基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器及制备方法

摘要

本发明属于光电探测器领域，特别是指一种基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器及其制备方法。该探测器自下而上依次为Si衬底、SiO

说明书

技术领域

本发明属于光电探测器领域，特别是指一种基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器及其制备方法。

背景技术

一维半导体纳米线由于其有着巨大的比表面积、较小的特征尺寸、超高的光吸收效率和优异的结晶质量，被认为是构筑高性能纳米光电器件最有前景的基本单元。一维半导体纳米线被广泛应用在太阳能电池、场效应晶体管、纳米发电机、光电探测器等众多领域。在这些半导体器件中，紫外光电探测器因为其在导弹追踪、二进制开关、安全通讯、火焰报警、环境污染检测、未来信息存储等重要技术领域的应用，受到了人们广泛的关注。

基于不同波长，紫外波段的光波可以进一步分为三个典型的光谱区：UV-A(400-320nm)，UV-B(320～280nm)和UV-C(280～200nm)。大部分的UV-B紫外光和所有的UV-C紫外光可以被平流臭氧层和遮光剂中的分子吸收。然而，UV-A紫外线则可以很容易的穿透臭氧层到达地球的表面。长时间暴露在UV-A射线中可能会导致人体提前衰老或者皮肤癌等各种健康疾病。因此，不仅有必要建立有效的策略去避免UV-A紫外线损伤，而且有必要制备高性能、高选择度的紫外光电探测器来监控UV-A紫外线。

作为第三代半导体材料的氮化镓(GaN)属于直接带隙半导体，因其物理化学性质稳定、电子饱和速度高、禁带宽度大、带隙可调、熔点高等优点，已经成为发光二极管、场效应晶体管和紫外光探测器领域的主流材料和研究热点。目前，GaN薄膜基紫外光电探测器已经产业化应用。然而，基于GaN纳米材料的紫外光电探测器还存在着制备复杂、波长选择度差、光响应度和外量子效率不高等缺点，难以产业化。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种成本低廉、UV-A紫外光波段选择度好、响应时间快、光响应度和外量子效率超高的基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光探测器及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器，自下至上依次包括Si衬底(1)、SiO₂绝缘层(2)，SiO₂绝缘层(2)上设置单根孪晶结构GaN纳米线(3)、金属电极(4)，金属电极(4)分别覆盖在单根孪晶结构GaN纳米线(3)的两端，且形成欧姆接触。

所述的孪晶结构GaN纳米线(3)的晶体结构为孪晶，并且孪晶面平行于纳米线的轴向方向；所述的孪晶结构GaN纳米线(3)长度为100纳米至1毫米，直径为10纳米至10微米。

所述的金属电极(4)为Ag、Ti/Au、Cr/Au、Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au；所述的金属电极(4)厚度为20至200纳米，金属电极(4)的间距为100纳米至1毫米。

所述的基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将用于生长GaN纳米线的基底依次置于丙酮溶液、酒精溶液和去离子水中超声清洗，每步清洗5～15分钟，清洗后用氮气吹干；

步骤2：利用沉积的方法在基底上沉积一层Au薄膜；

步骤3：将装有Ga₂O₃粉末的石英坩埚放置高温管式炉的中央，再将沉积有Au薄膜的基底放至高温管式炉的下游位置；然后，向管式炉中通入惰性气氛来去除管式炉腔体中残余的氧气；

步骤4：将高温管式炉的腔体加热，当温度升至900℃±20℃时关闭惰性气氛并通入NH₃气；继续升温，直到温度升至孪晶结构GaN纳米线生长所需的温度；恒温一定时间后停止加热，关闭NH₃气，通入惰性气氛，使管式炉自然冷却至室温，得到孪晶结构GaN纳米线阵列；

步骤5：利用物理剥离的方法将孪晶结构GaN纳米线阵列从基底转移至酒精溶液，超声震荡4～6分钟；然后，利用旋涂的方法将纳米线转移并分散至SiO₂绝缘层；

步骤6：利用光刻和电子束蒸发的方法在单根孪晶结构GaN纳米线两端制备一层金属电极，形成最终的基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器。

所述的沉积的方法为电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射，Au薄膜的厚度为3至20纳米。

所述的基底为蓝宝石或者硅片，所述的惰性气氛为氩气或者氮气。

所述的孪晶结构GaN纳米线的生长温度为1050至1150℃，NH₃气的气体流量为180～220mL/min，恒温一定时间为25～35min。

与现有技术相比，本发明基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的优点在于：

1)相比于GaN薄膜，GaN纳米线具有更大的比表面积，更高的吸光系数以及更好的晶体质量。

2)更重要的是，本发明所选用的GaN纳米线是具有沿着纳米线轴向镜面对称的孪晶结构，并且两个晶畴都是单晶。因此，此孪晶结构纳米线有着很高的载流子迁移率。并且，此孪晶结构纳米线可以给光生载流子提供两个独立的传输通道，大大降低了光生载流子的复合效率，可使光电探测器的性能大幅提高。

3)本发明对UV-A波段的紫外光有着非常好的选择特性。并且有着超高的光谱响应度、外量子效率和探测灵敏度，以及较快的响应时间、较大的开关比和优异的光电流稳定性。

附图说明

图1是基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的三维结构示意图。图中，1、Si衬底；2、SiO₂绝缘层；3、单根孪晶结构GaN纳米线；4、金属电极。

