一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器及其制备方法与流程

本发明涉及纳米氮化镓材料紫外光探测器技术领域，特别涉及一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器及其制备方法。

背景技术：

近年来，随着材料科学研究从高维向低维延伸，由于一维纳米材料如：纳米线、纳米带等表现出具有大的表面体积比、高的晶体质量及许多不同于体材料的光学和电学特性，从而引起了人们浓厚的研究兴趣。

氮化镓(GaN)材料是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙覆盖了从红外到紫外的光谱范围。氮化镓材料因为具有合适的禁带宽度(3.4eV)且化学性质稳定，所以是制作紫外光探测器的理想材料。

传统的层状氮化镓紫外光探测器受体材料位错较多，晶体质量较差，光生载流子在体材料中传输距离较长等影响，层状氮化镓紫外光探测器的光增益较低，开关特性差，一定程度上限制了氮化镓紫外光探测器的应用,而高晶体质量的纳米氮化镓材料成了很好的替代品。然而，现有技术中的纳米氮化镓材料紫外光探测器的光开关比却普遍较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器及其制备方法，本发明提供的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器具有较高的光开关比。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的制备方法，包括如下步骤：

(1)在镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底上光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形；

(2)在所述图形的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带；

(3)剥离所述纳米带，将所述剥离得到的纳米带转移至镀有二氧化硅的硅片基底上；

(4)在所述步骤(3)得到基底的纳米带上镀银电极，得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。

优选的，所述镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底的电阻率大于1000Ω·cm；

所述硅衬底的衬底部分的晶向为<110>。

优选的，所述镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底的厚度为420～440μm；

所述硅衬底上二氧化硅的厚度为100～150nm。

优选的，所述图形为条纹凹槽阵列。

优选的，所述条纹凹槽阵列侧壁垂直于作掩膜的二氧化硅面且互相平行；

所述凹槽阵列平行于硅衬底的晶向。

优选的，所述条纹凹槽阵列的槽宽为5.5～6.5μm，槽深为2～2.5μm，槽间距为3.5～4.5μm。

优选的，所述硅掺杂的氮化镓纳米带的厚度为0.8～1.2μm，硅掺杂浓度为1×10¹⁸～2×10¹⁸cm-³。

优选的，所述银电极的厚度为250～350nm。

本发明还提供了一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器，在硅掺杂的氮化镓纳米带上镀有银电极。

优选的，所述硅掺杂的氮化镓纳米带的厚度为0.8～1.2μm，硅掺杂浓度为1×10¹⁸～2×10¹⁸cm^-3；

所述银电极的厚度为250～350nm。

本发明提供了一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的制备方法，(1)在镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底上光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形；(2)在所述图形的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带；(3)剥离所述纳米带，将所述剥离得到的纳米带转移至镀有二氧化硅的硅片基底上；(4)在所述步骤(3)得到基底的纳米带上镀银电极，得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。本发明中的硅掺杂不仅增大了氮化镓纳米带与银电极间肖特基接触的势垒高度，增强了内建电场，延长了光生载流子的寿命，而且增大了氮化镓纳米带中的电子浓度，从而大大减小了暗电流，也提高了电极对光生电子的收集效率，增大了光电流，进而改善了微纳米量级氮化镓紫外光探测器的光开关比和光增益。实验结果表明，本发明得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的光开关比达到5.4×10⁴，光增益和光敏度分别为8.8×10⁵、2.3×10-⁵A/W。

附图说明

图1为本发明实施例1生长在图形硅衬底上未剥离的硅掺杂氮化镓纳米带的横截面的扫描电子镜像图；

图2为本发明实施例1实际剥离下来的单根硅掺杂氮化镓纳米带扫描电子镜像图，左侧插入图为实际制作完成的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器件显微镜图像；

图3为本发明实施例1对得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器进行光电性质测量的模型图；

图4为本发明实施例1硅掺杂氮化镓纳米带的光致发光谱图；

图5为本发明实施例1硅掺杂氮化镓纳米带的光谱响应特性图；

图6为本发明实施例1得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的电流-电压特性曲线图；

图7为本发明实施例1硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器在不同325nm紫外激光强度下的电流-电压特性曲线图；

