CN104393093A - 应用石墨烯的高探测率氮化镓基肖特基型紫外探测器 - Google Patents

应用石墨烯的高探测率氮化镓基肖特基型紫外探测器 Download PDF

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Abstract

应用石墨烯的高探测率氮化镓基肖特基型紫外探测器，其基本结构从下往上依次为重掺杂n型氮化镓、轻掺杂n型氮化镓、二氧化硅绝缘层、金属电极、石墨烯薄膜。金属电极拥有透明、导电的性质，并且拥有半金属性。在和轻掺杂n型GaN直接接触的情况下，能形成大约0.5ev的势垒。形成之势垒表现为接近金属电极的GaN内部能带弯曲，形成空间电荷区可以进行分离电子空穴，从而产生光生电动势和光生电流。通过引入表面缺陷的方法可以大大提高探测器的响应度。这一结构工艺简单，效率高；从而增加电子空穴对的分离能力，增大探测器内量子效率，增大探测率和响应度。

Description

应用石墨烯的高探测率氮化镓基肖特基型紫外探测器
技术领域
本发明涉及一种新型的氮化镓基肖特基型紫外探测器结构和制备方式，属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术
紫外探测技术有诸多应用，可用于聚合材料树脂固化、水净化处理、火焰探测、生物效应、及环境污染监视以及紫外光存储等。在紫外光电探测器件方面,GaN材料有着优良的性能:(1)GaN不吸收可见光,制成的紫外探测器可以做到可见光盲,不需要滤光***.(2)不需要做成浅结,这样可以大大提高量子效率.(3)GaN的抗辐射能力很强,可以在探索宇宙奥秘方面发挥作用。GaN紫外探测器目前主要分为以下几种：如光电导型、pn结型、pin型、肖特基结型、MSM型、异质结型。其中GaN基肖特基结构紫外探测器由于有较高的响应度、较快的响应速度、工艺简单、光敏面大而受到很大重视。
肖特基型紫外探测器是利用半透明金属和GaN半导体形成的肖特基结来工作。由于半透明金属与GaN形成肖特基结后，半导体的能带在靠近金属的区域发生弯曲。以Ni/Au-nGaN肖特基结为例，由于金属的功函数较高，半导体的功函数较低，半导体的能带靠近金属的部分向上弯曲，而这一部分靠近半导体的表面。当紫外光照射到半导体表面时，会在半导体表面产生光吸收，产生电子空穴对，电子空穴对在这一区域即空间电荷区，由于能带的弯曲发生分离，产生光生电流或者光生电动势。
传统的肖特基型器件以采用半透明金属为主，但通常作为肖特基接触的半透明金属Ni/Au(2nm/2nm)在300nm处透光率仅约为60％，对探测率影响非常严重。有研究表明，金属每增加1nm,其透光率下降10％。而且金属的功函数固定，很难改变，目前只有改变金属材料是最为有效的办法。但是即使目前最为理想的金属材料仍然不理想。我们在制作此器件中发现，器件表面缺陷可以大大提高器件的响应度(A/W)，而探测率保持不变或者略有提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高肖特基型紫外探测器的结构及其制备方法。将石墨烯这一新材料合理应用到这一探测器结构中，提高窗口的透光率，提高肖特基势垒以增强其分离电子空穴的能力。从而提高肖特基型探测器的探测性能。
本发明提供的一种肖特基型紫外探测器的结构，其基本结构从下往上依次为：重掺杂n型氮化镓101、轻掺杂n型氮化镓102、二氧化硅绝缘层103、金属电极104、石墨烯薄膜105。
本发明中金属电极104拥有透明、导电的性质，并且拥有半金属性，本征情况下功函数为4.5ev。在和轻掺杂n型GaN直接接触的情况下，能形成大约0.5ev的势垒。形成之势垒表现为接近金属电极104的GaN内部能带弯曲，形成空间电荷区，可以进行分离电子空穴，从而产生光生电动势和光生电流。单层石墨烯的透光率为97.7％，远远高于半金属层(60％)。单层石墨烯的方阻典型值为300-1000欧姆/方块，虽然这一值大于半透明金属层(10-30欧姆/方块)，但是对于此种紫外探测器，一般应用在反向的情况下，导电层的方阻对其探测性能影响并不大。通过引入表面缺陷的方法可以大大提高探测器的响应度。
本发明提供了一种肖特基型石墨烯-GaN基紫外探测器及其制备方法，
步骤1、采用金属有机化学气相沉积(或者分子束外延***、液相外延技术等技术)在蓝宝石(或者硅片、碳化硅等衬底)依次制作重掺杂n型氮化镓101，厚度为1-2微米；轻掺杂n型氮化镓102，厚度为300-800纳米。
步骤2、使用电感耦合等离子体刻蚀刻蚀外延片表面，刻蚀深度为10-50nm，增加外延片表面缺陷密度。亦或通过表面腐蚀、离子注入等方式增加外延片表面缺陷密度。
