覆盖于所述n型半导体材料层上，所述mxene材料层设置于所述algan材料层上，所述第一电极与所述mxene材料层接触，所述第二电极与所述n型半导体材料层接触。
9.在上述实施例的一方面提供的光电探测器的一个示例中，所述光电探测器还包括：绝缘层，所述绝缘层设置于所述algan材料层上，并且所述绝缘层围绕所述mxene材料层，所述第一电极设置于所述绝缘层上，并延伸到所述mxene材料层上以与所述mxene材料层接触。
10.在上述实施例的一方面提供的光电探测器的一个示例中，所述algan材料层的部分和所述n型半导体材料层的部分被去除，以使所述n型半导体材料层被暴露，所述第二电极设置于暴露出的所述n型半导体材料层上。
11.根据本发明的实施例的另一方面提供的光电探测器的制作方法，其包括：利用mxene材料层和algan材料层形成所述光电探测器的mxene/algan范德瓦尔斯异质结。
12.在上述实施例的另一方面提供的光电探测器的制作方法的一个示例中，所述制作方法还包括：在基底上制作形成n型半导体材料层；在所述n型半导体材料层上制作形成覆盖所述n型半导体材料层的所述algan材料层；在所述algan材料层上制作形成所述mxene材料层；以及制作形成接触所述mxene材料层的第一电极和接触所述n型半导体材料层的第二电极。
13.在上述实施例的另一方面提供的光电探测器的制作方法的一个示例中，所述在所述algan材料层上制作形成所述mxene材料层，包括：制备形成mxene胶体溶液；在所述algan材料层上形成绝缘层，并在所述绝缘层中形成暴露其下的所述algan材料层的过孔；将所述mxene胶体溶液涂于被所述过孔暴露出的所述algan材料层上，以形成mxene材料层。
14.在上述实施例的另一方面提供的光电探测器的制作方法的一个示例中，所述制作形成接触所述mxene材料层的第一电极和接触所述n型半导体材料层的第二电极，包括：将所述algan材料层的部分和所述n型半导体材料层的部分刻蚀去除，以使所述n型半导体材料层被暴露；在所述绝缘层上形成延伸并接触到所述mxene材料层上的第一电极，且在暴露的所述n型半导体材料层上形成第二电极。
15.在上述实施例的另一方面提供的光电探测器的制作方法的一个示例中，所述制备形成mxene胶体溶液，包括：将max相材料加入氯化氢和氟化锂的混合溶液中进行反应，以形成备用混合溶液；对所述备用混合溶液进行离心处理，以使所述备用混合溶液分层为第一上层清液和第一下层沉淀；利用乙醇和超纯水对所述第一下层沉淀进行重复洗涤处理，以获得第二上层清液和第二下层沉淀；在所述第二下层沉淀中加入去离子水并在惰性气体氛围下进行机械超声处理，以获得作为所述mxene胶体溶液的上层清液。
16.在上述实施例的另一方面提供的光电探测器的制作方法的一个示例中，所述制备形成mxene胶体溶液，还包括：将max相材料加入氯化氢和氟化锂的混合溶液中进行反应，以形成备用混合溶液；对所述备用混合溶液进行离心处理，以使所述备用混合溶液分层为第一上层清液和第一下层沉淀；利用乙醇和超纯水对所述第一下层沉淀进行重复洗涤处理，以获得第二上层清液和第二下层沉淀；对所述第二上层清液进行震荡分离处理，并向经震荡分离后的所述第二上层清液中加入去离子水并进行离心处理，以获得作为所述mxene胶体溶液的上层清液。
17.有益效果：本发明采用二维材料mxene代替金属阳极材料，由mxene材料层和algan材料层形成mxene/algan范德瓦尔斯异质结，与传统的异质结相比，mxene材料具有较高的透光率、金属导电性以及可调的功函数，所形成的范德瓦尔斯异质结不受晶格匹配的限制，缺陷极少，能够极大地提升界面质量，因此，基于所述mxene/algan范德瓦尔斯异质结形成的光电探测器，不仅有利于提高光电探测器的光吸收和光生电流的传输效率，提高光响应度，还能有效地降低光电探测器的制造成本，为光电探测器的规模化应用提供新的契机。此外，所述光电探测器的制作方法缩减了工艺步骤，制作方法简单。
附图说明
18.通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
