基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器及制備方法與流程

本發明涉及光電探測器技術領域，尤其涉及一種基于多孔氮化鎵(GaN)的紫外光電探測器及制備方法。

背景技術：

紫外光探測器是紫外預警系統，紫外成像系統的核心組成部分，氮化鎵是一種優良的紫外光電探測器材料。在紫外探測領域，可應用于可見光盲波段(小于380nm)的材料主要是硅(Si)。

Si的禁帶寬度為1.12eV左右，其光響應波段覆蓋紫外光到可見光到近紅外光波段。因此，Si基探測器在用于紫外光探測時，其對可見光及近紅外光的光電響應會成為一種強烈的背景噪聲。為了排除這種背景噪聲，用于紫外光探測的Si基光電探測器通常需要配合紫外濾波片使用。但濾波片引入會降低器件的響應度，且增加器件的復雜性和成本，降低系統的可靠性，同時還會面對器件小型化及集成化的問題。

GaN的禁帶寬度為3.43eV左右，這種寬禁帶使得GaN本身不會對可見光和近紅外光有響應，即GaN具有本征的紫外吸收窗口，不需要加入額外的濾波片。因此，基于GaN的紫外光電探測器在器件小型化及集成化上，比Si更具優勢。

GaN是一種直接帶隙半導體，相比于間接帶隙的半導體Si，具有帶邊光吸收系數高，帶邊截止特性顯著的特點。

相比于Si，GaN具有更快的載流子飽和漂移速度，在紫外光波段具有更高的吸收系數。因此，GaN更有利于制作高頻高響應度的紫外光電探測器。同時GaN還具有極高的熱穩定性及化學穩定性，并且具有較強的抗輻照能力，這使得GaN基光電探測器可在極端的條件下工作。

雖然GaN材料具有高的光吸收系數，但從目前報道過的GaN基光電探測器的性能來看，其量子效率，響應度及探測度依然較低，無法滿足實際應用的需求，尤其是弱紫外光探測的需求。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的在于提供一種基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器，以解決上述的至少一項技術問題。

(二)技術方案

本發明提供了一種基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器，包括：

襯底；

緩沖層，位于所述襯底之上；

n型多孔氮化鎵層，位于所述緩沖層之上；

一對電極，分別疊置于所述型多孔氮化鎵層之上。

優選地，所述n型多孔氮化鎵層中可以包含摻雜劑，摻雜劑包括硅烷。

優選地，所述n型多孔氮化鎵層可以并入有Al組分。

優選地，所述n型多孔氮化鎵層的多孔孔徑可以為1nm～100nm。

優選地，所述緩沖層材料可以包括石墨烯、氮化鎵或氧化鋅。

優選地，所述電極可以為鎳/金、鈦/金、鉑/金或鈦/鋁電極。

優選地，所述電極形狀包括插指狀、圓柱狀、三角狀或長方體狀。

優選地，所述襯底的材料可以為藍寶石、硅、碳化硅或者玻璃，襯底結構為平面或圖形。

基于同一發明構思，本發明還提供了一種基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器的制備方法，包括：

S1、在襯底上生長緩沖層；

S2、在緩沖層上制備n型多孔氮化鎵層；

S3、在n型多孔氮化鎵層上生長一對電極。

優選地，步驟S2中，所述n型多孔氮化鎵層可以通過對氮化鎵進行電化學腐蝕或熱退火轉化得到。

(三)有益效果

多孔結構的GaN具有極大的表面-體積比，而表面會引入表面態。因此在，GaN與金屬電極形成的肖特基結界面處會有大量的表面態密度。在多孔氮化鎵受到紫外光照射后，在這些界面處存在的大量表面態會捕獲大量光生空穴，并在界面集聚。這些大量集聚的光生空穴，會使得GaN與金屬形成的肖特基結勢壘高度大大降低，從而使得越過勢壘的熱電子大大增多，并得到極大的光電流。相比于常規的基于薄膜GaN材料的紫外光電探測器，這種基于多孔結構的GaN基光電探測在有光照后，會有更強的光電響應。

附圖說明

圖1為本發明實施例的基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器的縱剖面結構示意圖；

圖2為本發明實施例的基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器橫截面掃描電子顯微鏡示意圖；

圖3為本發明實施例的基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器在340nm的紫外光照射下的光響應度及探測度隨電壓的變化曲線圖；