图8为本发明实施例1硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的时间响应图；

图9为本发明实施例1硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的时间响应的上升过程和下降过程的放大图。

具体实施方式

本发明提供了一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的制备方法，包括如下步骤：

(1)在镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底上光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形；

(2)在所述图形的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带；

(3)剥离所述纳米带，将所述剥离得到的纳米带转移至镀有二氧化硅的硅片基底上；

(4)在所述步骤(3)得到基底的纳米带上镀银电极，得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。

本发明在镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底上光刻图形。在本发明中，所述镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底的电阻率优选的大于1000Ω·cm，更优选的大于等于1100Ω·cm且小于等于5000Ω·cm，最优选的大于等于1500Ω·cm且小于等于3000Ω·cm。在本发明中，所述硅衬底的衬底部分的晶向优选为<110>。

在本发明中，所述镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底的厚度优选为420～440μm，更优选为425～434μm，最优选为428～432μm；所述硅衬底上二氧化硅厚度优选为100～150nm，更优选为110～140nm，最优选为120～130nm。

本发明对所述光刻和氢氧化钾湿法刻蚀的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的光刻和氢氧化钾湿法刻蚀技术进行即可。在本发明中，所述光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形优选为条纹凹槽阵列；所述条纹凹槽阵列侧壁优选垂直于作掩膜的二氧化硅面且互相平行；所述条纹凹槽阵列优选平行于硅衬底的晶向。在本发明中，所述条纹凹槽阵列的槽宽优选为5.5～6.5μm，更优选为5.7～6.3μm，最优选为5.9～6.1μm；槽深优选为2～2.5μm，更优选为2.1～2.4μm，最优选为2.2～2.3μm；槽间距优选为3.5～4.5μm，更优选为3.7～4.3μm，最优选为3.9～4.1μm。本发明对所述凹槽阵列的槽数没有特殊要求，原则上能够布满整个衬底即可。

本发明在所述图形的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带。本发明对所述硅掺杂的氮化镓纳米带的生长方法没有特殊要求，本发明具体的采用金属有机化合物气相沉积系统在镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带。

在本发明中，所述硅掺杂的氮化镓纳米带的厚度优选为0.8～1.2μm，更优选为0.9～1.1μm，最优选为1.0～1.1μm；硅掺杂浓度优选为1×10¹⁸～2×10¹⁸cm^-3，更优选为1.2×10¹⁸～1.8×10¹⁸cm^-3，最优选为1.4×10¹⁸～1.6×10¹⁸cm^-3。

本发明剥离所述纳米带，将所述剥离得到的纳米带转移至镀有二氧化硅的硅片基底上。本发明优选使用混合酸溶液对所述纳米带进行剥离。在本发明中，所述混合酸溶液优选为硝酸和氢氟酸的水溶液；所述硝酸、氢氟酸和水的体积比优选为(4～6):(1～3):1，更优选为5:2:1。

本发明优选将剥离的纳米带溶于转移剂中，然后再转移至镀有二氧化硅的硅片基底上。在本发明中，所述转移剂优选为水，或者易挥发的醇类溶液中的一种或几种，所述醇类溶液优选为异丙醇溶液和乙醇溶液中的一种或两种。在本发明中，所述醇类溶液的浓度优选为99.7％。

在本发明中，所述纳米带未剥离的衬底的面积和转移剂的体积比优选为(2～3)cm²:(5～7)mL，更优选为2.5cm²:6mL。

在本发明中，所述镀有二氧化硅的硅片基底上的二氧化硅层的厚度优选为150～250nm，更优选为170～230nm，最优选为190～210nm。

本发明优选使转移至镀有二氧化硅的硅片基底上的纳米带单层分布，不出现交叉和层叠。本发明优选在将所述纳米带转移至镀有二氧化硅的硅片基底上之后，进行干燥和热处理，以除去转移过程引入的转移剂。在本发明具体实施例中，所述镀有二氧化硅的硅片基底优选先进行热处理。在本发明中，所述热处理的温度优选为60～80℃，更优选为62～78℃，最优选为65～75℃；所述热处理的时间优选为1～10分钟，更优选为2～8分钟，最优选为5～6分钟。在本发明中，所述干燥处理优选为室温干燥，即晾干。