图2是孪晶结构GaN纳米线阵列的扫描电子显微镜(SEM)图像。(a)是45度角俯视图；(b)是剖面图。

图3中，(a)是单根孪晶结构GaN纳米线的透射电子显微镜(TEM)图像；(b)是单根孪晶结构GaN纳米线的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像。

图4是基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器在不同波长光照下的I-V特性曲线。

图5中，(a)是在3V偏压测试条件下，基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的光电流与入射光波长的关系曲线；(b)是在3V偏压下测试条件下，基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的光响应度与入射光波长的关系曲线。

图6是基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器在360nm光照条件下，不同入射光功率的I-V特性曲线。

图7是基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的开关特性曲线。

图8是在5V偏压、360nm光照条件下，基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的光电流与时间的关系曲线。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器，自下而上依次有Si衬底1、SiO₂绝缘层2、单根孪晶结构GaN纳米线3、金属电极4，单根孪晶结构GaN纳米线3、金属电极4设置于SiO₂绝缘层2上，金属电极4分别覆盖在单根孪晶结构GaN纳米线3的两端，且形成欧姆接触。

实施例：

本实施例中，基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的制备方法，具体步骤如下：

1)将用于生长GaN纳米线的蓝宝石基底依次置于丙酮溶液、酒精溶液和去离子水中超声清洗，每步清洗10分钟，清洗后用氮气吹干。

2)利用电子束蒸发的方法在蓝宝石基底上沉积一层5nm厚的Au薄膜。

3)将装有Ga₂O₃粉末的石英坩埚放置高温管式炉的中央，再将沉积有5nm厚Au薄膜的蓝宝石基底放至高温管式炉的下游位置。然后，向高温管式炉中通入氩气来去除管式炉腔体中残余的氧气。

4)对高温管式炉进行升温，当腔体温度升至900℃时关闭氩气并通入NH₃气，NH₃气的气体流量为200mL/min。继续升温至1100℃，然后恒温30分钟后停止加热，通入氩气并关闭NH₃气使管式炉自然降温至室温，得到孪晶结构GaN纳米线阵列。

5)将孪晶结构GaN纳米线阵列从蓝宝石基底剥落后转移至酒精溶液中，并超声震荡5分钟。然后，利用旋涂的方法将纳米线转移并分散至SiO₂绝缘层。

6)在光学显微镜下，在SiO₂绝缘层上寻找一根孪晶结构GaN纳米线，利用传统光刻和电子束蒸发的方法在单根孪晶结构GaN纳米线两端沉积一层Ti/Au电极，Ti的厚度为40nm，Au的厚度为60nm，形成最终的基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器。

参照图2，从孪晶结构GaN纳米线阵列的SEM图像可以看出，本发明的孪晶结构GaN纳米线有着很好的择优生长取向，尺寸均一、形貌整齐、可重复性高。

参照图3，从单根孪晶结构GaN纳米线的TEM图像(a)可以看出，GaN纳米线是由两个沿着纳米线轴向晶面对称的晶畴组成。而且，通过孪晶结构GaN纳米线顶部的Au颗粒可以判断，孪晶结构GaN纳米线的生长机制是气-液-固(VLS)生长机制。通过对单根孪晶结构GaN纳米线HRTEM图像(b)的进一步分析，我们可以进一步确定，GaN纳米线是孪晶结构，并且两个对称的晶畴都是单晶结构。

参照图4，从基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器在不同波长光照下的I-V特性曲线可以看出，本发明的紫外光电探测器在没有光照和500nm光照条件下都显示出很小的电流，1.3nA(5V偏压)。当光照达到400nm时，电流有着微弱的增加。然而，进一步降低入射波长至370nm时，电流显著增加。最大光电流出现在当光照波长为360nm时，光电流可达到246nA(5V偏压)，显示出探测器较大的光电流增益及良好的紫外光响应特性。

参照图5，从基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的光电流与入射光波长的关系曲线(a)以及光响应度与入射光波长的关系曲线(b)可以看出，光电流的最大值和光响应度的最大值都出现在360nm光照条件下，其最大光响应度可达到1.74×10⁷A/W。并且，探测器只对UV-A紫外光波段有相应，对UV-B、UV-A和可见光波段几乎没有响应。显示出本发明的紫外光电探测器非常优异的UV-A选择特性。

参照图6，从基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器在不同入射光功率的I-V特性曲线可以看出，随着入射光功率的增加光电流也逐渐增加，表明本发明的紫外光电探测器对UV-A波长的光的强弱非常敏感。通过计算，本发明的紫外光电探测器的外量子效率高达6.08×10⁹％，探测灵敏度高达2.82×10¹⁴Jones。

参照图7，从基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的开关特性曲线可以看出，本发明的紫外光电探测器的光、暗电流稳定、响应时间快(144ms)、开光重复性高、光暗电流比值大(大于两个数量级)，显示出极其优异的光电信号转换特性和开关特性。

参照图8，从基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外光电探测器的光电流与时间的关系曲线可以看出，在4000s的光照时间内，探测器的光电流几乎没有衰减，光电流的波动范围小于7％。显示出极为优异的光电流稳定性。

实施例结果表明，相比于传统的紫外光电探测器，本发明的基于单根孪晶结构GaN纳米线的紫外探测器有着超高的外量子效率、响应度和探测灵敏度，对UV-A波长的紫外光选择性好。其制作工艺简单、成本低、有利于在纳米器件领域广泛应用。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。