一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器及其制备方法 (Ultraviolet band adjustable photoelectric detector with transparent conductive structure and preparation method thereof ) 是由 毛明华 谢雅芳 尹以安 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于光电探测技术领域,公开了一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器及其制备方法,所述探测器的结构为依次排布的探测器衬底、石墨烯插入层、第一GaN层、AlGaN层、Ga-(2)O-(3)层、透明导电层,所述石墨烯插入层和透明导电层上设置有电极。有益效果：石墨烯作为插入层,其与GaN层通过范德华力键合,极大地缓解了与蓝宝石衬底的晶格常数失配,降低了位错密度,提高了外延层的生长质量；与常规GaN/AlGaN外延结构制备的光电探测器相比,加入梯状Ga-(2)O-(3)层,一方面Ga-(2)O-(3)层与透明导电层形成肖特基势垒减小暗电流,另一方面梯状Ga-(2)O-(3)层可以有效增大受光面积,配合石墨烯透明导电材料高迁移率特性增大了光电流。(The invention belongs to the technical field of photoelectric detection, and discloses an ultraviolet band adjustable photoelectric detector with a transparent conductive structure and a preparation method thereof 2 O 3 The graphene/transparent conductive layer comprises a layer and a transparent conductive layer, wherein electrodes are arranged on the graphene insertion layer and the transparent conductive layer. Has the advantages that: the graphene is used as an insertion layer and is bonded with the GaN layer through Van der Waals force, so that the lattice constant mismatch with the sapphire substrate is greatly relieved, the dislocation density is reduced, and the growth quality of an epitaxial layer is improved; compared with the photoelectric detector prepared by the conventional GaN/AlGaN epitaxial structure, the added ladderGa in the form of 2 O 3 Layer of Ga on the one hand 2 O 3 The layer and the transparent conductive layer form a Schottky barrier to reduce dark current, and on the other hand, the ladder-shaped Ga 2 O 3 The layer can effectively increase the light receiving area, and the high mobility characteristic of the graphene transparent conductive material is matched to increase the photocurrent.)
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别是涉及一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器及其制备方法。
背景技术
目前，紫外光根据波长可以分为远紫外UV-A(315-400nm)、中紫外UV-B(280-315nm)、短紫外UV-C(100-280nm)，不同波段在军用科技以及民用市场等通信和成像领域具有不同的价值。例如，在大气中的日盲区，可以利用导带尾焰对日盲紫外波段的辐射进行探测；在中紫外区域，可以进行天基紫外预警；在远紫外区域，可以进行近地面空中目标的紫外探测。而紫外探测根据材料本身禁带宽度可以决定吸收长波限，因此，可借此制备紫外波段可调的光电探测器。
