一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器。該紫外探測器的結(jié)構(gòu)自下而上包括：藍(lán)寶石襯底、AlN緩沖層、GaN中間層、石墨烯薄膜層、金屬納米結(jié)構(gòu)層、n型n?AlxGa1?xN層、非摻雜i?AlyGa1?yN倍增層、p型p?AlzGa1?zN層、p型p?GaN層，在n?AlxGa1?xN層上引出n型歐姆電極，在p?GaN層上引出p型歐姆電極，其中0

A Ultraviolet Detector with Metal and Graphene Insertion Layer

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器
本專利技術(shù)屬于半導(dǎo)體光電子器件探測
，具體涉及一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器。
技術(shù)介紹
紫外探測是繼紅外和激光探測技術(shù)之后發(fā)展起來的一種軍民兩用光電探測技術(shù)，其可探測到飛機(jī)、火箭和導(dǎo)彈等飛行目標(biāo)的尾焰或羽焰中釋放的大量紫外輻射，因此被廣泛應(yīng)用于空間防務(wù)和報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控、汽車發(fā)動機(jī)監(jiān)測、石油工業(yè)和環(huán)境污染等監(jiān)測。AlGaN材料為寬禁帶的直接帶隙半導(dǎo)體，隨著Al組分的變化其帶隙可在3.4-6.2eV之間連續(xù)變化，其對應(yīng)的波長范圍為365-200nm，覆蓋了地球上的大氣臭氧吸收太陽光譜(240-280nm，故又被稱為“日盲區(qū)”)。AlGaN基紫外探測器具有日盲、紫外區(qū)高量子效率、高遷移率、低暗電流、低噪聲、化學(xué)穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等特性，但傳統(tǒng)紫外探測器采用的背面入射方式通常伴隨著入射光大量受損的問題，且高Al組分的AlGaN材料存在制備難度大、載流子輸運(yùn)困難的挑戰(zhàn)，二者制約了紫外探測器件光響應(yīng)速度和外量子效率的提高。石墨烯作為二維碳納米材料，其室溫下的載流子遷移率約為200000cm2/(V·s)，該數(shù)值幾乎為硅材料的200倍。因此，石墨烯優(yōu)秀的導(dǎo)電性能、透明、可柔性使得其在光電器件領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景。且當(dāng)石墨烯與金屬接觸時(shí)可使石墨烯費(fèi)米能級產(chǎn)生漂移：當(dāng)金屬的功函數(shù)大于石墨烯的功函數(shù)時(shí)，對石墨烯進(jìn)行空穴摻雜，可使其費(fèi)米能級向下漂移，呈p型特性。特別是當(dāng)金屬Au與石墨烯接觸時(shí)可呈現(xiàn)肖特基接觸性質(zhì)，此時(shí)在外電場作用下，會產(chǎn)生由金屬Au指向石墨烯方向的內(nèi)建電場，可促進(jìn)耗盡區(qū)外載流子的擴(kuò)散，對AlGaN基紫外探測器性能的提高具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的：針對上述傳統(tǒng)紫外探測器存在的問題，本專利技術(shù)提供了一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器。通過在外延生長n型n-AlxGa1-xN吸收層之前制備金屬納米結(jié)構(gòu)和石墨烯薄膜層，可以提高入射光的利用率，同時(shí)解決高Al組分AlGaN材料所存在的載流子輸運(yùn)困難的問題，以顯著提高紫外探測器的光響應(yīng)速度和量子效率。技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用下述技術(shù)方案：一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為：藍(lán)寶石襯底(101)、AlN緩沖層(102)、GaN中間層(103)、石墨烯薄膜層(104)、金屬納米結(jié)構(gòu)層(105)、n型n-AlxGa1-xN層(106)、非摻雜i-AlyGa1-yN倍增層(107)、p型p-AlzGa1-zN層(108)、p型p-GaN層(109)，在n-AlxGa1-xN層(106)上引出n型歐姆電極(110)，在p-GaN層(109)上引出p型歐姆電極(111)。優(yōu)選的，所述外延制備紫外探測器的襯底材料可以為極性、半極性、非極性取向的藍(lán)寶石。優(yōu)選的，所述AlN緩沖層(102)的厚度為10-50nm，所述GaN中間層(103)的厚度為200-500nm，所述n-AlxGa1-xN層(106)的厚度為300-600nm，所述i-AlyGa1-yN倍增層(107)的厚度為200-300nm，所述p-AlzGa1-zN層(108)的厚度為70-120nm，所述p-GaN層(109)的厚度為30-60nm。優(yōu)選的，所述石墨烯薄膜層(104)為單層、雙層或多層石墨烯，當(dāng)采用多層石墨烯時(shí)，其透過率T的計(jì)算公式為T＝(1-αabs)n，式中αabs為單層石墨烯的非飽和吸收效率，n為石墨烯的層數(shù)。優(yōu)選的，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層(105)是由在石墨烯薄膜層(104)之上鋪設(shè)的呈正六邊形周期網(wǎng)格分布的金納米顆粒構(gòu)成，金納米顆粒和石墨烯之間發(fā)生相互作用，耦合形成表面等離子激元。優(yōu)選的，所述n-AlxGa1-xN層(106)、i-AlyGa1-yN倍增層(107)和p-AlzGa1-zN層(108)中Al組分x,y,z之間的關(guān)系為：0<z<y<x<1。優(yōu)選的，所述n型歐姆電極(110)為Ti/Al/Au/Ni合金電極，p型歐姆電極(111)為Ni/Au合金電極。