阅读说明：本技术 一种Si衬底GaSe可见光探测器及制备方法 (Si substrate GaSe visible light detector and preparation method thereof ) 是由 王文樑 李国强 杨昱辉 孔德麒 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种Si衬底GaSe可见光探测器及制备方法,包括Si衬底,所述Si衬底的上表面依次设置低温PLD生长的第一GaSe功能层及高温PLD生长的第二GaSe功能层,所述第一GaSe功能层及第二GaSe功能层的厚度相同,所述第二GaSe功能层上表面的两端连接Ti/Ni/Au金属层电极。本发明有效降低表面对可见光光的反射损耗,增强可见光光谐振吸收,实现高灵敏度高带宽探测。(The invention discloses a Si substrate GaSe visible light detector and a preparation method thereof, wherein the Si substrate comprises a Si substrate, a first GaSe functional layer grown by low-temperature PLD and a second GaSe functional layer grown by high-temperature PLD are sequentially arranged on the upper surface of the Si substrate, the thicknesses of the first GaSe functional layer and the second GaSe functional layer are the same, and two ends of the upper surface of the second GaSe functional layer are connected with Ti/Ni/Au metal layer electrodes. The invention effectively reduces the reflection loss of the surface to visible light, enhances the resonance absorption of the visible light and realizes high-sensitivity and high-bandwidth detection.)

一种Si衬底GaSe可见光探测器及制备方法

技术领域

本发明涉及可见光探测器领域，具体涉及一种Si衬底GaSe可见光探测器及制备方法。

背景技术

光电探测器是一种利用光电效应原理，将光信号转换成为电信号的器件。光是一种电磁波，根据其波长的不同可以分为很多种。波长范围在380nm～780nm之间的光叫做可见光。可见光探测器由于其特殊的光谱响应范围，在军民领域都有很重要的应用。

近年来，基于多层直接带隙二维材料(如In₂Se₃)的光电探测器，作为高性能光电器件的潜在替代品，受到了广泛的关注。相比单层二维材料，多层二维材料更易于沉积，因此直接带隙的多层二维材料更具有实用性。

GaSe是一种典型的III–Ⅵ族半导体材料，它具有许多优异的光电性能。GaSe是一种p型半导体，具有较高的载流子迁移率(0.1cm²V^-1s^-1)，暗电流低，电阻率高。同时，GaSe的光电性能具有很强的层厚依赖性。随着层数的减少，其禁带宽度逐渐变大。此外，GaSe的间接带隙约为2.11eV，且其直接带隙仅比间接带隙大25meV。因此，在室温下，电子可以很容易地在导带极小值之间转移。同时GaSe也具有合适的光学带隙、非线性光学性质和光响应特性。故GaSe适合应用于可见光探测器的制备研究。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种Si衬底GaSe可见光探测器及制备方法。本发明具有生长GaSe薄膜质量好，器件的外量子效率高，响应速度快和带宽高等优点。

本发明采用如下技术方案：

一种Si衬底GaSe可见光探测器，包括Si衬底，所述Si衬底的上表面依次设置低温PLD生长的第一GaSe功能层及高温PLD生长的第二GaSe功能层，所述第一GaSe功能层及第二GaSe功能层的厚度相同，所述第二GaSe功能层上表面的两端连接Ti/Ni/Au金属层电极。

优选的，第一GaSe功能层及第二GaSe功能层的厚度为5-6nm。

优选的，Ti/Ni/Au金属层电极为叉指电极。

优选的，Ti/Ni/Au金属层电极中，Ti金属层的厚度为25-35nm，Ni金属层的厚度为90～110nm，Au金属层的厚度为90～110nm。

优选的，所述第二GaSe功能层的上表面镀一层纳米级的Ag颗粒。

一种Si衬底GaSe可见光探测器的制备方法，包括如下步骤：

S1在Si衬底上先采用低温PLD方法生长第一GaSe功能层，再采用高温PLD方法生长第二层GaSe功能层，并采用AFM分析样品表面形貌；

S2在第二GaSe功能层上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，确定电极形状，并通过蒸镀工艺将Ti/Ni/Au金属层电极蒸镀在第二GaSe功能层上表面的两端。

