一种叉指石墨烯型InGaN可见光探测器及其制备方法

一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于可见光通信器件技术领域，具体涉及一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器及其制备方法。


背景技术：

2.可见光通信(visible-light communication,vlc)是一种利用可见光作为信息载体来传输光信号的通信方式，在照明的同时可以实现高速数据传输，解决无线网络在电磁干扰、信息安全及节能等方面存在的问题，是下一代移动通信的重要备选技术。因此，研究具有高响应度和高响应速度的可见光通信专用探测器具有重大意义。
3.目前，用于vlc系统的探测器主要有si基探测器和ingan基探测器两大类。由于si的带隙小，在室温下只有1.12ev，属于宽光谱响应探测器。而ingan光电探测器，通过改变in的掺杂量，能够实现带隙在3.4ev(紫外)～0.7ev(红外)范围内连续可调，能够最大程度接收光信号。然而，ingan材料的高缺陷密度和低载流子迁移率等特点，限制了探测器在响应度和响应速度等方面性能的提升。
4.石墨烯是一种典型二维材料，具有高载流子迁移率、高透光率和零带隙的特征，是一种极有前途的透明导电电极。而传统msm型探测器暗电流较高，响应度较低。采用石墨烯做电极，可以有效提高响应度，减少漏电，对器件性能的提高有重大意义。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器及其制备方法。
6.采用该制备方法及采用石墨烯做电极得到的msm型光电探测器有较低的暗电流，较高的响应度和较快的响应速度，并且通过设计表面微纳结构，器件的响应度能进一步提升。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
8.一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器及其制备方法，包括si衬底层、多层缓冲层、ingan功能层、叉指石墨烯电极和表面微纳结构。所述多层缓冲层从下到上依次为aln层、algan层和gan层。所述表面微纳结构位于叉指石墨烯电极的空隙中。
9.进一步地，所述ingan功能层中in组分的摩尔分数为10％～50％。
10.进一步地，所述ingan功能层的厚度为100nm～300nm。
11.进一步地，所述si衬底层的厚度为350nm～450nm。所述多层缓冲层中的aln层、algan层和gan层的厚度分别是150nm～300nm、400～500nm和1～3μm。
12.进一步地，所述表面微纳结构为球形、圆柱形或圆盘形金属微纳颗粒，包括au、ag和al中的一种以上。
13.一种如上所述的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
14.s1在si衬底上采用脉冲激光沉积低温外延生长aln和algan缓冲层，再采用金属有
机化学气相沉积高温外延生长gan缓冲层和ingan功能层；
15.s2在ingan功能层表面进行第一次光刻，通过湿法转移石墨烯材料，即可得到石墨烯透明电极；
16.s3在含有叉指石墨烯电极层的ingan功能层表面进行第二次光刻，采用电子束蒸发方法沉积金属膜，之后采用热退火工艺形成表面微纳结构。
17.进一步地，步骤s1中，采用脉冲激光沉积法生长aln层和algan层时温度分别为400℃～600℃和400℃～600℃，激光能量为1j/cm2～10j/cm2。
18.进一步地，步骤s1中，以三甲基镓为镓源，以三甲基铟为铟源，以氨气为氮源，以氢气为载气，采用金属有机化学气相沉积法生长gan层和ingan功能层，生长温度分别为1000℃～1200℃和600℃～800℃，流量为100sccm～180sccm。
19.进一步地，步骤s2和步骤s3中，所述第一次光刻和第二次光刻分别包括以下步骤：表面匀胶、烘干、曝光和显影。
20.更进一步地，所述烘干的温度为100℃～110℃；所述烘干的时间为40s～60s，所述曝光的时间为15s～20s，所述显影的时间为45s～65s。
21.进一步，所述步骤s3中，所述电子束蒸发方法所采用的蒸镀工艺的蒸镀速率为0.10nm/min～0.30nm/min，所述金属膜的沉积厚度为5nm～20nm，所述热退火温度为700℃～900℃。
22.和现有技术方案相比，本发明具有以下的有益效果和优点：
23.(1)采用脉冲激光沉积低温外延结合金属有机化学气相沉积高温外延两步生长法，先在si衬底上生长aln/algan/gan缓冲层，再在缓冲层上生长ingan功能层，通过光刻结合湿法转移工艺制备叉指石墨烯电极，采用电子束蒸发法获得表面微纳结构。本发明的制备方法具有工艺简单、省时高效以及能耗低的特点，有利于规模化生产。