本发明在上述得到基底的纳米带上镀银电极，得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。本发明对所述镀银电极的实施方式没有特殊要求，具体的可以采用在钢丝网掩膜下用金属镀膜机进行所述镀银电极的操作。在本发明中，所述钢丝网膜的丝径优选为10～25μm，更优选为13～22μm，最优选为15～20μm；所述钢丝网膜的孔径优选的≥30μm，更优选的大于等于35μm且小于等于50μm。

在本发明中，所述银电极的厚度优选为250～350nm，更优选为270～330nm，最优选为290～310nm。

本发明还提供了一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器，在硅掺杂的氮化镓纳米带上镀有银电极。在本发明中，所述硅掺杂的氮化镓纳米带的厚度优选为0.8～1.2μm，更优选为0.9～1.1μm，最优选为1.0～1.1μm；硅掺杂浓度优选为1×10¹⁸～2×10¹⁸cm^-3，更优选为1.2×10¹⁸～1.8×10¹⁸cm^-3，最优选为1.4×10¹⁸～1.6×10¹⁸cm-³。在本发明中，所述银电极的厚度优选为250～350nm，更优选为270～330nm，最优选为290～310nm。

本发明提供了一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器及其制备方法。本发明(1)在镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底上光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形；(2)在所述图形的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带；(3)剥离所述纳米带，将所述剥离得到的纳米带转移至镀有二氧化硅的硅片基底上；(4)在所述步骤(3)得到基底的纳米带上镀银电极，得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。本发明中的硅掺杂不仅增大了氮化镓纳米带与银电极间肖特基接触的势垒高度，增强了内建电场，延长了光生载流子的寿命，而且增大了氮化镓纳米带中的电子浓度，从而大大减小了暗电流，也提高了电极对光生电子的收集效率，增大了光电流，进而改善了微纳米量级氮化镓紫外光探测器的光开关比和光增益。实验结果表明，本发明得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的光开关比达到5.4×10⁴，光增益和光敏度分别为8.8×10⁵、2.3×10-⁵A/W。

下面结合实施例对本发明提供的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

1)在镀有150nm二氧化硅作掩膜，晶向为<110>，电阻率为1000Ω·cm，厚度为420μm的硅衬底上光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形，得到的图形是宽度为5.5μm，深度为2μm，侧壁垂直且相互平行的条纹凹槽阵列，条纹凹槽阵列平行于硅衬底的晶向，凹槽间距为4.5μm。

2)利用金属有机化合物气相沉积系统在步骤1)得到的图形硅衬底的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带；硅掺杂浓度为1×10¹⁸cm-³，纳米带的生长厚度为0.8μm。

3)用体积比为硝酸:氢氟酸:水＝5:2:1的溶液剥离步骤2)中生长在硅衬底上的纳米带。

4)将步骤3)中获得的纳米带溶于异丙醇溶液中，并滴在70℃的镀有200nm二氧化硅的硅片基底上，轻轻振荡硅片，使纳米带尽量分散在硅片基底上，不出现叠加或交叉，晾干。

5)在丝径为25μm，孔径为30μm的钢丝网掩膜下用金属镀膜机在经步骤4)处理的硅片上的纳米带蒸镀300nm厚的银电极，即得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。

本实施例生长在图形硅衬底上未剥离的硅掺杂氮化镓纳米带的横截面的扫描电子镜像图如图1所示，实际剥离下来的单根硅掺杂氮化镓纳米带扫描电子镜像图如图2所示，实际制得的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器如图2左侧插入图所示，对得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器进行光电性质测量的模型图如图3所示。其中，图1和图3中GaNNB为硅掺杂氮化镓纳米带，patterned Si、Si、Ag、SiO₂依次是图形的硅衬底、硅衬底、银电极和二氧化硅。

硅掺杂氮化镓纳米带的光致发光谱图如图4所示，硅掺杂氮化镓纳米带的光谱响应特性如图5所示。由图4和图5可知，硅掺杂氮化镓纳米带的光致发光谱图和光谱响应特性图符合得很好，其选择响应光为紫外光，大概在367nm左右。