优选的，采用低温PLD方法生长第一GaSe功能层的温度为440-460℃，脉冲能量为0.46～0.50J/cm²，生长时间为25～45min。

优选的，采用高温PLD方法生长第二GaSe功能层的温度为840～860℃，脉冲能量为0.42～0.54J/cm²，生长时间为25～45min。

优选的，烘干时间为38～45s，曝光时间为5～8s，显影时间为40～45s，氧离子处理时间为1.5～2.5min。

优选的，第一GaSe功能层的生长时间为30min。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用两层GaSe功能层促进载流子横向迁移速率；

(2)本发明在Si衬底PLD低温生长第一层GaSe功能层，克服了直接高温生长，材料会与衬底发生界面反应的问题；

(3)本发明制备得到的探测器，材料质量高，性能好，省时高效及能耗低，有利于大规模生产；

(4)本发明在探测芯片表面进行可见光增敏微纳结构设计，有效降低表面对可见光光的反射损耗，增强可见光光谐振吸收，实现高灵敏度高带宽探测。

附图说明

图1为本发明的结构剖面示意图；

图2为图1的俯视面示意图；

图3为实施例中PLD低温生长的第一GaSe功能层样品的AFM测试图样；

图4为实施例1制备得探测器的光响应特性曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种Si衬底GaSe可见光探测器，如图1所示，包括Si衬底1，所述Si衬底的上表面依次设置低温PLD生长的第一GaSe功能层2及高温PLD生长的第二GaSe功能层3，所述第一GaSe功能层及第二GaSe功能层的厚度相同，所述第二GaSe功能层上表面的两端连接Ti/Ni/Au金属层电极4。

本实施例中第一GaSe功能层及第二GaSe功能层的结构尺寸均相同，优选厚度为5nm。

本实施例中Ti/Ni/Au金属层电极4中Ti金属层的厚度为30nm，Ni金属层的厚度为100nm，Au金属层的厚度为100nm。

现有技术中制备可见光探测器主要采用MOCVD法，这种方法生长的薄膜质量不好及粗糙度高，本发明采用PLD生长方法生长功能层制备的薄膜质量高，性能好。

制备一种Si衬底GaSe可见光探测器的方法，包括如下步骤：

S1在Si衬底上先采用低温PLD方法生长第一GaSe功能层，再采用高温PLD方法生长第二层GaSe功能层，并采用AFM分析样品表面形貌；

S2在第二GaSe功能层上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，确定电极形状，并通过蒸镀工艺将Ti/Ni/Au金属层电极蒸镀在第二GaSe功能层上表面的两端。

如图2所示，所述电极为叉指电极，通过蒸镀工艺将Ti/Ni/Au金属层电极4蒸镀在第二GaSe功能层3上表面的两端。

本发明采用低温PLD方法生长第一GaSe功能层时温度为450℃，脉冲能量为0.48J/cm²，生长时间为30min，电极的蒸镀速率为0.25nm/min。

本发明采用高温PLD方法生长GaSe功能层时温度为850℃，脉冲能量为0.48J/cm²，生长时间为30min，电极的蒸镀速率为0.25nm/min。

将上述制备得到的可见光探测器进行测试，图3为实施例PLD外延生长的第一GaSe功能层样品的AFM测试图样。可见样品上生长了GaSe材料，表面粗糙度为6.5nm。测试表明PLD生长时间为30min时的表面比较平整，粗糙度较小。

图4为本实施例所得Si衬底GaSe可见光探测器所测得的光响应特性曲线。由曲线可看出，实施例所得Si衬底GaSe可见光探测器在620nm波段有明显的波峰，响应度为2.5μA/W。测试表明该光电探测器在可见光波段范围有高的响应度，说明该光电探测器有较高的灵敏度。

实施例2

本实施例的制备过程与实施例1相同，不同之处在于：

采用低温PLD方法生长第一GaSe功能层的温度为440，脉冲能量为0.46J/cm²，生长时间为25min。

采用高温PLD方法生长GaSe功能层时温度为840℃，脉冲能量为0.42J/cm²，生长时间为45min，电极的蒸镀速率为0.25nm/min。

实施例3

本实施例的制备过程与实施例1相同，不同之处在于：

采用低温PLD方法生长第一GaSe功能层的温度为460℃，脉冲能量为0.46J/cm²，生长时间为25min。

采用高温PLD方法生长GaSe功能层时温度为860℃，脉冲能量为0.42J/cm²，生长时间为25min，电极的蒸镀速率为0.25nm/min。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。