垂直结构GaN紫外光探测器及其制备方法

垂直结构gan紫外光探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明的至少一种实施例涉及一种光探测器，尤其涉及一种垂直结构gan紫外光探测器及其制备方法。


背景技术：

2.氮化镓(gan)是具有优异光电性能的第三代半导体。与si、ge等第一代半导体以及gaas、inp等第二代半导体相比，gan具有优异的热稳定性、化学稳定性以及抗辐射性，可以应用在高温、酸碱、高辐射等特殊环境中。此外，gan的载流子迁移率高、直接带隙宽、光电性能优越，在led照明、紫外光探测、太阳能电池等众多光电应用中具有突出的表现。其中，基于gan的高性能紫外光探测器是一个研究重点。随着科技的发展，天文研究、无线通信、航天航空、环境监测等新型科技领域对紫外光探测的需求在不断升级。在上述复杂的使用环境中实现高性能的紫外光探测，需要器件抗辐射能力强、性能可靠、耐酸碱和高温、使用寿命长，在此基础上，低成本、易集成、与现有的生产工艺兼容实现批量化生产也是研究的重点。
3.相比于传统si基紫外光探测器，gan的材料性质给gan基紫外光探测器带来了显著优势，包括：宽直接带隙，精确探测紫外光波段，免除滤波装置，同时增强光吸收，提高击穿电压；热稳定性和化学稳定性高，具有很强的抗辐射能力，适用于各类严苛环境；载流子迁移率高，器件的响应速度快等。因此基于gan的紫外光电探测器是实现高速可靠的紫外光探测的理想途径。传统gan基光电探测器一般基于光电导或光伏原理，是在外延生长的基础上增加掺杂、刻蚀、沉积等工艺以构建各类结构的器件如金属-半导体-金属光电探测器、pin光电二极管。不同的器件结构可以起到提升器件响应速度、优化探测光谱范围、增强光电流等作用。此外，还有如设计叉指电极可以缩短电极间距，加快响应速度；掺杂al/in可以调整能带宽度实现深紫外或可见光探测、多浓度的n型或p型掺杂形成结以提高势垒抑制漏电流等。上述技术在过去几十年间受到了广泛的研究，有效提升了氮化物光电探测器的性能，丰富了应用场景。
4.但随着研究不断推进，传统gan光电探测器仍然面临一些悬而未决的严峻考验，其中之一就是基于外延生长的gan只能实现平面的器件结构。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种垂直结构gan紫外光探测器及其制备方法，通过电化学腐蚀法、转移工艺、光刻和刻蚀等工艺的结合形成垂直结构gan紫外光探测器，本发明提供的垂直结构gan紫外光探测器具有暗电流低、响应速度快、开关比高等特点。
6.本发明提供一种垂直结构gan紫外光探测器的制备方法，包括：在绝缘衬底上形成底电极；将gan薄膜转移至底电极上，其中gan薄膜的厚度为纳米级；在gan薄膜上形成顶电极；其中，gan薄膜、顶电极、底电极在垂直方向上有重叠区域，以使底电极、gan薄膜和顶电极构成垂直结构gan紫外光探测器。
7.本发明还提供一种利用上述的制备方法得到的垂直结构gan紫外光探测器，包括：
绝缘衬底；底电极，形成在绝缘衬底上；gan薄膜，形成在底电极上；其中gan薄膜的厚度为纳米级；顶电极，形成在gan薄膜上；其中，gan薄膜、顶电极、底电极在垂直方向上有重叠区域，以形成垂直结构gan紫外光探测器。
8.根据本发明上述实施例提供的垂直结构gan紫外光探测器，其垂直结构的特点使得相比于平面结构，减小了器件的电极之间的距离，缩短了载流子的传输距离，有利于提高器件的响应速度；由于减小了器件的电极之间的距离，也会减少载流子在传输过程中的损耗，提高电极对光生电子的收集效率，提高了光电流。
9.根据本发明上述实施例提供的垂直结构gan紫外光探测器，底电极与gan薄膜形成肖特基接触，具有肖特基势垒，降低了器件的暗电流，加快了载流子分离效率，提升光响应度，提高光开光比，加快了器件的响应速度。
附图说明
10.图1为根据本发明实施例的垂直结构gan紫外光探测器的制备方法的流程图；
