一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器及其制备方法。所述紫外探测器包括由下至上的衬底、石墨烯模板层、AlGaN纳米柱、与AlGaN纳米柱间形成肖特基接触的Ni第一金属层和Au第二金属层，还包括填充AlGaN纳米柱中的Si3N4绝缘层，且Ni第一金属层和Au第二金属层作为电极材料组成叉指电极。AlGaN材料的禁带宽度可根据Al组分的不同从3.4 eV到6.2 eV连续可调，因而可对波长为200 nm到365 nm的光进行有效探测，具有良好的日盲特性；本发明专利技术的紫外探测器对UVA‑C紫外光具有十分高的灵敏探测，可应用于紫外导弹制导、明火探测和太阳照度检测等领域。

A novel AlGaN nanopillar MSM UV detector based on graphene template and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器及其制备方法
本专利技术涉及紫外探测器的
，特别涉及一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器及其制备方法。
技术介绍
紫外探测技术因具有良好的日盲特性、非视线通讯、低窃听率和没有背景信号干扰等优点，在军事和民用等方面应用广泛。在军事上，主要应用于紫外通讯、用于导弹制导、导弹预警、紫外分析和生化分析等领域。在民用上，主要应用于环境检测、生物医药分析、臭氧检测、明火探测和太阳照度检测等方面。目前，实现产业化广泛应用的主要是Si基光电二极管紫外探测器，但由于Si的探测区域包括可见光，只有装了滤光系统后才能实现对紫外光的探测，增加了体积和成本。另外，Si对紫外光的吸收能力很强，抗辐射能力弱，这限制了紫外探测器的发展。第三代宽带隙半导体材料（包含GaN、AlN、InN以及三、四元化合物），因其具有禁带宽度大、电子迁移速率快、热稳定性好和抗辐射能力强等特性使其十分适合于制作频率高、功率大、集成度高和抗辐射的电子器件，在发光二极管、紫外探测器件和太阳能电池等许多领域得到广泛应用。AlGaN材料具有宽禁带、直接带隙，其能够通过调节合金的组分，实现禁带宽度从3.4eV到6.2eV的连续可调，相当于截止波长为200nm到365nm，具有可见光盲和日盲特性，这个特性使它能在可见光和日光的干扰下也探测到紫外的信号，无需滤光系统和做成浅结，是制备紫外探测器的理想材料。AlGaN基紫外探测器虽然取得了一定的突破，但是远没有达到商业应用的程度，制约AlGaN基紫外探测器发展的主要因素为：异质外延的GaN/AlGaN薄膜位错密度高、翘曲大以及容易龟裂，使得器件制备困难。一维AlGaN纳米结构相能够很好的克服传统AlGaN薄膜的缺点。具体表现为:(1)异质外延一维AlGaN纳米材料的晶体质量是优于薄膜的，因为一维纳米结构的比表面积大，能够有效减少穿透到纳米棒顶端的位错，有助于减少缺陷，提高晶体质量；(2)一维AlGaN纳米结构在很大程度上増加了材料的侧壁面积，从而增加了光子逃逸/吸收角度，有效的提高了光发射/吸收。CVD法是一维AlGaN纳米材料合成的一种常用方法。相比于MOCVD、MBE、PLD、HVPE等方法，MBE法生长速率很低、PLD法大尺寸生长困难、HVPE法控制精度低，CVD法具有生长速率较高、成本低廉、操作简单等优势，适合大规模产业化。然而，目前CVD法制备的一维纳米材料都要基于催化剂辅助VLS生长法或模板选区生长法。其中，1）催化剂辅助VLS生长法需要使用金属纳米颗粒作为催化，在生长过程中，纳米柱的往往取向不同，倾向于扭曲、倾斜和分枝；2）模板选区生长法通常需要采用一系列极其复杂和昂贵的技术，如电子束曝光和聚焦离子束磨等，才能制备出有序排列和直立生长的纳米柱阵列，导致高成本和低效率。如何高效低成本制备出取向好，均匀性排列的一维AlGaN纳米柱阵列是目前的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器及其制备方法。该紫外探测器具有暗电流小以及光响应度高的特点。本专利技术的目的还在于提供制备所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的制备方法。该制备方法工艺简单，能耗低，省时高效。本专利技术的目的至少通过如下之一技术方案实现。一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，包括由下至上的衬底、石墨烯模板层、AlGaN纳米柱、与AlGaN纳米柱间形成肖特基接触的Ni第一金属层和Au第二金属层，还包括填充AlGaN纳米柱的Si3N4绝缘层，且Ni第一金属层和Au第二金属层作为电极材料组成叉指电极。进一步地，所述衬底的厚度为420~430μm。进一步地，所述衬底为蓝宝石、Si或La0.3Sr1.7AlTaO6衬底。进一步地，所述石墨烯模板层的层数为1~3层，厚度为3~5nm。进一步地，所述AlGaN纳米柱长度为300~500nm，直径为100~200nm。进一步地，所述Ni第一金属层和Au第二金属层的厚度分别为40~50nm和100~150nm。进一步地，所述叉指电极的长度为280~340μm，宽度为10~15μm，电极间距为10~15μm，对数为12~20对。上述基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：（1）清洗衬底除去表面残余污染物和氧化物后，在衬底表面生长出石墨烯层，形成衬底/石墨烯结构，由于石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此可以作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层；（2）在衬底/石墨烯结构上生长得到AlGaN纳米柱，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构；（3）在衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构上生长Si3N4绝缘层填充AlGaN纳米柱之间的空隙，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si3N4绝缘层结构；（4）对衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si3N4绝缘层结构进行清洗处理，再进行光刻处理后，利用电子束蒸发镀膜系统在所述绝缘层结构表面上依次蒸镀Ni和Au两层金属层作为电极，去胶，得到与AlGaN纳米柱层肖特基接触的Ni/Au金属叉指电极，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si3N4绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构，并进行热退火处理；（5）将衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si3N4绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构进行电镀压焊点、减薄、划片以及引线键合，再进行封装，得到所述紫外探测器。