GaN基光电探测器具有3.4eV的禁带宽度，具有高的光电转换效率，并且饱和电子漂移速度快且适用于大规模集成，其性能大大超过传统的紫外光电探测器。AlGaN结构的光电探测由于AlxGa1-xN合金中Al组分含量不同，其禁带宽度可分布在3.4-6.2eV，是天然的日盲材料。然而，GaN/AlGaN材料由于晶格常数以及热膨胀系数失配，会导致接触面处产生缺陷，导致界面附近的暗电流变大。当暗电流变大时会造成光电探测器在使用过程中失效，无法进行光波的探测。
单层石墨烯为六方形原子排列结构，其与氮化物通过范德华力键合，可有效缓解晶格常数失配，且载流子迁移率高，具有很强的导电能力，能够有效提高器件的响应度。然而在制备和转移石墨烯结构的过程中易产生缺陷，导致石墨烯的透明导电能力下降，进而导致光电流减小。
因此需要对现有的光电探测器的结构进行改进，克服由于GaN/AlGaN外延结构晶格常数失配导致暗电流较大以及石墨烯转移过程中导电性能变差的问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种新的透明导电结构的紫外波段可调光电探测结构，克服GaN/AlGaN材料由于晶格常数失配，导致接触面处产生缺陷，使界面附近的暗电流变大，造成光电探测器失效、石墨烯薄膜转移过程中导电性能变差的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器，所述探测器的结构为依次排布的探测器衬底、石墨烯插入层、第一GaN层、AlGaN层、Ga2O3层、透明导电层，所述石墨烯插入层和透明导电层上设置有电极。
进一步的，所述透明导电层为石墨烯-银纳米线结构。
进一步的，所述探测器衬底为蓝宝石衬底。
进一步的，所述Ga2O3层为梯状，且Ga2O3的晶体结构为β-Ga2O3。
进一步的，所述石墨烯插入层和透明导电层表面分别设置有第一电极和第二电极。
进一步的，所述光电探测器探测波长位于紫外波段，当外加偏置电压改变时，所述光电探测器对不同波长的紫外光波段进行探测。
本发明还公开了一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，在金属Cu上通过气相沉积法制备单层石墨烯插入层，去除金属Cu将石墨烯转移至蓝宝石衬底上；
步骤2，在所述石墨烯插入层上通过MOCVD工艺生长第一GaN层和AlGaN层；
步骤3，在所述AlGaN层上生成未掺杂的第二GaN层，并去除第二GaN层的固有氧化层；
步骤4，将去除固有氧化层的第二GaN层放入石英管炉中，并在高温下注入氧气；通过光刻胶定义图案加工为梯状，得到梯状Ga2O3层；
步骤5，在所述的梯状Ga2O3层上转移石墨烯-银纳米线结构；
步骤6，分别在石墨烯插入层、透明导电层上沉积Ti/Au电极。
进一步的，所述步骤1中石墨烯插入层的制备方法具体为：
通过气相沉积法在Cu衬底上生长单层石墨烯；将生长单层石墨烯的Cu衬底置于(NH4)2S2O8溶液中，静置12～24小时去除Cu衬底；将单层石墨烯转移至探测器衬底上。
进一步的，步骤4中所述梯状Ga2O3层的制备方法具体为：
在AlGaN材料上通过MOCVD制备第二GaN层，在稀释的盐酸水溶液中去除固有氧化层，而后置于石英管炉中，在1000℃条件下通入氧气制备成Ga2O3层，并通过光刻胶定义光刻图案，制备成梯状Ga2O3层。
进一步的，所述步骤5中石墨烯-银纳米线结构的制备方法具体为：
用湿法转移法在梯状的Ga2O3层上放置单层石墨烯；将硝酸银与聚乙烯比咯烷酮PVP溶解于乙二醇溶液中离心，而后将稀释后的银纳米线通过滴涂法滴在单层石墨烯表面，风干后形成石墨烯-银纳米线透明导电结构。
本发明实施例一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器及其制备方法与现有技术相比，其有益效果在于：石墨烯作为插入层，其与GaN层通过范德华力键合，极大地缓解了与蓝宝石衬底的晶格常数失配，降低了位错密度，提高了外延层的生长质量；与常规GaN/AlGaN外延结构制备的光电探测器相比，加入梯状Ga2O3层，一方面Ga2O3层与透明导电层形成肖特基势垒减小暗电流，另一方面梯状Ga2O3层可以有效增大受光面积，配合石墨烯透明导电材料高迁移率特性增大了光电流；进一步的，采用石墨烯-银纳米线透明导电结构能够有效改善石墨烯在转移过程中的导电均匀性，提高器件的响应度。
附图说明
图1为本发明的光电探测结构的示意图；
图2为本发明的光电探测器结构的俯视图；
图3是本发明的光电探测结构受紫外光照时产生的光生载流子电子空穴对分离的示意图；
图4是本发明的光电探测结构中氧化镓/铝镓氮/氮化镓异质结构接触后的能带变化图；
图5是本发明的光电探测结构外加偏置之后肖特基势垒变化图；
