基于Mxene-AlInGaN异质结的自驱动紫外光探测器及其制备方法

基于mxene-alingan异质结的自驱动紫外光探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于光电探测器领域，特别涉及一种基于mxene薄层与alingan半导体异质集成的自驱动紫外光探测器及其制备方法。


背景技术：

2.紫外光探测器作为基本的光电元件，能够将入射的短波长(《400nm)辐射转换为电信号以进一步处理，在通信、成像、生物检测、化学分析和日常监测等领域有着广泛应用。目前，商用紫外光探测器主要建立在真空光电倍增管和紫外增强型硅基光电二极管上。真空器件在使用真空管时，其大体积、高工作电压以及易碎等问题增加了器件的制造成本。硅基紫外器件由于硅的窄带隙，不利于紫外光的吸收，同时间接带隙会降低器件的量子效率。此外高性能硅基光电二极管的制备还受限于微加工工艺，例如高温扩散和离子注入通常会缩短少数载流子寿命，导致器件性能大幅度下降。
3.为满足现代微型电子行业的要求，基于新型材料和器件结构的紫外光探测器仍在不断探索中。二维层状材料由于其强光-物质相互作用、与厚度相关的带隙、高面内载流子迁移率以及层间范德华力等特点，受到了广泛的关注与研究。其中，mxene是一种由过渡金属碳化物或碳氮化物组成的新型二维材料，mxene胶体溶液可经过滴铸和旋涂等简单方法制成高质量mxene薄膜。超薄的mxene薄层具有高透光率、低电阻率和机械柔性，有利于在光电探测及柔性电子器件中的应用。此外，iii族氮化物半导体被广泛应用于功率器件、发光二极管（led）、激光二极管（ld）和光电探测器等领域，并且在柔性电子学中中占有一定地位。其中六方纤锌矿结构alingan具有高热力学、机械和化学稳定性，其3.4-5.0ev的宽直接带隙适用于短波长紫外光探测器。
4.本专利发明了一种自驱动紫外光探测器，将二维mxene与三维alingan异质集成，异质结界面处的肖特基势垒使得探测器在零偏压下的即可输出光电流。采用激光剥离方法，将异质结转移到柔性背板上，获得可灵活弯曲的柔性紫外光探测器。得益于mxene薄层的高透光性和alingan的高导电性，探测器表现出优秀的集光以及电流扩展能力。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明提供了一种基于mxene-alingan异质结的自驱动紫外光探测器及其制备方法，该探测器在零偏压下具备自驱动功能。
6.技术方案：一种基于mxene-gan异质结的自驱动紫外光探测器，包括：衬底，为alingan外延层晶片，自下而上分别为缓冲层u-alingan、电流扩展层n-alingan和非掺杂u-alingan层；在所述衬底的部分区域，通过刻蚀至电流扩展层形成第一区域，未刻蚀的区域形成第二区域；金属负电极，位于第一区域，通过在该第一区域表面蒸镀金属形成；
正电极，位于第二区域，由mxene材料沉积于第二区域的预定位置形成；或者，所述衬底中的非掺杂层上表面分为两个间隔的区域；所述金属负电极和正电极分别位于其中一个区域，正电极由mxene材料沉积在预定位置形成。
7.根据本技术的一个方面，所述正极上远离非掺杂u-alingan层的一侧形成有金属测试电极。
8.根据本技术的一个方面，所述alingan外延层晶片中，alingan材料的组分为al
x
inyga
（1-x-y）
n；其中，0《x《0.7，0《y《0.3。
9.根据本技术的一个方面，所述电流扩展层中n-alingan的厚度为0.1~10.0μm，电子浓度为1*17cm-3
~1*20cm-3
；所述非掺杂u-alingan的厚度为0.01~1μm，电子浓度为1*16cm-3
~1*17cm-3
。
10.根据本技术的一个方面，所述金属负电极的后度为20-120nm，金属负电极采用的金属包括ti、al、ni和au，金属退火后熔融为合金与电流扩展层形成电接触。
11.根据本技术的一个方面，所述正电极的厚度为5~50nm，所述金属测试电极通过蒸镀au形成，金属测试电极的厚度为200nm。