19.图1是根据本发明的实施例的光电探测器的结构示意图；
20.图2是根据本发明的实施例的光电探测器的制作方法的流程图；
21.图3是根据本发明的实施例的mxene/algan范德瓦尔斯异质结的制作方法的流程图；
22.图4是根据本发明的实施例的mxene材料层的制作过程示意图。
具体实施方式
23.以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
24.如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
25.如背景技术中所述，传统的光电探测器中其肖特基异质结中的阳极材料不仅不利于探测器的光吸收，还易引入较多的界面缺陷。因此，为了解决如背景技术中所述的现有技术中有关肖特基型光电探测器存在的诸多技术问题，根据本发明的实施例提供了一种光电探测器及其制作方法。所述光电探测器包括由mxene材料层和algan材料层形成的mxene/algan范德瓦尔斯异质结。
26.mxene材料层与algan材料层以分子间作用力耦合在一起，形成mxene/algan范德瓦尔斯异质结。mxene材料具有较高的透光率、金属导电性以及可调的功函数，所形成的范德瓦尔斯异质结不受晶格匹配的限制，缺陷极少，能够极大地提升界面质量，因此，基于所述mxene/algan范德瓦尔斯异质结形成的光电探测器，不仅有利于提高光电探测器的光吸收效率和光生电流的传输效率，提高光响应度，还能有效地降低光电探测器的制造成本。
27.以下将结合附图来详细描述根据本发明的实施例的光电探测器及其制作方法。
28.图1是根据本发明的实施例的光电探测器的结构示意图。参照图1，所述光电探测器包括：基底10、n型半导体材料层20、algan材料层30、mxene材料层40、第一电极50以及第二电极60。
29.其中，所述n型半导体材料层20设置于所述基底10上，所述algan材料层30覆盖于所述n型半导体材料层20上，所述mxene材料层40设置于所述algan材料层30上，所述第一电极50与所述mxene材料层40接触，所述第二电极60与所述n型半导体材料层20接触。
30.在一个示例中，所述光电探测器还包括：绝缘层70，所述绝缘层70设置于所述algan材料层30上，并且所述绝缘层70围绕所述mxene材料层40，所述第一电极50设置于所述绝缘层70上，并延伸到所述mxene材料层40上以与所述mxene材料层40接触。
31.在一个示例中，所述algan材料层30的部分和所述n型半导体材料层20的部分被去除，以使所述n型半导体材料层20被暴露，所述第二电极60设置于暴露出的所述n型半导体材料层20上。
32.mxene是一类新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物材料，mxene的化学通式为m
n 1
xnt
x
(n＝1，2，3)，其中m为过渡金属元素(ti、v、c、nb等)，x为c和/或n元素，t
x
为表面吸附官能团(-oh、＝o，和/或-f)。
33.表面钝化的二维材料以一定方式平摊或者堆叠在半导体表面，两者以分子间作用力耦合在一起，从而形成范德瓦尔斯异质结。
34.mxene二维材料由丰富的元素组成，具有独特的层状堆垛结构，其具有较高的金属导电性和透光率，与传统的金属薄膜电极相比，更有利于光电探测器对光信号的接收和光生电流的传输；此外，mxene材料还具有可调的功函数，从而可以提供与不同的半导体材料相匹配的肖特基结势垒高度，因此，其与algan材料形成的mxene/algan范德瓦尔斯异质结不受晶格匹配的限制，缺陷极少，能够极大地提升界面质量。
35.根据本发明的实施例的另一方面提供的光电探测器的制作方法，其包括：利用mxene材料层40和algan材料层30形成所述光电探测器的mxene/algan范德瓦尔斯异质结。
36.图2是根据本发明的实施例的光电探测器的制作方法的流程图。
37.参照图2，在步骤s210中，在基底10上制作形成n型半导体材料层20。