11.图2中的图(a)～(f)为根据本发明实施例的gan薄膜及垂直结构gan紫外光探测器的制备过程示意图；
12.图3为根据本发明实施例的垂直结构gan紫外光探测器的立体示意图；以及
13.图4为根据本发明实施例的gan外延片的截面示意图。
14.【附图标记说明】
15.1-绝缘衬底；
16.2-底电极；
17.3-gan外延片；
18.31-衬底；
19.32-缓冲层；
20.33-n-gan薄膜；
21.34-gan薄膜；
22.33
’‑
腐蚀后的n-gan薄膜；
23.4-顶电极；
24.5-黏性薄膜；
25.6-独立的金属电极；
26.7-阴极电极。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使发明彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
28.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在
或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
29.当前，纳米材料、低维材料、薄膜材料在物理、化学、生物等多个领域展现出了巨大潜力。通过与低维、薄膜材料的结合，能够从材料组合和器件结构等角度提升gan光电探测器的性能。相关技术中将石墨烯作为透明电极以增强器件的光吸收、加快载流子迁移速度；或者通过将低维材料转移或生长在gan体材料的表面，实现宽光谱的探测；或者构建异质结光电探测器，以形成内建电场提升gan光电探测器的性能。这些方法受限于传统gan光电探测器的工艺，都是在平面器件的基础上进一步优化。显然，平面器件的横向结构不可避免的需要更大的驱动电压以获得响应，较宽的电极间距也限制了对响应速度的提升。值得注意的是，在低维材料或薄膜材料组成的光电探测器中，搭建垂直结构可以切实可行的提升响应速度。在这种结构中，纳米级的薄膜凭借极低的抗弯刚度，能够构建柔性器件；优异的光电性能，如高的光吸收系数或窄带宽的光发射，有利于高性能器件的设计；较大的面积，是制备高集成度芯片的前提。垂直结构光电器件的电极间距更小，相比平面结构的光电器件，激发的载流子传输距离大大缩短，能够表现出更快的响应速度和更大的光电流信号。不同材料堆叠形成垂直异质结的情况下还能够产生内建电场，进一步加快层间发生的电荷转移，从而表现出超快的响应速度和可调的电学性质。薄膜材料构建的垂直结构光电器件可以突破传统器件的性能上限，为进一步增强gan光电探测器性能提供了可靠途径。但对于gan而言，获取纳米级别的薄膜并不容易。传统的激光剥离，机械剥离等物理方法获得的gan薄膜厚度至少在微米级别，严重限制薄膜器件的结构设计方式和性能上限。使用纳米级别gan薄膜构建垂直结构光电器件预期能对gan紫外光电探测器的性能进行大幅度提升。
30.有鉴于此，简单高效地获得纳米级别gan薄膜并构建垂直结构的gan基光电探测器的方法对突破传统gan光电探测器的性能上限具有重要意义。
31.有鉴于此，本发明提供一种垂直结构gan紫外光探测器及其制备方法，以利用纳米级厚度的gan薄膜构建垂直结构gan紫外光探测器。
32.图1为根据本发明实施例的垂直结构gan紫外光探测器的制备方法的流程图。图2中的图(a)～(f)为根据本发明实施例的gan薄膜及垂直结构gan紫外光探测器的制备过程示意图。
33.根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种垂直结构gan紫外光探测器的制备方法，参考图1～图2中的图(a)～(f)所示，包括：步骤s01～步骤s03。
34.在步骤s01，在绝缘衬底1上形成底电极2。
35.根据本发明的实施例，绝缘衬底1在此不作限制，例如可以为si/sio2、al2o3或者柔性衬底。
36.根据本发明的实施例，底电极2采用金属材料形成。采用蓝宝石衬底作为绝缘衬底1，在蓝宝石衬底上利用光刻或电子束曝光图案化出电极形状，再利用磁控溅射、电子束蒸镀等方法沉积单一或复合金属，形成底电极2。