12.根据本技术的另一方面，提供一种制备上述探测器的方法，包括如下步骤：步骤1、将衬底切割成所需尺寸，清洗衬底并吹干；步骤2、浸泡衬底，改善衬底表面亲水性；步骤3、将衬底的部分区域刻蚀至电流扩展层，露出电流扩展层表面；步骤4、在电流扩展层上光刻负电极图形，使用电子束蒸发技术，在电流扩展层蒸镀金属作为负电极；采用快速热退火技术，使金属在高温退火下形成合金；步骤5、制备mxene胶体溶液，在衬底上的未刻蚀区域光刻正电极图形，使用喷雾沉积方式将mxene溶液镀于所述未刻蚀区域表面并晾干；步骤6、采用真空退火技术，对mxene薄层进行真空热退火，形成正电极。
13.根据本技术的一个方面，步骤7、在晾干后的mxene层表面部分区域光刻图形，使用电子束蒸发技术，蒸镀金属au作为测试电极。
14.根据本技术的一个方面，步骤8、采用激光剥离方法，将缓冲层u-alingan与蓝宝石基片分离，利用uv胶带把探测器转移到涂有粘合剂的柔性背板上，获得可弯曲的柔性紫外光探测器。
15.根据本技术的一个方面，所述mxene胶体溶液由ti3c2tx颗粒溶于去离子水中，经离心机反复洗涤、沉淀后获得。
16.有益效果：1．所设计的探测器具备自驱动功能，在零偏压下可输出光电流，有利于提高器件的工作效率。mxene薄层具有高透光性，能够扩大非掺u-alingan光敏层的感光面积，有效改善探测器的集光能力。蒸镀的ti/al/ni/au与n-alingan形成欧姆接触，有利于增强器件的集电能力。
17.2．本发明利用激光剥离和uv胶带可将探测器转移到柔性背板上，实现探测器的灵活弯曲与应变，扩大器件的应用场景。
18.3．本发明还提供了一种简便、高效的mxene溶液喷涂工艺，可通过改变溶液浓度或
喷涂量来调控mxene薄膜的沉积厚度，该方法降低了器件的制造成本。
附图说明
19.图1为mxene-alingan异质结自驱动紫外光探测器的结构示意图。
20.其中：1为蓝宝石基片，2为外延生长的缓冲层u-alingan，3为电流扩展层n-alingan，4为非掺杂u-alingan，5为蒸镀的金属ti/al/ni/au，6为喷涂沉积的mxene薄层，7为蒸镀的测试电极au。
21.图2为mxene薄层的透光率。
22.图3为转移到柔性背板上的mxene-alingan异质结自驱动紫外光探测器结构示意图。
23.其中：8为mxene-alingan自驱动紫外光探测器，9为柔性背板，包括铜箔、pet塑料和柔性玻璃等。
24.图4为探测器转移到弯曲的柔性背板上后，分别在无光照、365nm光照和254nm光照下输出的电流-电压曲线。
25.具体实施方法为了更清楚的介绍本发明，下面将结合实例来阐述本发明的具体实施方法。
26.一种基于mxene-alingan异质结的自驱动紫外光探测器，以u-alingan作为光敏层，通过喷雾沉积方法，将mxene溶液喷涂于u-alingan表面，mxene干燥退火后形成薄膜充当透明正电极，透明电极可增加光敏层的受光面积。
27.衬底为alingan外延层晶片，采用金属-有机化学气相沉积法在蓝宝石基片上外延生长而得，alingan的结构自下而上分别是缓冲层u-alingan，电流扩展层n-alingan和非掺杂的u-alingan。其中由电子掺杂n-alingan构成的电流扩展层具备高导电性，更容易与负极金属形成欧姆接触，有利于负电极快速收集电子并增加输出电流值，提高探测器的响应速度和光响应度。
28.此外mxene薄膜由少层ti3c2tx材料构成，mxene薄膜的厚度为5~50nm，在365nm波段附近的透光率高达73%。
29.优选的，在所述紫外光探测器的n-alingan表面蒸镀负电极ti/al/ni/au，厚度为20/120/50/100nm，在mxene表面蒸镀测试电极au，厚度为200nm。
30.可经激光剥离转移到柔性背板上，柔性背板包括铜箔、pet塑料和柔性玻璃等。
31.制备基于mxene-alingan异质结的自驱动紫外光探测器的方法，其步骤包括：（1）将alingan衬底切割成所需尺寸，清洗衬底并吹干，（2）使用piranha溶液浸泡alingan衬底，处理衬底表面亲水性，（3）将alingan的部分区域刻蚀至电流扩展层，露出n-alingan，（4）在n-alingan上光刻负电极图形，使用电子束蒸发技术，在n-alingan表面蒸镀金属ti/al/ni/au作为负电极。
32.（5）采用快速热退火技术，使ti/al/ni/au在高温退火下形成合金，（6）制备mxene胶体溶液，（7）在未刻蚀区域光刻正电极图形，使用喷雾沉积方式将mxene溶液镀于非掺杂u-alingan表面并晾干，
