石墨烯/非极性GaN紫外偏振探测器及其制备方法与应用

石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器及其制备方法与应用
技术领域
1.本发明属于光电探测器领域，具体涉及一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器及其制备方法与应用。


背景技术：

2.不同波段的紫外光电器件，可实现在不同领域(国防、军事、医疗等)的应用，如uva(400～320nm)波段器件可用于紫外固化等，uvb(320～280nm)波段器件可用于紫外光疗等，uvc(280～200nm)波段器件可用于紫外预警等，在国民经济和社会发展中起着重要作用。
3.偏振作为光的一种特殊属性，在光束与物质相互作用之后，其偏振态会发生变化。利用偏振光这一特性制备的偏振探测器可以实现对目标表面特征的探测，例如形状、表面朝向、粗糙度等，同时还能提高目标的对比度，减少光干扰，有利于对目标的探测和识别。
4.随着紫外光电市场的发展，具有偏振特性的紫外线展现出了广阔的发展前景。目前已经实现了偏振紫外光在有机物薄膜表面改性、大气探测、星空探测、地雷探测等领域的应用。因此实现紫外偏振光探测技术在民用、工业制造、航空航天、国防军工都有强烈的需求。
5.非极性gan由于具有各项异性、电子迁移率高、化学稳定性好等特点，是制备紫外偏振光探测器的最具潜力的候选者之一。但目前由于非极性gan大都采用异质外延工艺，由于晶格失配和热失配等因素，导致非极性gan缺陷密度过大，限制了非极性gan紫外偏振探测器的发展。


技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术的不足，本发明针对非极性gan紫外偏振探测器响应度过小的问题，提供一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器及其制备方法与应用，利用石墨烯具有透光性好、导电性好等优点，与非极性gan构成异质结可以形成内建电场，促进载流子分离，提高器件的响应性能，在实现紫外偏振光探测的同时，提高器件的光电流与响应度，减少器件的暗电流与噪声。
7.本发明的第一个目的在于提供一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器。
8.本发明的第二个目的在于提供一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的制备方法。
9.本发明的第三个目的在于提供一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的应用。
10.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
11.一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器，包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、非极性gan层和ti/au金属电极层，以及覆盖在非极性gan层上的隔离层、石墨烯层和au金属电极层；其中，所述ti/au金属电极层覆盖在非极性gan层的一侧上，所述隔离层覆盖在非极性gan层的另一侧上；所述石墨烯层部分覆盖在隔离层上，部分覆盖在非极性gan层上，且石墨烯层不与ti/au金属电极层接触；所述au金属电极层覆盖在隔离层上的石墨烯层上；所述
石墨烯层和非极性gan层形成石墨烯/非极性gan功能层。
12.进一步的，所述缓冲层包括生长在衬底上的aln层和生长在aln层上的algan层，厚度分别为50～150nm和250～400nm。
13.进一步的，所述非极性gan层为a面gan或m面gan，厚度为1～3μm。
14.进一步的，所述石墨烯层为单层或三层。
15.进一步的，所述隔离层为sio2或al2o3，厚度为150～250nm。
16.进一步的，所述衬底为r面蓝宝石、γ-laalo2或β-lagao2，厚度为300～450μm。
17.本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
18.一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的制备方法，所述方法包括：
19.采用金属有机物化学气相沉积法在衬底上依次生长缓冲层和非极性gan层；
20.在所述非极性gan层的两侧上分别进行光刻、蒸镀，制备得到隔离层和ti/au金属电极层；
21.在隔离层上和非极性gan上通过转移或生长得到石墨烯，并通过刻蚀获得石墨烯层；其中，所述石墨烯层为单层或三层，并与非极性gan层形成石墨烯/非极性gan功能层，且石墨烯层不与ti/au金属电极层接触；
22.在隔离层上的石墨烯层上通过光刻、蒸镀获得au金属电极层，au金属电极层的区域不超过隔离层上石墨烯区域。
23.进一步的，所述衬底为r面蓝宝石、γ-laalo2或β-lagao2；
24.采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在衬底上从下到上依次外延生长aln层、algan层和非极性gan层的温度分别为1100～1200℃、1100～1200℃和1000～1150℃。
25.进一步的，所述光刻包括匀胶、烘干、曝光、显影；所述蒸镀隔离层、ti/au金属电极层、au金属电极层的速率均为0.2～0.5nm/min；
26.所述刻蚀为等离子体刻蚀，刻蚀气体为空气或氧气，刻蚀功率为60～80w，时间为30～50min。
27.本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
28.一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的应用，将上述的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器用于紫外偏振光的探测，或将上述制备方法制备的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器用于紫外偏振光的探测。
29.本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
30.1、本发明提供的紫外偏振探测器，通过利用非极性gan的紫外偏振特性，获得了具有偏振特性的探测器，通过不同偏振角度的紫外入射光，实现了光电流比值达1.45。