24.(2)采用叉指石墨烯透明电极，利用石墨烯高透光率的优点，可以增强可见光的吸收，扩大光敏面积，提升器件的响应度。同时，石墨烯具有高导电性的特点，可以提高载流子的迁移速率，减小漏电。
25.(3)si衬底具有尺寸大、制备工艺成熟，可实现微电子与光电子的集成适用于大规模制造；通过在ingan功能层上的叉指电极空隙中设置表面微纳结构，在入射光照射下形成局域表面等离激元，可以增强入射光的光吸收，进一步提高器件的响应度和响应速度。
附图说明
26.图1为本发明实施例的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的结构剖面示意图。
27.图2为本发明实施例的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的俯视面示意图。
28.图3为实施例1制备的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的暗电流曲线图。
29.图4为实施例1制备的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的光谱响应曲线图。
30.图5为实施例1制备的ingan可见光探测器的-3v反置偏压下i-t曲线图。
31.具体实施方法
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的
范围。
33.实施例1
34.本实施例1提供一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器，如图1和图2所示，包括si衬底1，si衬底1的厚度为350nm。位于所述衬底1上的缓冲层2，位于所述缓冲层2上的ingan功能层3，位于所述功能层3上的叉指石墨烯电极4和表面微纳结构5。所述缓冲层2从下到上依次为aln层、algan层和gan层，aln层、algan层和gan层的厚度分别为200nm、500nm和1μm。所述表面微纳结构5位于所述叉指电极4的空隙中。ingan功能层3的厚度为100nm，ingan功能层中in组分的摩尔分数为10％，表面微纳结构5为球形ag纳米颗粒。
35.本实施例还提供了叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
36.s1在si衬底上采用脉冲激光沉积低温外延生长aln和algan缓冲层，再采用金属有机化学气相沉积高温外延生长gan缓冲层和ingan功能层。
37.s2在ingan功能层表面进行第一次光刻，刻出电极区域，通过湿法转移石墨烯材料，去胶，即可得到石墨烯透明电极。
38.s3在含有叉指石墨烯电极层的ingan功能层表面进行第二次光刻，采用电子束蒸发金属膜的工艺，蒸镀金属ag膜，之后采用热退火工艺在表面形成球形ag纳米颗粒。
39.步骤s1中，首先采用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗si衬底10min，最后用氮气枪吹干，以去除表面污染物，得到洁净的衬底。
40.步骤s1中，采用脉冲激光沉积法生长aln层和algan层时温度均为400℃，激光能量为1j/cm2。
41.步骤s1中，采用金属有机化学气相沉积生长gan层和ingan层时温度分别为1100℃和750℃，流量为100sccm。
42.步骤s2中，第一次光刻的步骤包括：表面匀胶、烘干、曝光和显影。烘干温度为100℃，烘干时间为45s，曝光时间为15s，显影时间为45s。
43.步骤s2中，所述湿法转移石墨烯材料的具体步骤为：将石墨烯浓度配置为0.005mg/ml，滴在ingan功能层表面的叉指区域，在55℃下烘干水分，得到所述透明石墨烯电极。
44.步骤s3中，第二次光刻步骤包括：表面匀胶、烘干、曝光和显影。烘干温度为90℃，烘干时间为45s，曝光时间为15s，显影时间为45s。
45.步骤s3中，蒸镀工艺的蒸镀速率为0.1nm/min，ag膜的沉积厚度为5nm，热退火温度为700℃。
46.实施例2
47.本实施例2提供一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器，器件结构示意图和俯视图如实施例1的图1和图2所示，包括si衬底1，si衬底1的厚度为400nm。位于所述衬底1上的缓冲层2，位于所述缓冲层2上的ingan功能层3，位于所述功能层3上的叉指石墨烯电极4和表面微纳结构5。所述缓冲层2从下到上依次为aln层、algan层和gan层，aln层、algan层和gan层的厚度分别为150nm、450nm和2μm。所述表面微纳结构5位于所述叉指电极4的空隙中。ingan功能层3的厚度为200nm，in组分的摩尔分数为16％，表面微纳结构5为球形au纳米颗粒。