（8）采用真空退火技术，对mxene薄层进行真空热退火，（9）在mxene表面部分区域光刻图形，使用电子束蒸发技术，蒸镀金属au作为测试电极，（10）采用激光剥离方法，将缓冲层u-alingan与蓝宝石基片分离，利用uv胶带把探测器转移到涂有粘合剂的柔性背板上，获得可弯曲的柔性紫外光探测器。
33.实施例1:一种mxene-alingan异质结的自驱动紫外光探测器，基于mxene和alingan的功函数差，异质结界面处将产生肖特基势垒及内建电场，可在零偏压下充分分离光生电子/空穴对，光电子经过高浓度掺杂的n-alingan电流扩展层后可被ti/al/ni/au电极快速收集并输出光电流，使探测器在零偏压具备自驱动功能，具体步骤如下：（1）将alingan衬底切割为2x2cm样品，分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗样品，清洗时间各为5min。
34.（2）将浓硫酸和30%浓度过氧化氢溶液按3：1配比混合制成piranha溶液，把alingan样品置于piranha溶液中浸泡2min，处理样品表面亲水性。然后取出样品用去离子水洗净表面残余的piranha溶液并吹干。
35.（3）采用icp工艺，以光刻胶为刻蚀掩膜，通过cl2和bcl3混合气将alingan部分区域刻蚀至n-alingan层。刻蚀结束后分别用丙酮、乙醇清洗样品表面残胶。
36.（4）在n-alingan表面光刻负电极图案，以光刻胶为掩膜，使用电子束蒸发技术，在n-alingan上蒸镀金属ti/al/ni/au（20/120/50/50nm）作为负电极。
37.（5）使用快速退火炉进行热退火处理，样品在氮气氛围中被升温至750℃并保持1min，n-alingan上的ti/al/ni/au将熔融形成合金，并与n-alingan形成良好的欧姆接触，有利于提高电流输出。
38.（6）用分析天秤称取3克左右的ti3c2tx颗粒溶解于去离子水中获得mxene溶液，溶液先通过离心机（800rpm，20min）洗涤，离心结束后静至5min再倒掉溶液中的表层清液，收集沉淀物，并再次加入去离子水分散沉淀物。重复上述离心洗涤过程数次，最终获得含有层状结构的mxene胶体溶液。
39.（7）在未被刻蚀的非掺杂u-alingan上光刻正电极图形，以光刻胶为掩膜，使用喷枪将所获得的mxene胶体悬浮液喷涂于u-alingan表面，通过控制mxene溶液的喷雾量，同时保持恒定的喷雾流速来沉积mxene纳米薄层。喷涂完成后，将mxene-alingan异质结样品移至氮气氛围的手套箱中进行干燥。
40.（8）采用真空退火技术，把mxene-alingan置于退火炉内，将退火炉抽真空后升温至200℃，保持150min，以获得高质量的mxene薄层，同时mxene将与u-alingan形成良好的界面接触。
41.（9）在mxene表面部分区域光刻图形，以光刻胶为掩膜，使用电子束蒸发技术，在mxene上蒸镀金属au（200nm）作为测试电极。
42.（10）采用激光剥离方法，使krf准分子激光照射于器件底部的蓝宝石基片约0.1s，可把蓝宝石与器件界面处的部分u-alingan刻蚀掉，使用uv胶带粘住探测器，将其从蓝宝石上撕下完成剥离。在柔性背板上旋涂粘合剂，把剥离下来的探测器连同uv胶带一起转移到带有粘合剂的柔性背板上，然后用紫外灯照射10min使uv胶带黏性失效并脱落。
43.至此，本专利发明的紫外光探测器制备完成，通过弯曲背板可实现探测器的柔性与形变。在au电极和ti/al/ni/au电极上扎探针测试，将紫外光（200~400nm）照射于探测器样品上，可以发现，在零偏压下器件也可输出光电流，相比于暗电流，光电流增益可达104。
44.实施例2：一种mxene-alingan异质结的自驱动紫外光探测器，与实施例1的不同之处在于，该探测器上的mxene薄层和ti/al/ni/au都位于非掺杂u-alingan表面，即不采用icp工艺，保留完整的alingan衬底，将mxene和ti/al/ni/au直接镀在衬底表面u-alingan的不同区域。由于u-alingan较低的电子浓度和迁移率，此时探测器的暗电流会进一步降低，当紫外光照射到探测器表面时，输出的光电流增益将提高，使得器件具备更高的紫外光探测信噪比。