步骤3、将外延片清洗，光刻，腐蚀，形成台面结构，即重掺杂n型氮化镓101、轻掺杂n型氮化镓102。
步骤4、生长一层二氧化硅，在102之上，并进行光刻、腐蚀，形成二氧化硅绝缘层103，厚度为100-500纳米。
步骤5、光刻电极图形，溅射或者蒸发制作金属电极104(Ti/Au，Cr/Au)，厚度为15-50/30-3000纳米，在二氧化硅绝缘层103之上，即二氧化硅绝缘层103在轻掺杂n型氮化镓102、金属电极104中间。
步骤6、转移石墨烯至器件表面，层数为1-10层，光刻石墨烯图形，等离子体刻蚀石墨烯，形成石墨烯薄膜105。等离子体刻蚀气体为氧气，流量为10-70L/min，功率为50-100W，刻蚀时间30s-600s。
步骤7、将减薄外延片衬底，激光切割，裂片。
其中步骤5与步骤6可以互换。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、石墨烯-氮化镓紫外探测器主要包括两部分，一部分为氮化镓材料，另一部分为石墨烯薄膜。利用石墨烯的半金属性，与氮化镓结合，形成肖特基结，从而形成内建电势场，在氮化镓吸收光子之后在氮化镓表面附近产生电子空穴对，内建电势场把电子空穴对分离，从而形成光电流和内建电势差。这一结构工艺简单，效率高；
2、在技术背景中提到，金属难以改变共函数，而共函数是影响此类器件的重要因素。石墨烯是一种单原子层材料，通过化学修饰等方法很容易使其共函数改变。共函数改变可以增强内建电势场，从而增加电子空穴对的分离能力，增大探测器内量子效率，增大探测率和响应度。
3、实验发现，通过增加器件表面损伤，可以增加器件响应度，但是随着漏电流也有所增加。通过计算，器件的探测率并没有下降，反而有所上升。
附图说明
图1为石墨烯-氮化镓肖特基紫外探测器示意图。
图2为石墨烯-氮化镓肖特基紫外探测器光暗I-V曲线。
图3为石墨烯-表面侵蚀氮化镓肖特基紫外探测器光暗I-V曲线。
图中：101、重掺杂n型氮化镓；102、轻掺杂n型氮化镓；103、二氧化硅绝缘层；104、金属电极；105、石墨烯薄膜。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种肖特基型紫外探测器的结构，其基本结构从下往上依次为重掺杂n型氮化镓101、轻掺杂n型氮化镓102、二氧化硅绝缘层103、金属电极104、石墨烯薄膜105。
其制作工艺方法如下例所示。
实施例1
步骤1、采用金属有机化学气相沉积(或者分子束外延***、液相外延技术等技术)在蓝宝石(或者硅片、碳化硅等衬底)依次制作重掺杂n型氮化镓101、轻掺杂n型氮化镓102。
步骤2、将外延片清洗，光刻，腐蚀，形成台面结构，如重掺杂n型氮化镓101、轻掺杂n型氮化镓102。
步骤3、生长一层二氧化硅，并进行光刻、腐蚀，形成二氧化硅绝缘层103。
步骤4、光刻电极图形，溅射或者蒸发制作金属电极104。
步骤5、转移石墨烯至器件表面，光刻石墨烯图形，等离子体刻蚀石墨烯，形成石墨烯薄膜105。等离子体刻蚀气体为氧气，流量为10-70L/min，功率为50-100W，刻蚀时间30s-600s。石墨烯与氮化镓接触区域，即光敏区域大小为1×1mm2。
步骤6、将减薄外延片衬底，激光切割，裂片。
经过中科院半导体所紫外探测测试***测试，365nm波长响应度为0.18A/W。相应谱见附图2。
经过测试在5.6w/cm2，主波长254nm的平行紫外光照射下，在-6V时比探测率为1.05e12cm Hz1/2W-1。
实施例2
步骤1、采用金属有机化学气相沉积(或者分子束外延***、液相外延技术等技术)在蓝宝石(或者硅片、碳化硅等衬底)依次制作重掺杂n型氮化镓101，轻掺杂n型氮化镓102。
步骤2、使用电感耦合等离子体刻蚀刻蚀外延片表面，刻蚀深度为10-50nm，增加外延片表面缺陷密度。
步骤3、将外延片清洗，光刻，腐蚀，形成台面结构，如重掺杂n型氮化镓101、轻掺杂n型氮化镓102。
步骤4、生长一层二氧化硅，并进行光刻、腐蚀，形成二氧化硅绝缘层103。
步骤5、光刻电极图形，溅射或者蒸发制作金属电极104。
步骤6、转移石墨烯至器件表面，光刻石墨烯图形，等离子体刻蚀石墨烯，形成石墨烯薄膜105。等离子体刻蚀气体为氧气，流量为10-70L/min，功率为50-100W，刻蚀时间30s-600s。石墨烯与氮化镓接触区域，即光敏区域大小为1×1mm2。
步骤7、将减薄外延片衬底，激光切割，裂片。
经过测试在5.6w/cm2，主波长254nm的平行紫外光照射下，在-6V时响应度为357A/W。比探测率为1.07e12cm Hz1/2W-1。相应谱见附图3。

