LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片及制备方法技术

一种LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片及其制备方法，该器件通过在UVA波段LED上生长垂直ZnO纳米线阵列，顶端通过石墨烯作为电流扩展层来制作电极。其中LED的N电极作为晶体管栅极，ZnO纳米线阵列一端作为源极，LED的P电极即LED与ZnO异质结界面作为漏极，通过栅极电压大小调节LED发光功率，进一步调控ZnO纳米线阵列的光电导大小。本发明专利技术利用ZnO纳米线阵列对近紫外光优良的光敏特性，使LED与ZnO纳米线阵列进行集成，实现了GaN基的光电互联，从而获得了光电集成晶体管芯片。

【技术实现步骤摘要】
LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片及制备方法
本专利技术涉及集成光电晶体管
，特别涉及一种LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片及制备方法。
技术介绍
目前，光电集成成为解决信号传输速率受限的解决办法之一，传统的电子传输的晶体管随尺寸的不断减小已发展到接近极限。将光源、探测器集成在同一芯片上已成为集成电路研究领域中活跃的研究方向，传统硅工艺中，由于硅的间接带隙的物理特性，很难实现直接发光导致其成为硅基光电集成的瓶颈。而GaN基发光芯片已经较为成熟，并且发光波段范围覆盖从紫外到红外区域。与此同时，低维材料也是近年来半导体材料及器件领域的研究热点。其中ZnO材料由于其独特的光敏、气敏、压敏等特性在各领域研究中极为广泛，特别地，ZnO纳米线阵列具有很大的光吸收表面积，类光子晶体的阵列还能使光吸收更加充分，使得阵列对紫外光有优良的探测性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片及制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片，其包括：衬底(1)；UVA波段的LED，生长于所述衬底(1)上，包括N电极(6)、P电极(7)和二氧化硅的绝缘保护层(8)；垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)，生长在所述LED上；其中，所述垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)顶端设置有石墨烯电流扩展层(10)，在所述石墨烯电流扩展层(10)上形成有顶端电极(11)；其中，所述LED的N电极(6)作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的栅极，所述LED的P电极(7)，即LED与ZnO异质结界面，作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的漏极，所述顶端电极(11)作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的源极。具体的，所述衬底(1)为蓝宝石衬底。具体的，所述N电极(6)、P电极(7)、顶端电极(11)的材质均分别独立地选自Ti、Al或Au。具体的，所述UVA波段的LED还包括如下结构：u-GaN层(2)，生长在所述衬底(1)上，厚度介于3μm至4μm之间；n-GaN层(3)，生长在所述u-GaN层(2)上，厚度介于1μm至2μm之间；多量子阱层(4)，生长于所述n-GaN层(3)上，量子阱组数介于5组至10组之间，其厚度介于100nm至200nm之间；p-GaN层(5)，生长于所述多量子阱层(4)上，其厚度介于0.5μm至Iμm之间。具体的，所述绝缘保护层(8)，生长在所述衬底(1)、N电极(6)、n-GaN层(3)、P电极(7)之上以及所述u-GaN层(2)、n-GaN层(3)、多量子阱层(4)及p-GaN层(5)的侧壁上，其厚度介于100nm至200nm之间。具体的，所述垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)生长在所述p-GaN层(5)上，其高度介于1.5μm至2μm之间，直径介于400nm至600nm之间。具体的，所述石墨烯电流扩展层(10)，的层数介于3层至6层之间。具体的，所述N电极生长在所述n-GaN层(3)上，所述P电极生长在所述p-GaN层(5)上。一种LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片的制备方法，其包括以下步骤：步骤A：制作UVA波段发光的LED，其中包括制作N电极(6)和P电极(7)；步骤B：生长二氧化硅的绝缘保护层(8)保护隔离N电极(6)和P电极(7)；步骤C：在所述LED上生长垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)；步骤D：在所述垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)上生长石墨烯电流扩展层(10)；步骤E：在所述石墨烯电流扩展层(10)上制作顶端电极(11)。具体的，所述步骤A进一步包括：步骤A1：在蓝宝石衬底上生长u-GaN外延层(2)；步骤A2：在步骤A1得到的材料上生长n-GaN外延层(3)；步骤A3：在步骤A2得到的材料上生长多量子阱发光层(4)；步骤A4：在步骤A3得到的材料上生长p-GaN外延层(5)；步骤A5：在步骤A4得到的材料上进行部分刻蚀，将N电极(6)对应的n-GaN外延层(3)露出表面；步骤A6：分别在n-GaN层(3)和p-GaN层(5)上制作N电极(6)和P电极(7)。具体的，在步骤A1、A2、A3、A4中，各层材料采用MOCVD设备进行生长；在步骤A5中，利用感应耦合等离子体刻蚀的方法进行部分刻蚀；在步骤A6中，采用电子束蒸发的方法进行N电极(6)和P电极(7)的制作，所述N电极(6)和P电极(7)的材质选自Ti、Al或Au；在步骤A6之后还包括步骤：对所述N电极(6)和P电极(7)进行退火处理，处理温度介于700℃至1000℃之间，退火时间介于30s至60s之间。具体的，在步骤B中，二氧化硅的绝缘保护层(8)采用等离子增强化学气相沉积的方法生长；生长厚度介于100nm至200nm之间，其生长温度介于25℃至30℃之间。具体的，在步骤C中，ZnO纳米线阵列探测层(9)中的ZnO纳米线阵列采用水热法进行生长，采用硝酸锌和六亚甲基四氨两种材料直接在p-GaN层(5)上进行垂直生长，反应温度介于85℃至95℃之间，反应时间介于150分钟至210分钟之间。具体的，在步骤D中，所述石墨烯电流扩展层(10)采用单层石墨烯透明导电层多次转移的方法来实现。具体的，在步骤E中，顶端电极(11)采用电子束蒸发的方法进行生长。基于上述技术方案可知，本专利技术的LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片及制备方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：(1)本专利技术通过将UVA波段的LED与垂直ZnO纳米线阵列进行串联集成，获得了紫外波段光源与探测器进行集成单芯片，缓解了现有技术中光源与探测器单芯片上集成的困难。实现了晶体管的输出特性，实现GaN基的光电互联，达到光电集成芯片的制作的目的；(2)本专利技术提供的LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片及其制备方法利用栅极电压大小调节LED发光功率，进一步调控ZnO纳米线阵列的光电导大小，从而实现栅极电压对源漏电流的调节，实现光电晶体管的电学特性功能。附图说明图1为本专利技术实施例中LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片的结构示意图；图2为本专利技术实施例中LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片制备方法的流程图。上述附图中，附图标记含义如下：1-衬底；2-u-GaN层；3-n-GaN层；4-多量子阱层；5-p-GaN层；6-N电极；7-P电极；8-二氧化硅绝缘保护层；9-垂直ZnO纳米线阵列探测层；10-石墨烯电流扩展层；11-顶端电极。具体实施方式<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片，其特征在于，包括：/n衬底(1)；/nUVA波段的LED，生长于所述衬底(1)上，包括N电极(6)、P电极(7)和二氧化硅的绝缘保护层(8)；/n垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)，生长在所述LED上；其中，所述垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)顶端设置有石墨烯电流扩展层(10)，在所述石墨烯电流扩展层(10)上形成有顶端电极(11)；/n其中，所述LED的N电极(6)作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的栅极，所述LED的P电极(7)，即LED与ZnO异质结界面，作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的漏极，所述顶端电极(11)作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的源极。/n