37.在步骤s02，将gan薄膜34转移至底电极2上，其中gan薄膜34的厚度为纳米级。
38.根据本发明的实施例，提供一gan外延片3，gan外延片3从下而上依次包括衬底31、缓冲层32、n-gan薄膜33、gan薄膜34。衬底31可以为蓝宝石衬底，采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)在蓝宝石衬底上依次形成缓冲层32、n-gan薄膜33、gan薄膜34，n-gan薄膜33的掺杂浓度大于gan薄膜34的掺杂浓度，其中，gan薄膜34的厚度不大于1μm，例如可以为十纳
米级到百纳米级；gan薄膜34可以为非掺杂的gan薄膜，也可以是有掺杂的gan薄膜，gan薄膜34的掺杂类型和掺杂浓度可以根据需要调整，满足n-gan薄膜33的掺杂浓度大于gan薄膜34的掺杂浓度的要求即可，以实现对gan外延片3的选择性腐蚀。需要说明的是，gan外延片3中各层的厚度以及n-gan薄膜33的掺杂元素和掺杂浓度均可以根据实际需要进行调整。
39.需要说明的是，缓冲层32包括形核层和非掺杂层，以减少生长过程中的各类缺陷，优化其上各层的晶体质量。
40.根据本发明的实施例，利用电化学腐蚀法腐蚀上述制备得到的gan外延片3。由于n-gan薄膜33相对于gan薄膜34具有较高的掺杂浓度，在酸性或者碱性环境中会优先被腐蚀，因此，利用酸性或者碱性腐蚀溶液，采用电化学腐蚀法对gan外延片3腐蚀的过程中，n-gan薄膜33会被优先腐蚀去除，保留gan薄膜34。
41.根据本发明的实施例，电化学腐蚀法采用的腐蚀溶液包括但不限于hno3、h3po4、h2so4、naoh、koh。
42.根据本发明的实施例，在利用电化学腐蚀法腐蚀gan外延片3的过程中，电源正极连接gan外延片3，电源负极连接阴极电极7，阴极电极7例如可以为铂电极。将上述结构置于浓硝酸溶液中进行电化学腐蚀，外加电压为10v以上，腐蚀时间受电压大小适当调整，其中外加电压越大腐蚀时间越短；外加电压和腐蚀时间还可以根据gan外延片3的厚度和腐蚀溶液的浓度进行调整；在反应过程中使用搅拌子低速搅拌使得反应均匀充分。随着反应的不断进行，n-gan薄膜33也消耗殆尽，使得gan薄膜34和衬底31之间的连接减弱。
43.根据本发明的实施例，采用干法转移工艺或湿法转移工艺将gan薄膜34从腐蚀后的gan外延片3上剥离并转移至底电极2上。
44.根据本发明的实施例，利用干法转移工艺将gan薄膜34转移到底电极2上。利用黏性薄膜5辅助将gan薄膜34从腐蚀后的gan外延片3上剥离，将附着有gan薄膜34的黏性薄膜5转移至底电极2上。具体而言，在电化学腐蚀完成后，将衬底31连同尚未脱落的gan薄膜34取出，去离子水温和清洗，烘干；用黏性薄膜5平整地贴在腐蚀后的gan外延片3的gan薄膜34的一面，使得gan薄膜34贴附在黏性薄膜5上，将黏性薄膜5揭下，gan薄膜34会附着在黏性薄膜5上，使gan薄膜34与衬底31分离。将附着有gan薄膜34的黏性薄膜5压在底电极2上，使gan薄膜34和底电极2密切接触。去除黏性薄膜5，将gan薄膜34保留在绝缘衬底1上的底电极2上，完成gan薄膜34的转移。
45.根据本发明的实施例，黏性薄膜包括但不限于聚二甲基硅氧烷材料(pdms)薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)薄膜。
46.根据本发明的实施例，利用湿法转移工艺将gan薄膜34转移到底电极上。通过电化学腐蚀将衬底31与gan薄膜34完全分离，将gan薄膜34捞出放置在带有底电极2的绝缘衬底1上，烘干。
47.根据本发明的实施例，在将gan薄膜34转移至底电极2上后，退火处理以增强gan薄膜34与绝缘衬底1和底电极2的结合。其中，退火温度为90℃～150℃，退火时长为10～20min。