有益效果：本專利技術(shù)提供的上述這種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器，由于在外延生長n型n-AlxGa1-xN吸收層之前制備了金屬納米結(jié)構(gòu)和石墨烯薄膜層，其中的金屬納米簇結(jié)構(gòu)具有表面等離子激元吸收、金反射等特性，可增加層內(nèi)光傳播路徑和光吸收，減小入射光的損失，從而有效提高吸收層的光子利用率。同時(shí)，金屬Au與石墨烯之間會形成肖特基接觸，在外電場作用下，此時(shí)會產(chǎn)生由金屬Au指向石墨烯方向的內(nèi)建電場，可促進(jìn)少數(shù)載流子電子向上擴(kuò)散，使得光生載流子被有效地收集，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。因此，本專利技術(shù)對提高AlGaN基紫外探測器的光響應(yīng)速度和量子效率具有十分重要的意義。附圖說明圖1為本專利技術(shù)提供的一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為金屬和石墨烯插入層俯視圖。具體實(shí)施方式為了使本專利技術(shù)所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本專利技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施例僅用以具體解釋本專利技術(shù)，而并不用于限定本專利技術(shù)權(quán)利要求的范疇。實(shí)施例1圖1、圖2所示為本專利技術(shù)提供的一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器的具體結(jié)構(gòu)示意圖。其構(gòu)成要素包括：藍(lán)寶石襯底(101)、AlN緩沖層(102)、GaN中間層(103)、石墨烯薄膜層(104)、金屬納米結(jié)構(gòu)層(105)、n型n-Al0.65Ga0.35N層(106)、非摻雜i-Al0.45Ga0.55N倍增層(107)、p型p-Al0.25Ga0.75N層(108)、p型p-GaN層(109)，在n-Al0.65Ga0.35N層(106)上引出Ti/Al/Au/Ni合金電極(110)，在p-GaN層(109)上引出Ni/Au合金電極(111)。所述AlN緩沖層(102)的厚度為20nm，所述GaN中間層(103)的厚度為300nm，所述n-Al0.65Ga0.35N層(106)的厚度為500nm，所述i-Al0.45Ga0.55N倍增層(107)的厚度為230nm，所述p-Al0.25Ga0.75N層(108)的厚度為80nm，所述p-GaN層(109)的厚度為40nm。所述AlN緩沖層(102)是為了減少外延材料與襯底之間由于晶格失配引起的向上延伸的位錯(cuò)密度，GaN中間層(103)則是為了實(shí)現(xiàn)對日盲紫外波段的響應(yīng)。所述石墨烯薄膜層(104)是在GaN中間層(103)之上生長的單層石墨烯，而金屬納米結(jié)構(gòu)層(105)則是由在石墨烯薄膜層(104)之上鋪設(shè)的呈正六邊形周期網(wǎng)格分布的金納米顆粒構(gòu)成。實(shí)施例2圖1、圖2所示為本專利技術(shù)提供的一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器的具體結(jié)構(gòu)示意圖。其構(gòu)成要素包括：藍(lán)寶石襯底(101)、AlN緩沖層(102)、GaN中間層(103)、石墨烯薄膜層(104)、金屬納米結(jié)構(gòu)層(105)、n型n-Al0.65Ga0.35N層(106)、非摻雜i-Al0.45Ga0.55N倍增層(107)、p型p-Al0.25Ga0.75N層(108)、p型p-GaN層(109)，在n-Al0.65Ga0.35N層(106)上引出Ti/Al/Au/Ni合金電極(110)，在p-GaN層(109)上引出Ni/Au合金電極(111)。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器，其特征在于：自下而上的結(jié)構(gòu)依次為藍(lán)寶石襯底（101）、AlN緩沖層（102）、GaN中間層（103）、石墨烯薄膜層（104）、金屬納米結(jié)構(gòu)層（105）、n型n?AlxGa1?xN層（106）、非摻雜i?AlyGa1?yN倍增層（107）、p型p?AlzGa1?zN層（108）、p型p?GaN層（109），在n?AlxGa1?xN層（106）上引出n型歐姆電極（110），在p?GaN層（109）上引出p型歐姆電極（111）。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器，其特征在于：自下而上的結(jié)構(gòu)依次為藍(lán)寶石襯底（101）、AlN緩沖層（102）、GaN中間層（103）、石墨烯薄膜層（104）、金屬納米結(jié)構(gòu)層（105）、n型n-AlxGa1-xN層（106）、非摻雜i-AlyGa1-yN倍增層（107）、p型p-AlzGa1-zN層（108）、p型p-GaN層（109），在n-AlxGa1-xN層（106）上引出n型歐姆電極（110），在p-GaN層（109）上引出p型歐姆電極（111）。2.如權(quán)利要求1所述的一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器，其特征在于：所述外延制備紫外探測器的襯底材料為極性、半極性、非極性取向的藍(lán)寶石。3.如權(quán)利要求1所述的一種具有金屬和石墨烯插入層的紫外探測器，其特征在于：所述AlN緩沖層（102）的厚度為10-50nm，所述GaN中間層（103）的厚度為200-500nm，所述n-AlxGa1-xN層（106）的厚度為300-600nm，所述i-AlyGa...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張雄，張瑾，崔一平，
申請(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32