31.2、本发明提供的紫外偏振探测器，利用了石墨烯的高载流子迁移率，厚度小的特点，与非极性gan结合形成石墨烯/非极性gan异质结，促进光生载流子分离，获得具有高响应度的偏振光探测器，实现了光电流达283μa@5v@365nm。
32.3、本发明通过电极结构设计，促进光生载流子的输运，增大探测的光电流。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
34.图1为本发明实施例中的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的截面图。
35.图2为本发明实施例中的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的俯视图。
36.图3为本发明实施例中的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的偏振光电流曲线。
37.图1、2中：
38.1-衬底、2-缓冲层、3-非极性gan层、4-ti/au金属电极层、5-隔离层、6-石墨烯层、7-au金属电极层。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
40.实施例1：
41.如图1、2所示，本实施例提供了一种石墨烯/非极性gan偏振探测器，包括从下到上依次排布的衬底1、缓冲层2、非极性gan层3、ti/au金属电极层4、隔离层5、石墨烯层6和au金属电极层7，其中：
42.所述衬底1为r面蓝宝石、γ-laalo2或β-lagao2，厚度为300～450μm；
43.所述缓冲层2包括在衬底1上生长的aln层和在aln层上生长的algan层，厚度分别为50～150nm和250～400nm；
44.所述非极性gan层3覆盖在algan层上，厚度为1～3μm；
45.所述ti/au金属电极层4覆盖在非极性gan层3的一侧上，从下到上排布ti金属层和au金属层，其中，ti金属层的厚度为10～30nm，au金属层的厚度为90～150nm；
46.所述隔离层5覆盖在非极性gan层3的另一侧上，其中隔离层为sio2或al2o3，厚度为150～250nm；
47.所述石墨烯层6部分覆盖在隔离层5上，部分覆盖在非极性gan层3上，石墨烯的层数为单层或三层，石墨烯层6和非极性gan层3形成石墨烯/非极性gan功能层；
48.au金属电极层7覆盖在隔离层5上的石墨烯层6上，厚度为100～180nm。
49.从图2可知，衬底1、缓冲层2、非极性gan层3、隔离层5、ti/au金属电极层的宽度均相同，隔离层5的宽度略大于石墨烯层6的宽度，au金属电极层7的宽度略小于石墨烯层6的宽度。
50.本实施例还提供了一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的制备方法，所述方法包括：
51.(1)采用金属有机物化学气相沉积法在衬底上依次生长缓冲层和非极性gan层；
52.(2)在所述非极性gan层上分别进行光刻、蒸镀隔离层和ti/au金属电极层；
53.(3)在隔离层和非极性gan通过转移或生长得到石墨烯，并通过刻蚀获得石墨烯层；
54.(4)在石墨烯层上通过光刻、蒸镀获得au金属电极层，au金属电极层的区域不超过隔离层上石墨烯区域。
55.其中：
56.步骤(1)具体包括：采用金属有机物化学气相沉积设备生长法，在衬底上从下到上依次外延生长aln层、algan层和非极性gan层的温度分别为1100～1200℃、1100～1200℃和1000～1150℃，其中，衬底为r面蓝宝石、γ-laalo2或β-lagao2，厚度为300～450μm；
57.步骤(2)中的光刻工艺包括匀胶、烘干、曝光、显影，隔离层为sio2或al2o3；
58.步骤(3)中的刻蚀为等离子体刻蚀，刻蚀气体为空气或氧气，刻蚀功率为60～80w，时间为30～50min；石墨烯的层数为单层或三层，
59.步骤(2)及步骤(4)中蒸镀隔离层、ti/au金属电极层和au金属层的速率均为0.2～0.5nm/min。
60.实施例2：
61.本实施例提供了一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的制备方法，包括以下步骤：
62.(1)在厚度为300μm的r面蓝宝石衬底上采用mocvd法生长，生长原材料为三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal)；依次生长厚度为150nm的aln层、350nm的algan层、1.2μm的非极性gan层，生长温度分别为1150℃、1150℃、1100℃；
63.(2)在非极性gan层上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀隔离层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备sio2隔离层，蒸镀速率为0.25nm/min；
64.(3)在步骤2得到的样品上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀ti/au金属电极层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备ti/au金属电极层，ti金属层靠近非极性gan层，蒸镀速率为0.25nm/min；au金属层远离非极性gan层，蒸镀速率为0.2nm/min；
65.(4)在步骤3得到的样品上利用湿法转移石墨烯。在转移的石墨烯上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得刻蚀石墨烯区域。对石墨烯进行等离子刻蚀，刻蚀气体为空气，功率为80w，刻蚀时间为40min，获得所需石墨烯层(部分在sio2隔离层上，部分在非极性gan层上，不与ti/au金属电极层接触)；
66.(5)在步骤4所得样品上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀au金属电极层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备au金属层，蒸镀速率为0.2nm/min。得到石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器。
67.其中，步骤(2)～步骤(5)中的匀胶转速为3500r/min，时间为35s；烘干时间为45s；曝光时间为25s，显影时间为60s。
68.本实施例制备的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器如图1、2所示，其中：aln和algan缓冲层厚度分别为150nm和350nm；非极性gan的厚度为1.2μm，石墨烯的层数为三层；ti/au金属层的ti和au厚度为25nm和105nm；au金属电极层厚度为130nm。