38.在一个示例中，以c面蓝宝石上生长的aln模板为所述基底10；所述n型半导体材料层20为n型掺杂的gan层20，即n-gan层20，其中，通过金属有机化合物气相沉淀法(mocvd)或分子束外延法(mbe)在所述基底10上生长所述n-gan层20。
39.所述n-gan层20起到与电极形成接触并提供载流子的作用，此外，所述n-gan层20还起到缓冲层的作用。
40.在步骤s220中，在所述n型半导体材料层20上制作形成覆盖所述n型半导体材料层20的所述algan材料层30。
41.在本实施例中，所述algan材料层30的厚度为20nm～150nm，其中，通过金属有机化合物气相沉淀法(mocvd)或分子束外延法(mbe)生长所述algan材料层30。
42.在一个示例中，通过mocvd生长所述algan材料层30；其中，氨气、三甲基铝和三甲基镓分别为n源、al源和ga源，氢气为载气，生长的温度为1040℃，并在生长过程中根据需要调整三甲基铝(tma1)流量和iii/v比(生长过程中三族元素ga和五族元素n的比例)。
43.在另一个示例中，通过mbe生长所述algan材料层30；其中，利用in辅助中断生长方法，并在生长过程中根据需要调整温度和iii/v比(生长过程中三族元素ga和五族元素n的比例)。
44.在步骤s230中，在所述algan材料层30上制作形成所述mxene材料层40。
45.在所述algan材料层30上制作形成所述mxene材料层40，所述mxene材料层40与所述algan材料层30以分子间作用力耦合在一起，形成mxene/algan范德瓦尔斯异质结。
46.参照图3，所述步骤s230具体包括：
47.步骤s310，制备形成mxene胶体溶液。
48.制备形成所述mxene胶体溶液后，通过调节所述mxene胶体溶液的ph值，从而获得具有不同功函数的mxene胶体溶液；其中，通过加入超纯水和乙醇、碱性稀溶液(naoh、koh、
lioh等)或者hcl溶液调节所述mxene胶体溶液的ph值。
49.通过调节所述mxene胶体溶液的ph值，使所述mxene材料具有多种表面功能团，不同的官能团可以使mxene材料的功函数在2.14～5.65ev范围内进行调节，从而可使其提供与不同的半导体材料相匹配的肖特基结势垒高度。
50.在一个示例中，实现步骤s310的方法可以包括：
51.第一步，将max相材料加入氯化氢(hcl)和氟化锂(lif)的混合溶液中进行反应，以形成备用混合溶液。
52.max相是一类具有六方晶格结构的纳米层状过渡金属化合物，分子式为m
(n 1)
axn(n＝1，2，3)，其中，m为过渡金属元素，a代表主族元素，x代表碳，和/或氮。
53.所述max相材料包括ti3alc2、ti2alc、nb2alc和v2alc；其中，ti3alc2是合成最早也是应用最广泛的一种max相材料，其具有结构稳定、制备方法简单、价格低等特点，具有极强的代表性。
54.在本实施例中，所述max相材料为ti3alc2。
55.所述hcl和lif的混合溶液的制备方法包括：将浓盐酸进行稀释，获得浓度为6mol/l～9mol/l的盐酸溶液，取预定质量的lif粉末加入到稀释后的盐酸溶液中，进行超声10min，以制备获得所述混合溶液。
56.其中，所述lif粉末和稀释后的盐酸溶液的反应比例为1g的lif粉末对应20ml所述稀释后的盐酸溶液；所述lif粉末与所述ti3alc2材料的质量比范围为0.67：1～1：1。
57.所述hcl和lif的混合溶液为基于氟化物的盐蚀刻剂，通过调控刻蚀溶液的浓度有利于提高后续制备获得的mxene薄片的质量以及mxene薄片的尺寸。
58.第二步，对所述备用混合溶液进行离心处理，以使所述备用混合溶液分层为第一上层清液和第一下层沉淀。
59.第三步，利用乙醇和超纯水对所述第一下层沉淀进行重复洗涤处理，以获得第二上层清液和第二下层沉淀；其中，对所述第一下层沉淀进行重复洗涤直至获得的所述第二上层清液的ph≥6。
60.第四步，在所述第二下层沉淀中加入去离子水并在惰性气体氛围下进行机械超声处理，以获得作为所述mxene胶体溶液的上层清液；其中，进行机械超声的时间为30min。
61.在另一个示例中，实现步骤s310的方法还可以包括：