48.在步骤s03，在gan薄膜34上形成顶电极4。
49.根据本发明的实施例，顶电极4为透明材料；例如，顶电极4可以为二维材料或者氧化铟锡。
50.根据本发明的实施例，在gan薄膜34上形成顶电极4包括：将二维材料转移至gan薄膜34上，或者，利用化学气相沉积法和光刻刻蚀工艺在gan薄膜34上形成顶电极4。
51.根据本发明的实施例，利用干法转移工艺或湿法转移工艺将透明的二维材料如单层石墨烯转移到gan薄膜34的顶部，形成顶电极4。石墨烯电极可以通过机械剥离、化学气相沉积生长等方法制备。同时，在绝缘衬底1上还形成有一个独立的金属电极6，石墨烯顶电极4的一端搭在独立的金属电极6上以便于器件的连线。完成器件的制备后，整个器件退火10～20min以增强顶电极4、gan薄膜34和底电极2的结合。
52.根据本发明的实施例，采用化学气相沉积法在gan薄膜34上沉积高迁移率低吸光度的材料，例如氧化铟锡(ito)、有机聚合物，作为顶电极4。
53.根据本发明的实施例，gan薄膜34和底电极2的接触势垒与gan薄膜34和顶电极4的接触势垒不对称。
54.根据本发明的实施例，gan薄膜34与底电极2形成肖特基接触，gan薄膜34和顶电极4形成欧姆接触。底电极2为功函数较高的金属，以与gan薄膜34形成较高的肖特基势垒，以降低器件的漏电流；例如，底电极2可以包括以下之一：钛、金、镍、铂。
55.根据本发明的实施例，底电极与gan薄膜形成肖特基接触，具有肖特基势垒，降低了器件的暗电流，加快了载流子分离效率，提升光响应度，提高光开光比，加快了器件的响应速度。图3为根据本发明实施例的垂直结构gan紫外光探测器的立体示意图。
56.根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种垂直结构gan紫外光探测器，参考图3所示，包括：绝缘衬底1；底电极2，形成在绝缘衬底1上；gan薄膜34，形成在底电极2上，gan薄膜34的厚度小于1μm；顶电极4，形成在gan薄膜34上；其中，gan薄膜34、顶电极4、底电极2在垂直方向上有重叠区域，以形成垂直结构gan紫外光探测器。
57.图4为根据本发明实施例的gan外延片的截面示意图。
58.根据本发明的实施例，制备一种ti/gan/gr(钛/氮化镓/石墨烯)垂直结构gan紫外光探测器。
59.参考图4所示，在蓝宝石衬底31上形成外延结构，自下而上为缓冲层32、n-gan薄膜层33、gan薄膜层34；其中，n-gan薄膜层33的厚度为1.4μm，掺杂元素为si，掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
；gan薄膜层34的厚度为500nm。
60.利用电化学腐蚀法处理gan外延片3。在浓度为65％wt的硝酸溶液中，施加30v电压反应20分钟，剥离获得gan薄膜34。
61.预先在蓝宝石衬底1上使用电子束蒸镀金属ti作为底电极2。将pdms上附着的gan薄膜34压在ti电极上，加热到120℃，使得gan薄膜34和pdms分离，gan薄膜34覆盖在ti电极表面。在重叠区域转移单层石墨烯作为顶电极4，其中单层石墨烯的一端连接蓝宝石衬底1上的一个独立的金属电极6，转移完成后在120℃退火10分钟。
62.根据本发明上述实施例提供的垂直结构gan紫外光探测器，通过采用电化学腐蚀法及转移工艺形成垂直结构的器件，相比于平面结构的器件，减小了器件的电极之间的距离，缩短了载流子的传输距离，提高器件的响应速度；由于减小了器件的电极之间的距离，会减少载流子在传输过程中由于碰撞、缺陷带来的损耗，提高电极对光生电子的收集效率，提高了光电流。
63.根据本发明上述实施例提供的垂直结构gan紫外光探测器，底电极与gan薄膜形成
肖特基接触，具有肖特基势垒，降低了器件的暗电流，提高光开光比，加快了器件的响应速度。
64.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。