69.图3为本实施例所得的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的偏振光电流曲线，石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器在不同角度365nm偏振光角度下的光电流图，可以看出器件实现了偏振光响应，实现了对不同角度紫外偏振光的偏振探测。
70.实施例3：
71.本实施例提供了一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的制备方法，包括以下步
骤：
72.(1)在厚度为350μm的β-lagao2衬底上采用mocvd法生长，生长原材料为三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal)；依次生长厚度为50nm的aln层、250nm的algan层、1μm的非极性gan层，生长温度为1100℃、1100℃、1000℃；
73.(2)在非极性gan层上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀ti/au金属电极层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备ti/au金属电极层，ti金属层靠近非极性gan层，蒸镀速率为0.2nm/min；au金属层远离非极性gan层，蒸镀速率为0.2nm/min；
74.(3)在步骤2得到的样品上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀隔离层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备sio2隔离层，蒸镀速率为0.2nm/min；
75.(4)在步骤3得到的样品上利用湿法转移石墨烯。在转移的石墨烯上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得刻蚀石墨烯区域。对石墨烯进行等离子刻蚀，刻蚀气体为空气，功率为80w，刻蚀时间为40min，获得所需石墨烯层(部分在sio2隔离层上，部分在非极性gan层上，不与ti/au金属电极层接触)；
76.(5)在步骤4所得样品上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀au金属电极层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备au金属层，蒸镀速率为0.3nm/min。得到石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器；
77.其中，步骤(2)～步骤(5)中的匀胶转速为4000r/min，时间为30s；烘干时间为50s；曝光时间为30s，显影时间为60s。
78.本实施例制备的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器如图1、2所示，其中：aln和algan缓冲层厚度分别为50nm和250nm；非极性gan的厚度为1μm，石墨烯的层数为单层；ti/au金属层的ti和au厚度为30nm和90nm；au金属层厚度为100nm。
79.本实例制备的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的性能参数可参照实施例2的相应附图。
80.实施例4：
81.本实施例提供了一种石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的制备方法，包括以下步骤：
82.(1)在厚度为450μm的γ-laalo2衬底采用mocvd法生长，生长原材料为三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal)；依次生长厚度为150nm的aln层、400nm的algan层、3μm的非极性gan层，生长温度为1200℃、1200℃、1150℃；
83.(2)在步骤1得到的样品上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀隔离层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备al2o3隔离层，蒸镀速率为0.25nm/min；
84.(3)在步骤2得到的样品上利用湿法转移石墨烯。在转移的石墨烯上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得刻蚀石墨烯区域。对石墨烯进行等离子刻蚀，刻蚀气体为空气，功率为60w，刻蚀时间为50min，获得所需石墨烯层；
85.(4)在步骤3所得样品上进行光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀au金属电极层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备au金属层，蒸镀速率为0.5nm/min。得到石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器；
86.(5)在步骤4得到的样品上光刻(即匀胶、光刻、曝光和显影)，获得蒸镀ti/au金属电极层的区域。通过电子束蒸镀工艺制备ti/au金属电极层，ti金属层靠近非极性gan层，蒸
镀速率为0.5nm/min；au金属层远离非极性gan层，蒸镀速率为0.5nm/min。得到石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器；
87.其中，步骤(2)～步骤(5)中的匀胶转速为4000r/min，时间为30s；烘干时间为50s；曝光时间为30s，显影时间为60s。
88.本实施例制备的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器如图1、2所示，其中：aln和algan缓冲层厚度分别为150nm和400nm；非极性gan的厚度为3μm，石墨烯的层数为三层；ti/au金属层的ti和au厚度为30nm和150nm；au金属层厚度为180nm。
89.本实例制备的石墨烯/非极性gan紫外偏振探测器的性能参数可参照实施例2的相应附图。
90.以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。