进一步地，步骤（1）中，所述清洗为：采用6~10wt％的HF水溶液超声清洗8~10min，去除表面的残留杂质物，再依次用丙酮以及无水乙醇分别超声清洗8~10min和3~5min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗3~5min，最后用氮气枪吹走表面的水汽。进一步地，步骤（1）中，采用PECVD生长石墨烯层，其工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1~2×10-4Pa，衬底加热至950~1000℃，停下分子泵然后向腔体内通入H2和CH4，流量分别为80~150sccm和20~30sccm，压力维持为30~100Pa，沉积过程中射频等离子体功率保持在200~300W，沉积结束后衬底在Ar气气氛下冷却至室温，沉积的石墨烯层表面存在缺陷孔洞，因此作为下一步AlGaN纳米柱自生长的模板层。进一步地，步骤（2）中，所述PECVD生长AlGaN纳米柱的工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1~2×10-4Pa，衬底/石墨烯结构加热至850~950℃，采用Al粉和Ga球作为AlGaN材料的Al源和Ga源，将Al粉加热至1000~1100℃；将Ga球加热至850~950℃；然后停下分子泵然后向腔体内通入N2和H2作为载气，流量分别为60~100sccm和20~30sccm，通入NH3作为反应气体，流量为20~30sccm，生长过程中射频等离子体功率保持在150~250W，反应室内压力维持为50~100Pa下沉积形成AlGaN纳米柱，沉积结束后衬底在N2气气氛下冷却至室温。更进一步地，通过控制源区不同的加热蒸发温度控制AlGaN的Al组分的摩尔分数从0~1可调，实现AlxGa(1-x)N（0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，包括由下至上的衬底（1）、石墨烯模板层（2）、AlGaN纳米柱（3）、与AlGaN纳米柱形成肖特基接触的Ni第一金属层（5）和Au第二金属层（6），还包括填充AlGaN纳米柱中的Si3N4绝缘层（4），且Ni第一金属层（5）和Au第二金属层（6）作为电极材料组成叉指电极。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，包括由下至上的衬底（1）、石墨烯模板层（2）、AlGaN纳米柱（3）、与AlGaN纳米柱形成肖特基接触的Ni第一金属层（5）和Au第二金属层（6），还包括填充AlGaN纳米柱中的Si3N4绝缘层（4），且Ni第一金属层（5）和Au第二金属层（6）作为电极材料组成叉指电极。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器，其特征在于，所述衬底（1）为蓝宝石、Si或La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，且衬底（1）的厚度为420~430μm；所述石墨烯模板层（2）的层数为1~3层，厚度为3~5nm；所述AlGaN纳米柱（3）长度为300~500nm，直径为100~200nm；所述Ni第一金属层（5）的厚度为40~50nm，Au第二金属层（6）的厚度为100~150nm；所述叉指电极的长度为280~340μm，宽度为10~15μm，电极间距为10~15μm，对数为12~20对。3.权利要求1~2任一项所述的基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）清洗衬底后在衬底（1）表面生长出石墨烯模板层（2），形成衬底/石墨烯结构；（2）在步骤（1）所述的衬底/石墨烯结构上生长得到AlGaN纳米柱（3），形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构；（3）在步骤（2）所述的衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱结构上生长Si3N4绝缘层（4）填充AlGaN纳米柱（3）之间的空隙，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si3N4绝缘层结构；（4）对步骤（3）所述的衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si3N4绝缘层结构进行清洗处理，再进行光刻处理后，利用电子束蒸发镀膜系统在所述绝缘层结构表面上依次蒸镀Ni和Au两层金属层作为电极，去胶，得到与AlGaN纳米柱肖特基接触的Ni/Au金属叉指电极，形成衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si3N4绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构，并进行热退火处理；（5）将步骤（4）所述的衬底/石墨烯/AlGaN纳米柱/Si3N4绝缘层结构/Ni/Au金属叉指电极结构进行电镀压焊点、减薄、划片以及引线键合，再进行封装，得到所述MSM型紫外探测器。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述清洗为：采用6~10wt％的HF水溶液超声清洗8~10min，去除表面的残留杂质物，再依次用丙酮超声清洗8~10min以及无水乙醇超声清洗3~5min，去除表面的有机杂质，接着使用去离子水超声清洗3~5min，最后用氮气枪吹走表面的水汽。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，采用PECVD生长石墨烯层，且工艺条件为：利用机械泵及分子泵抽真空至石英管内压力维持为1~2×10-4Pa，衬底加热至950~1000℃，停下分子泵然后向腔体内通入H2和CH4，H2流量为80~150sccm，CH4流量为20~30sccm...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，郑昱林，王文樑，粱敬晗，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44