图6是应用本发明的光电探测结构测得的响应度随外加偏压在不同的光波波长下的曲线图。
图中，1、探测器衬底；2、石墨烯插入层；3、第一GaN层；4、AlGaN层；5、Ga2O3层；6、透明导电层；7、第一电极；8、第二电极；9、石墨烯薄膜；10、银纳米线结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
参照附图1、2，本发明公开了一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器，所述探测器的结构为依次排布的探测器衬底1、石墨烯插入层2、第一GaN层3、AlGaN层4、Ga2O3层5、透明导电层6，所述石墨烯插入层2和透明导电层6上设置有电极。
在本实施例中，所述透明导电层6为石墨烯-银纳米线结构。参照附图1中的局部放大部分，其中，所述石墨烯-银纳米线结构包括：石墨烯薄膜9和银纳米线结构10。石墨烯与银纳米线的杂化能有效降低石墨烯在制备和转移过程中的产生的缺陷，改善石墨烯的导电均匀性，提高所制备的光电探测器的光电流以及响应度。
在本实施例中，所述探测器衬底1优选为蓝宝石衬底。
在本实施例中，参照附图2，所述Ga2O3层5为梯状，且Ga2O3的晶体结构为β-Ga2O3。相较于平面薄膜结构，所述梯状具体为在平面结构的Ga2O3层5上等间隔的开设截面为倒梯形的平行凹槽，且每个平行凹槽的尺寸相同。梯状β-Ga2O3层有效受光面积增加，其与透明导电层6构成肖特基势垒，因其多子参与导电，其响应时间短、量子效率高、势垒高度高且制备过程中可回避P型材料，制备成本低。
在本实施例中，所述石墨烯插入层2和透明导电层6表面分别设置有第一电极7和第二电极8。所述第一电极7和第二电极8用于与外加偏置电压连接。
本发明的光电探测结构的工作原理：
在本实施例中，所述Ga2O3层5与石墨烯透明导电层6构成肖特基势垒，Ga2O3的电子亲和能小于石墨烯透明导电层6的功函数，Ga2O3侧易失去电子，石墨烯薄膜9侧易得到电子，并且在Ga2O3一侧会形成带正电的不可移动的耗尽区。参照附图3，当紫外光照射时，产生大量的电子空穴光生载流子对，在内建电场的作用下迅速分离，通过石墨烯形成高迁移率导电通道，产生光电流信号。
AlGaN材料的费米能级大于Ga2O3材料以及GaN材料，因此AlGaN易失去电子在两接触面处均向上弯曲，此时两个接触面构成的内建电场反向，详见附图4。当受到外加偏压作用时，平衡态遭到破坏而产生准费米能级，导致Ga2O3与AlGaN接触面、AlGaN与GaN接触面一个能带升高，一个能带降低，进而形成了例图说明5的能带结构图。
应用本发明的光电探测结构，所述耗尽区宽度会随着外加偏置的增加而逐步扩展，在未加偏压或者小偏压的情况下，紫外光的响应波段，也就是光电探测器结构的吸收层位于Ga2O3结构内，即在UV-C中255nm左右会产生截止。进一步增大外加偏压时，耗尽区宽度拓展至AlGaN层4，光吸收层由原来的Ga2O3层5转换为AlGaN层4，实现中紫外UV-B光电探测。在大偏压的情况下，光电探测器的耗尽层会向第一GaN层3移动，光吸收层会落在GaN区域，波长长波限位于364nm左右，实现远紫外UV-A光电探测。
在本实施例中，一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测结构的实施方式如下：
本发明中的探测器衬底1优选为蓝宝石衬底，探测器衬底1的厚度优选为2um。
本发明中的石墨烯插入层2优选为单层石墨烯，厚度优选为0.01nm-1mm。
本发明中的第一GaN层3和AlGaN层4制备步骤优选为MOCVD制备，第一GaN层3的厚度优选为500μm，AlGaN层4的厚度优选为200μm，第二GaN层厚度优选为80nm。
实施例2：
在实施例1的基础上，本发明还公开了一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在金属Cu上通过气相沉积法制备单层石墨烯插入层2，去除金属Cu将石墨烯转移至蓝宝石衬底上。
步骤2，在所述石墨烯插入层2上生长第一GaN层3和AlGaN层4。
步骤3，在所述AlGaN层4上生成未掺杂的第二GaN层，并去除第二GaN层的固有氧化层。
步骤4，将去除固有氧化层的第二GaN层放入石英管炉中，并在高温下注入氧气；通过光刻胶定义图案加工为梯状，得到梯状Ga2O3层5。
步骤5，所述的梯状Ga2O3层5上转移石墨烯-银纳米线结构。
步骤6，在所述石墨烯插入层2、透明导电层6上沉积Ti/Au电极。
在步骤1中，石墨烯插入层的制备方法具体为：
通过气相沉积法在Cu衬底上生长单层石墨烯；将生长单层石墨烯的Cu衬底置于(NH4)2S2O8溶液中，静置12-24小时去除Cu衬底；将单层石墨烯转移至探测器衬底1上。
在步骤2中，本发明中的第一GaN层3和AlGaN层4制备方法优选为MOCVD制备，第一GaN层3的厚度优选为500μm，AlGaN的厚度优选为200μm。