圖4為基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器的制備方法流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。

圖1為本發明實施例的基于多孔氮化鎵紫外光電探測器的縱剖面結構示意圖，如圖1所示，基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器自下而上包括：襯底10、緩沖層11、n型多孔氮化鎵層12和一對電極13。

所述襯底10的材料為藍寶石、硅、碳化硅(SiC)或者玻璃，襯底10結構為平面或圖形，本發明實施例中選擇碳化硅作為紫外光電探測器的襯底10。

所述緩沖層11位于所述襯底10之上，緩沖層11材料包括石墨烯、氮化鎵或氧化鋅。本發明實施例的緩沖層11的制備工藝為：以高純氨氣作為氮源，三甲基鎵或三乙基鎵作為Ga源，先低溫生長GaN形核層，再高溫生長非故意摻雜GaN層。

所述n型多孔氮化鎵層12，位于所述緩沖層11之上；所述n型多孔氮化鎵層12中包含摻雜劑，摻雜劑包括硅烷。所述n型多孔氮化鎵層12通過對氮化鎵進行電化學腐蝕或熱退火轉化得到。更進一步地，所述n型多孔氮化鎵層12的孔徑優選為1nm～100nm。此外，通過在n型多孔氮化鎵層12中并入Al組分，組成AlGaN三元化合物半導體。通過調節Al組分，可以調節AlGaN的禁帶寬度，使其可以實現日盲波段(小于280nm)的探測。

所述一對電極13，分別疊置于所述型多孔氮化鎵層之上，且互不連接。所述電極13為鎳/金(Ni/Au)、鈦/金(Ti/Au)、鉑/金(Pt/Au)或鈦/鋁(Ti/Al)電極。本發明實施例采用Ni/Au作為電極13。

本發明實施例提供的基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器為金屬-半導體-金屬型光電探測器，電子從一電極流動至n型多孔氮化鎵層12，最后流向另一電極。此外，所述電極13形狀包括插指狀、圓柱狀、三角狀或長方體狀，優選為插指狀，可以增強本實施例中金屬-半導體-金屬型光電探測器的電流流動速度，增大電壓。

此外，其它可實施的器件結構還包括肖特基勢壘型光電探測器及p-i-n型光電探測器。

圖2為本發明實施例的基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器橫截面掃描電子顯微鏡示意圖，如圖2所示，圖2以500nm為參考比例，所述多孔GaN的橫截面的孔的形貌介于三角形和圓形之間，所述n型多孔氮化鎵層12的孔徑優選為1nm～100nm。在本實施例中，GaN平均孔徑約為40nm。此外，所述多孔GaN形狀大小可以不一致，不均勻排列。

圖3為本發明實施例的基于多孔GaN的紫外光電探測器在340nm的紫外光照射下的光響應度及探測度隨電壓的變化曲線圖，如圖3所示，所述紫外光電探測器(PD_A)在光功率密度為1.68毫瓦每平方厘米(mW/cm²)的340nm的紫外光照射下的光響應度(Responsivity)及探測度(specific detectivity)隨電壓(Voltage)的變化曲線。在1V偏壓下，響應度大于13000安培每瓦特(A/W)，探測度約為1.0×10¹⁴瓊斯(Jones)。由此可見，該基于多孔GaN的紫外光電探測器的光響應度及探測度遠遠大于現有的GaN基光電探測器。

圖4為本發明實施的基于多孔氮化鎵的紫外光電探測器的制備方法流程圖，如圖4所示，包括：

S1、在襯底10上生長緩沖層11；

S2、在緩沖層11上制備n型多孔氮化鎵層12；

S3、在n型多孔氮化鎵層12上生長一對電極13。

其中，步驟S2的具體步驟為：先在緩沖層11上生長n型氮化鎵層；將所述n型氮化鎵層通過電化學腐蝕或熱退火轉化得到n型多孔氮化鎵層12。其中，所述n型多孔氮化鎵層12中包含摻雜劑，摻雜劑包括硅烷。更進一步地，所述n型多孔氮化鎵層12的孔徑優選為1nm～100nm。此外，通過在n型多孔氮化鎵層12中并入Al組分，組成AlGaN三元化合物半導體。通過調節Al組分，可以調節AlGaN的禁帶寬度，使其可以實現日盲波段(小于280nm)的探測。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。