【技术特征摘要】
1.一种LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片，其特征在于，包括：
衬底(1)；
UVA波段的LED，生长于所述衬底(1)上，包括N电极(6)、P电极(7)和二氧化硅的绝缘保护层(8)；
垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)，生长在所述LED上；其中，所述垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)顶端设置有石墨烯电流扩展层(10)，在所述石墨烯电流扩展层(10)上形成有顶端电极(11)；
其中，所述LED的N电极(6)作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的栅极，所述LED的P电极(7)，即LED与ZnO异质结界面，作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的漏极，所述顶端电极(11)作为LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管的源极。


2.根据权利要求1所述的LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片，其特征在于，所述衬底(1)为蓝宝石衬底；
作为优选，所述N电极(6)、P电极(7)、顶端电极(11)的材质均分别独立地选自Ti、Al或Au。


3.根据权利要求1所述的LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片，其特征在于，所述UVA波段的LED还包括如下结构：
u-GaN层(2)，生长在所述衬底(1)上，厚度介于3μm至4μm之间；
n-GaN层(3)，生长在所述u-GaN层(2)上，厚度介于1μm至2μm之间；
多量子阱层(4)，生长于所述n-GaN层(3)上，量子阱组数介于5组至10组之间，其厚度介于100nm至200nm之间；
p-GaN层(5)，生长于所述多量子阱层(4)上，其厚度介于0.5μm至1μm之间。


4.根据权利要求3所述的LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片，其特征在于：
所述绝缘保护层(8)，生长在所述衬底(1)、N电极(6)、n-GaN层(3)、P电极(7)之上以及所述u-GaN层(2)、n-GaN层(3)、多量子阱层(4)及p-GaN层(5)的侧壁上，其厚度介于100nm至200nm之间；
作为优选，所述N电极生长在所述n-GaN层(3)上，所述P电极生长在所述p-GaN层(5)上。


5.根据权利要求3所述的LED/ZnO纳米线阵列集成的光电晶体管芯片，其特征在于，所述垂直ZnO纳米线阵列探测层(9)生长在所述p-GaN层(5)上，其高度介于1.5μm至2μm之间，直径介于400nm至600nm之间；
作为优选，所述石墨烯电流扩展层(10)的层数介于3层至6层之间。


6.一种LED/ZnO纳米线...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊晓燕，张硕，刘志强，梁萌，冯涛，任芳，王蕴玉，王军喜，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11