48.本实施例还提供了叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
49.s1在si衬底上采用脉冲激光沉积生长aln和algan缓冲层，再采用金属有机化学气相沉积生长gan缓冲层和ingan功能层。
50.s2在ingan功能层表面进行第一次光刻，刻出电极区域，通过湿法转移石墨烯材料，去胶，即可得到石墨烯透明电极。
51.s3在含有叉指石墨烯电极层的ingan功能层表面进行第二次光刻，采用电子束蒸发金属膜的工艺，蒸镀金属au膜，之后采用热退火工艺在表面形成球形au纳米颗粒。
52.步骤s1中，首先采用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗si衬底10min，最后用氮气枪吹干，以去除表面污染物，得到洁净的衬底。
53.步骤s1中，采用脉冲激光沉积法生长aln层和algan层时温度均为500℃，激光能量为4j/cm2。
54.步骤s1中，采用金属有机化学气相沉积生长gan层和ingan层时温度分别为1000℃和600℃，流量为150sccm。
55.步骤s2中，第一次光刻的步骤包括：表面匀胶、烘干、曝光和显影。烘干温度为105℃，烘干时间为50s，曝光时间为15s，显影时间为50s。
56.步骤s2中，所述石墨烯电极湿法转移的具体步骤为：将石墨烯浓度配置为0.0075mg/ml，滴在ingan功能层表面的叉指区域，在60℃下烘干水分，得到所述透明石墨烯电极。
57.步骤s3中，第二次光刻步骤包括：表面匀胶、烘干、曝光和显影。烘干温度为95℃，烘干时间为50s，曝光时间为15s，显影时间为50s。
58.步骤s3中，蒸镀工艺的蒸镀速率为0.2nm/min，au膜的沉积厚度为10nm，热退火温度为800℃。
59.实施例3
60.本实施例3提供一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器，器件结构示意图和俯视图如实施例1的图1和图2所示，包括si衬底1，si衬底1的厚度为450nm。位于所述衬底1上的缓冲层2，位于所述缓冲层2上的ingan功能层3，位于所述功能层3上的叉指石墨烯电极4和表面微纳结构5。所述缓冲层2从下到上依次为aln层、algan层和gan层，aln层、algan层和gan层的厚度分别为300nm、400nm和3μm。所述表面微纳结构5位于所述叉指电极4的空隙中。ingan功能层3的厚度为300nm，in组分的摩尔分数为50％，表面微纳结构5为球形al纳米颗粒。
61.本实施例还提供了叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
62.s1在si衬底上采用脉冲激光沉积低温外延生长aln和algan缓冲层，再采用金属有机化学气相沉积高温外延生长gan缓冲层和ingan功能层。
63.s2在ingan功能层表面进行第一次光刻，刻出电极区域，通过湿法转移石墨烯材料，去胶，即可得到石墨烯透明电极。
64.s3在含有叉指石墨烯电极层的ingan功能层表面进行第二次光刻，采用电子束蒸发金属膜的工艺，蒸镀金属al膜，之后采用热退火工艺在表面形成球形al纳米颗粒。
65.步骤s1中，首先采用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗si衬底10min，最后用氮气枪吹干，以去除表面污染物，得到洁净的衬底。
66.步骤s1中，采用脉冲激光沉积法生长aln层和algan层时温度均为600℃，激光能量
为10j/cm2。
67.步骤s1中，采用金属有机化学气相沉积生长gan层和ingan层时温度分别为1200℃和800℃，流量为180sccm。
68.步骤s2中，第一次光刻的步骤包括：表面匀胶、烘干、曝光和显影。烘干温度为110℃，烘干时间为55s，曝光时间为20s，显影时间为55s。
69.步骤s2中，所述石墨烯电极湿法转移的具体步骤为：将石墨烯浓度配置为0.01mg/ml，滴在ingan功能层表面的叉指区域，在65℃下烘干水分，得到所述透明石墨烯电极。
70.步骤s3中，第二次光刻步骤包括：表面匀胶、烘干、曝光和显影。烘干温度为100℃，烘干时间为55s，曝光时间为20s，显影时间为55s。
71.步骤s3中，蒸镀工艺的蒸镀速率为0.3nm/min，al膜的沉积厚度为20nm，热退火温度为900℃。
72.对比例
73.对比例提供一种msm型ingan可见光探测器，组成和制备方法同实施例1，其区别在于，将实施例1中的石墨烯电极换为au电极，au电极通过电子束蒸镀制备，蒸镀速率为0.2nm/min，au膜厚度为40nm。
74.性能测试：
75.图3为实施例1与对比例所制备的可见光探测器的暗电流曲线图，由图3可知，在-3v的反置偏压下，以透明石墨烯为电极可见光探测器的暗电流为0.01μa，远低于以金属au为电极的探测器的暗电流。以透明石墨烯为电极的探测器暗电流更低，说明有效光敏面积更大且载流子的注入效率更高。