在步骤3中，第二GaN层制备方法优选为MOCVD制备，未掺杂的第二GaN层优选为80nm。所述去除第二GaN层的固有氧化层的方法具体为：将第二GaN层浸入稀释的盐酸水溶液(HCl：H2O)中5分钟以去除固有的氧化层。
在步骤4中，将去除固有氧化层的第二GaN层放入石英管炉中，在1000摄氏度的温度条件下处理十分钟，且每分钟向石英管炉注入50毫升的氧气；在Ga2O3层5涂上光刻胶定义图案，光刻形成梯状结构。
所述梯状Ga2O3层的制备方法，具体为：
在AlGaN材料上通过MOCVD制备第二GaN层，在稀释的盐酸水溶液中去除固有氧化层，而后置于石英管炉中，在1000℃条件下通入氧气制备成Ga2O3层，并通过光刻胶定义光刻图案，制备成梯状Ga2O3层。
在步骤5中，所述的梯状Ga2O3层5上转移石墨烯-银纳米线结构具体为：
用湿法转移法在梯状的Ga2O3层上放置单层石墨烯；将硝酸银与聚乙烯比咯烷酮PVP溶解于乙二醇溶液中离心，而后将稀释后的银纳米线通过滴涂法滴在单层石墨烯表面，风干后形成石墨烯-银纳米线透明导电结构。
所述步骤5更为具体的操作步骤为：
步骤A：制备银纳米线：将少量硝酸银AgNO3与聚乙烯比咯烷酮PVP按2：1溶解于5mL的乙二醇溶液中，完全溶解后加入20mL的乙二醇溶液，温度保持在150℃；反应80min后离心，去除上层溶液，用去离子水清洗2次，并去除PVP。
步骤B：石墨烯薄膜9的制备：通过化学气相沉积在Cu箔上生长石墨烯，在1000℃恒温条件下，通入H2和Ar气体，退火30min，通入甲烷CH4作为气体碳源，生长10min后关闭CH4通道，降温后形成石墨烯；将带有石墨烯结构的Cu箔置于过硫酸钠腐蚀液中腐蚀20min，后置于去离子水中静置30min得到单层石墨烯。
步骤C：将单层石墨烯通过湿法转移法转移到Ga2O3梯状结构上。
步骤D：采用去离子水稀释银纳米线，稀释倍率优选为200倍；
步骤E：将稀释好的银纳米线溶液滴在石墨烯表面，滴涂20μL，自然风干后得到石墨烯-银纳米线结构。
在步骤6中，所述制备方法还包括第一电极7和第二电极8的制作方法：在室温下利用掩膜版以及射频磁控溅射技术分别在石墨烯-银纳米线薄膜以及石墨烯插入层2表面沉积金属Ti/Au电极，作为测量电极。其中，溅射冲入气体为Ar气，工作压强为0.8Pa，Ti层的溅射时间为30s，Au的溅射时间为70s。所述石墨烯插入层2形成的电极为第一电极7，在石墨烯-银纳米线结构上形成的电极为第二电极8。
如附图6所示，在外加小偏压的情况下，在255nm以及305nm左右出现波长截止，且在石墨烯薄膜9的影响下，响应度较GaN/AlGaN器件高。在大偏压的情况下，在364nm左右出现波长截止，响应度较GaN/AlGaN有明显提高。且制备的GaN/AlGaN/β-Ga2O3光电探测器暗电流相较于GaN/AlGaN基光电探测器缩小了5至6个数量级，测得的石墨烯薄膜9方块电阻为0.3kΩ，提高了石墨烯薄膜9的导电性。
实施例3：
在实施例1的基础上，本发明还公开了一种透明导电结构的紫外波段可调光电探测器，应用实施例1的光电探测结构。
在本实施例中，参照附图5和附图6，所述光电探测器探测波段随外加偏置电压变化，所述光电探测器对不同波长的紫外光波段进行探测。
由于本实施例是在实施例1的基础上进行撰写的，因此关于光电探测结构的工作原理不在赘述。
综上，本发明实施例提供一种光电探测结构、光电探测器及制备方法，有益效果在于：
1，蓝宝石衬底与第一GaN层3存在晶格常数失配，影响晶体生长的质量。而利用石墨烯做插入层外延生长氮化镓层，其与氮化物之间通过范德华力键合，它们之间的结合力较弱，使得应力得到大幅度的释放，可以有效降低蓝宝石与GaN层晶格失配的影响，减少暗电流的产生，也可进一步增强散热，从而改善了所制备的光电探测器的质量。
2，本发明相较于AlGaN/GaN外延光电探测器，加入β-Ga2O3层后，其与透明导电层6形成肖特基势垒，在紫外光照射下形成高迁移率导电沟道，因其多子参与导电，其响应时间短、量子效率高、势垒高度高且制备过程中可回避P型材料，制备成本低。
3，基于此结构的GaN/AlGaN/β-Ga2O3光电探测器，通过β-Ga2O3与透明导电层6形成肖特基接触并生成耗尽区，通过施加的外加偏压的不同，耗尽层的宽度会发生相应的改变，进而导致主要吸收层发生变化，探测波长发生改变，达到波段选择的目的。
4，单层石墨烯载流子迁移率高，导电能力强且具有较好的延展性，紫外线在光吸收层产生的电子空穴对能够有效地被电子俘获，能有效提高器件的响应度。但是利用化学气相沉积法制备石墨烯时，其在制备和转移过程中容易产生缺陷，导致石墨烯的透明导电性能下降。采用银纳米线与石墨烯的杂化能够有效降低石墨烯的电阻，有效改善石墨烯薄膜9的导电均匀性，且对透光率的影响较小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。