本实施例得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的电流-电压特性曲线图如图6所示，由图6可知，在-5V偏置时，探测器的暗电流(无光照下的电流)不到1×10-⁹A，而光电流(强度为5mW/cm²,波长为325nm紫外激光照射下的电流)达到了5.4×10-⁵A，光开关比达到5.4×10⁴(为计算方便，假定入射光子全部被吸收)，此时的光增益和光敏度分别为8.8×10⁵、2.3×10-⁵A/W。

本实施例得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器在不同325nm紫外激光强度下的电流-电压特性曲线图如图7所示，由图7可知，探测器的光电流随入射紫外光强度的增强而依次增大。硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器在-5V偏置，入射的325nm紫外光光强为5mW/cm²时的时间响应图如图8所示，硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的时间响应的上升过程和下降过程的放大图如图9所示。由图7～9可知，本实施例得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器具有优异的光响应特性和时间响应特性；时间响应的上升时间为60毫秒，下降时间小于2秒。

实施例2

1)在镀有100nm二氧化硅作掩膜，晶向为<110>，电阻率为1100Ω·cm，厚度为440μm的硅衬底上光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形，得到的图形是宽度为5.5μm，深度为2μm，侧壁垂直且相互平行的条纹凹槽阵列，条纹凹槽阵列平行于硅衬底的晶向，凹槽间距为4.5μm。

2)利用金属有机化合物气相沉积系统在步骤1)得到的图形硅衬底的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带；硅掺杂浓度为2×10¹⁸cm-³，纳米带的生长厚度为1.2μm。

3)用体积比为硝酸:氢氟酸:水＝5:2:1的溶液剥离步骤2)中生长在硅衬底上的纳米带。

4)将步骤3)中获得的纳米带溶于乙醇溶液中，并滴在70℃的镀有200nm二氧化硅的硅片基底上，轻轻振荡硅片，使纳米带尽量分散在硅片基底上，不出现叠加或交叉，晾干。

5)在丝径为25μm，孔径为30μm的钢丝网掩膜下用金属镀膜机在经步骤4)处理的硅片上的纳米带蒸镀300nm厚的银电极，即得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。

实施例3

1)在镀有130nm二氧化硅作掩膜，晶向为<110>，电阻率为1200Ω·cm，厚度为430μm的硅衬底上光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形，得到的图形是宽度为5.5μm，深度为2μm，侧壁垂直且相互平行的条纹凹槽阵列，条纹凹槽阵列平行于硅衬底的晶向，凹槽间距为4.5μm。

2)利用金属有机化合物气相沉积系统在步骤1)得到的图形硅衬底的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带；硅掺杂浓度为1.5×10¹⁸cm-³，纳米带的生长厚度为1.0μm。

3)用体积比为硝酸:氢氟酸:水＝5:2:1的溶液剥离步骤2)中生长在硅衬底上的纳米带。

4)将步骤3)中获得的纳米带溶于水中，并滴在70℃的镀有200nm二氧化硅的硅片基底上，轻轻振荡硅片，使纳米带尽量分散在硅片基底上，不出现叠加或交叉，晾干。

5)在丝径为25μm，孔径为30μm的钢丝网掩膜下用金属镀膜机在经步骤4)处理的硅片上的纳米带蒸镀300nm厚的银电极，即得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。

由以上实施例可知，本发明提供了一种硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器及其制备方法。本发明(1)在镀有二氧化硅作掩膜的硅衬底上光刻和氢氧化钾湿法刻蚀图形；(2)在所述图形的凹槽侧壁上生长硅掺杂的氮化镓纳米带；(3)剥离所述纳米带，将所述剥离得到的纳米带转移至镀有二氧化硅的硅片基底上；(4)在所述步骤(3)得到基底的纳米带上镀银电极，得到硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器。本发明中的硅掺杂不仅增大了氮化镓纳米带与银电极间肖特基接触的势垒高度，增强了内建电场，延长了光生载流子的寿命，而且增大了氮化镓纳米带中的电子浓度，从而大大减小了暗电流，也提高了电极对光生电子的收集效率，增大了光电流，进而改善了微纳米量级氮化镓紫外光探测器的光开关比和光增益。实验结果表明，本发明得到的硅掺杂氮化镓纳米带紫外光探测器的光开关比达到5.4×10⁴，光增益和光敏度分别为8.8×10⁵、2.3×10^-5A/W。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。