76.图4为实施例1制备的可见光探测器的光谱响应曲线。由图4可知，在波长为405nm处得到的最大响应度为1.375a/w，表明所制备的探测器在蓝紫光波段有更高的光谱响应和更高的量子效率，可实现对蓝紫光的增强吸收。
77.图5为实施例1制备的可见光探测器的i-t曲线。由图5可知，在450nm波长的光照射及-3v反置偏压下，器件的上升时间为120μm，下降时间为150μm。表明所制备的探测器表有较快的光响应速度，以及极高的灵敏度。
78.上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

技术特征：
1.一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器，其特征在于：包括si衬底层、多层缓冲层、ingan功能层、叉指石墨烯电极和表面微纳结构，所述多层缓冲层从下到上依次为aln层、algan层和gan层，所述表面微纳结构位于叉指石墨烯电极的空隙中。2.根据权利要求1所述的一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器，其特征在于，所述ingan功能层中in组分的摩尔分数为10％～50％。3.根据权利要求1所述的一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器，其特征在于，所述ingan功能层的厚度为100nm～300nm。4.根据权利要求1所述的一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器，其特征在于，所述si衬底层的厚度为350nm～450nm，所述多层缓冲层中的aln层、algan层和gan层的厚度分别是150nm～300nm、400nm～500nm和1μm～3μm。5.根据权利要求1所述的一种叉指石墨烯型ingan可见光探测器，其特征在于，所述表面微纳结构为球形、圆柱形或圆盘形金属微纳颗粒，包括au、ag和al中的一种以上。6.一种如权利要求1至5任一项所述的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1在si衬底上采用脉冲激光沉积低温外延生长aln和algan缓冲层，再采用金属有机化学气相沉积高温外延生长gan缓冲层和ingan功能层；s2在ingan功能层表面进行第一次光刻，通过湿法转移石墨烯材料，形成石墨烯透明电极；s3在含有石墨烯透明电极层的ingan功能层表面进行第二次光刻，采用电子束蒸发方法沉积金属膜，之后采用热退火工艺形成表面微纳结构。7.根据权利要求6所述的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，其特征在于，步骤s1中，采用脉冲激光沉积法生长aln层和algan层时温度分别为400℃～600℃和400℃～600℃，激光能量为1j/cm2～10j/cm2。8.根据权利要求6所述的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，其特征在于，步骤s1中，采用金属有机化学气相沉积法生长gan层和ingan功能层时温度分别为1000℃～1200℃和600℃～800℃。9.根据权利要求6所述的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，其特征在于，步骤s2和步骤s3中，所述第一次光刻和第二次光刻分别包括以下步骤：表面匀胶、烘干、曝光和显影。10.根据权利要求6所述的叉指石墨烯型ingan可见光探测器的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述电子束蒸发方法所采用的蒸镀工艺的蒸镀速率为0.10nm/min～0.30nm/min，所述金属膜的沉积厚度为5nm～20nm，所述热退火温度为700℃～900℃。

技术总结
本发明公开了一种叉指石墨烯型InGaN可见光探测器及其制备方法，所述探测器结构依次为Si衬底层、多层缓冲层、InGaN功能层、叉指石墨烯电极和表面微纳结构。所述多层缓冲层从下到上依次为AlN层、AlGaN层和GaN层。基于石墨烯与InGaN界面的肖特基结的整流特性，将叉指石墨烯作为透明导电电极以探测光生载流子，可以增大器件光敏面积，提升载流子迁移速率，减小漏电流。同时，利用表面微纳结构增强可见光的光吸收，可以提高器件的响应度与量子效率。可以提高器件的响应度与量子效率。可以提高器件的响应度与量子效率。


技术研发人员：李国强 郝曲曲 曲文韬 陈亮 陈金荣
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/10/19