62.第一步，将max相材料加入氯化氢和氟化锂的混合溶液中进行反应，以形成备用混合溶液。
63.第二步，对所述备用混合溶液进行离心处理，以使所述备用混合溶液分层为第一上层清液和第一下层沉淀。
64.第三步，利用乙醇和超纯水对所述第一下层沉淀进行重复洗涤处理，以获得第二上层清液和第二下层沉淀；其中，对所述第一下层沉淀进行重复洗涤直至获得的所述第二上层清液的ph≥6。
65.第四步，对所述第二上层清液进行震荡分离处理，并向经震荡分离后的所述第二上层清液中加入去离子水并进行离心处理，以获得作为所述mxene胶体溶液的上层清液；其中，进行震荡分离的时间为5min；离心的时间为30min，离心的转速为2500rpm、5000rpm或10000rpm。
66.ti3alc2为层状结构，单层结构之间会发生粘连，通过进行震荡分离，可以将单层结构之间进行分散。
67.通过采取不同的转速进行离心，可以获得不同长度尺寸的mxene薄片，其中，离心的转速为2500rpm时，可制备获得长度尺寸为2μm的mxene薄片；离心的转速为5000rpm时，可制备获得长度尺寸为1μm的mxene薄片；离心的转速为10000rpm时，可制备获得长度尺寸为200nm的mxene薄片。
68.步骤s320，在所述algan材料层30上形成绝缘层70，并在所述绝缘层70中形成暴露其下的所述algan材料层30的过孔。
69.具体地，在所述algan材料层30上贴合一层绝缘层70，并在所述绝缘层70的预定位置处进行激光雕刻以在所述绝缘层70中形成暴露其下的所述algan材料层30的过孔；其中，所述绝缘层70为pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)胶带层，所述过孔为3mm*3mm的方形孔。
70.步骤s330，将所述mxene胶体溶液涂于被所述过孔暴露出的所述algan材料层30上，以形成mxene材料层40。
71.图4是根据本发明的实施例的mxene材料层的制作过程示意图，参照图4，通过滴涂或喷涂的方式将所述mxene胶体溶液涂于所述过孔暴露出的algan材料层30上，待其自然干燥后形成所述mxene材料层40。
72.在步骤s240中，制作形成接触所述mxene材料层40的第一电极50和接触所述n型半导体材料层的第二电极60。
73.在一个示例中，实现步骤s240的方法具体包括：
74.首先，将所述algan材料层30的部分和所述n型半导体材料层的部分刻蚀去除，以使所述n型半导体材料层被暴露；
75.其次，在所述绝缘层70上形成延伸并接触到所述mxene材料层40上的第一电极50，且在暴露的所述n型半导体材料层上形成第二电极60。
76.综上所述，本发明采用二维材料mxene代替金属薄层阳极材料，将表面钝化的mxene二维材料以一定的方式平摊或者堆叠在algan材料表面，两者之间以分子间作用力耦合在一起，从而形成范德瓦尔斯异质结。与传统的异质结相比，mxene材料具有较高的透光率和金属导电性，且具有可调的功函数，所形成的范德瓦尔斯异质结不受晶格匹配的限制，缺陷极少，能够极大地提升界面质量，因此，基于所述mxene/algan范德瓦尔斯异质结形成的光电探测器，不仅有利于提升探测器的光吸收和光生电流的传输效率，提高光响应度，还能够有效地降低光电探测器制造成本，为光电探测器的规模化应用提供新的契机。此外，所述光电探测器的制作方法缩减了工艺步骤，制作方法简单。
77.上述对本发明的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。
78.在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
79.以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施
例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。
80.本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。