Claims (2)

1.一种应用石墨烯的高探测率氮化镓基肖特基型紫外探测器，其特征在于：该激光器的基本结构从下往上依次为重掺杂n型氮化镓(101)、轻掺杂n型氮化镓(102)、二氧化硅绝缘层(103)、金属电极(104)、石墨烯薄膜(105)。
2.一种应用石墨烯的高探测率氮化镓基肖特基型紫外探测器的制备方法，其特征在于：该方法的实施流程如下，
步骤1、采用金属有机化学气相沉积或者分子束外延***或液相外延在蓝宝石或者硅片或者碳化硅上依次制作重掺杂n型氮化镓(101)，厚度为1-2微米；轻掺杂n型氮化镓(102)，厚度为300-800纳米；
步骤2、使用电感耦合等离子体刻蚀刻蚀外延片表面，刻蚀深度为10-50nm，增加外延片表面缺陷密度；亦或通过表面腐蚀、离子注入方式增加外延片表面缺陷密度；
步骤3、将外延片清洗，光刻，腐蚀，形成台面结构，即重掺杂n型氮化镓(101)、轻掺杂n型氮化镓(102)；
步骤4、生长一层二氧化硅，在轻掺杂n型氮化镓(102)之上，并进行光刻、腐蚀，形成二氧化硅绝缘层(103)，厚度为100-500纳米；
步骤5、光刻电极图形，溅射或者蒸发制作金属电极(104)，厚度为15-50/30-3000纳米，在二氧化硅绝缘层(103)之上，即二氧化硅绝缘层(103)在轻掺杂n型氮化镓(102)、金属电极(104)中间；
步骤6、转移石墨烯至器件表面，层数为1-10层，光刻石墨烯图形，等离子体刻蚀石墨烯，形成石墨烯薄膜(105)；等离子体刻蚀气体为氧气，流量为10-70L/min，功率为50-100W，刻蚀时间30s-600s；
步骤7、将减薄外延片衬底，激光切割，裂片；
其中步骤5与步骤6可以互换。
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