本發(fā)明涉及納米氮化鎵材料紫外光探測器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著材料科學(xué)研究從高維向低維延伸，由于一維納米材料如：納米線、納米帶等表現(xiàn)出具有大的表面體積比、高的晶體質(zhì)量及許多不同于體材料的光學(xué)和電學(xué)特性，從而引起了人們濃厚的研究興趣。

氮化鎵(GaN)材料是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙覆蓋了從紅外到紫外的光譜范圍。氮化鎵材料因?yàn)榫哂泻线m的禁帶寬度(3.4eV)且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所以是制作紫外光探測器的理想材料。

傳統(tǒng)的層狀氮化鎵紫外光探測器受體材料位錯(cuò)較多，晶體質(zhì)量較差，光生載流子在體材料中傳輸距離較長等影響，層狀氮化鎵紫外光探測器的光增益較低，開關(guān)特性差，一定程度上限制了氮化鎵紫外光探測器的應(yīng)用,而高晶體質(zhì)量的納米氮化鎵材料成了很好的替代品。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的納米氮化鎵材料紫外光探測器的光開關(guān)比卻普遍較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器及其制備方法，本發(fā)明提供的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器具有較高的光開關(guān)比。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的制備方法，包括如下步驟：

(1)在鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底上光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形；

(2)在所述圖形的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶；

(3)剝離所述納米帶，將所述剝離得到的納米帶轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上；

(4)在所述步驟(3)得到基底的納米帶上鍍銀電極，得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。

優(yōu)選的，所述鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底的電阻率大于1000Ω·cm；

所述硅襯底的襯底部分的晶向?yàn)?lt;110>。

優(yōu)選的，所述鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底的厚度為420～440μm；

所述硅襯底上二氧化硅的厚度為100～150nm。

優(yōu)選的，所述圖形為條紋凹槽陣列。

優(yōu)選的，所述條紋凹槽陣列側(cè)壁垂直于作掩膜的二氧化硅面且互相平行；

所述凹槽陣列平行于硅襯底的晶向。

優(yōu)選的，所述條紋凹槽陣列的槽寬為5.5～6.5μm，槽深為2～2.5μm，槽間距為3.5～4.5μm。

優(yōu)選的，所述硅摻雜的氮化鎵納米帶的厚度為0.8～1.2μm，硅摻雜濃度為1×10¹⁸～2×10¹⁸cm-³。

優(yōu)選的，所述銀電極的厚度為250～350nm。

本發(fā)明還提供了一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器，在硅摻雜的氮化鎵納米帶上鍍有銀電極。

優(yōu)選的，所述硅摻雜的氮化鎵納米帶的厚度為0.8～1.2μm，硅摻雜濃度為1×10¹⁸～2×10¹⁸cm^-3；

所述銀電極的厚度為250～350nm。

本發(fā)明提供了一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的制備方法，(1)在鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底上光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形；(2)在所述圖形的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶；(3)剝離所述納米帶，將所述剝離得到的納米帶轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上；(4)在所述步驟(3)得到基底的納米帶上鍍銀電極，得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。本發(fā)明中的硅摻雜不僅增大了氮化鎵納米帶與銀電極間肖特基接觸的勢壘高度，增強(qiáng)了內(nèi)建電場，延長了光生載流子的壽命，而且增大了氮化鎵納米帶中的電子濃度，從而大大減小了暗電流，也提高了電極對光生電子的收集效率，增大了光電流，進(jìn)而改善了微納米量級氮化鎵紫外光探測器的光開關(guān)比和光增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的光開關(guān)比達(dá)到5.4×10⁴，光增益和光敏度分別為8.8×10⁵、2.3×10-⁵A/W。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1生長在圖形硅襯底上未剝離的硅摻雜氮化鎵納米帶的橫截面的掃描電子鏡像圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1實(shí)際剝離下來的單根硅摻雜氮化鎵納米帶掃描電子鏡像圖，左側(cè)插入圖為實(shí)際制作完成的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器件顯微鏡圖像；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1對得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器進(jìn)行光電性質(zhì)測量的模型圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1硅摻雜氮化鎵納米帶的光致發(fā)光譜圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1硅摻雜氮化鎵納米帶的光譜響應(yīng)特性圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的電流-電壓特性曲線圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器在不同325nm紫外激光強(qiáng)度下的電流-電壓特性曲線圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例1硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的時(shí)間響應(yīng)圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例1硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的時(shí)間響應(yīng)的上升過程和下降過程的放大圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的制備方法，包括如下步驟：

(1)在鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底上光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形；

(2)在所述圖形的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶；

(3)剝離所述納米帶，將所述剝離得到的納米帶轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上；

(4)在所述步驟(3)得到基底的納米帶上鍍銀電極，得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。

本發(fā)明在鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底上光刻圖形。在本發(fā)明中，所述鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底的電阻率優(yōu)選的大于1000Ω·cm，更優(yōu)選的大于等于1100Ω·cm且小于等于5000Ω·cm，最優(yōu)選的大于等于1500Ω·cm且小于等于3000Ω·cm。在本發(fā)明中，所述硅襯底的襯底部分的晶向優(yōu)選為<110>。

在本發(fā)明中，所述鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底的厚度優(yōu)選為420～440μm，更優(yōu)選為425～434μm，最優(yōu)選為428～432μm；所述硅襯底上二氧化硅厚度優(yōu)選為100～150nm，更優(yōu)選為110～140nm，最優(yōu)選為120～130nm。

本發(fā)明對所述光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕的具體實(shí)施方式?jīng)]有特殊要求，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕技術(shù)進(jìn)行即可。在本發(fā)明中，所述光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形優(yōu)選為條紋凹槽陣列；所述條紋凹槽陣列側(cè)壁優(yōu)選垂直于作掩膜的二氧化硅面且互相平行；所述條紋凹槽陣列優(yōu)選平行于硅襯底的晶向。在本發(fā)明中，所述條紋凹槽陣列的槽寬優(yōu)選為5.5～6.5μm，更優(yōu)選為5.7～6.3μm，最優(yōu)選為5.9～6.1μm；槽深優(yōu)選為2～2.5μm，更優(yōu)選為2.1～2.4μm，最優(yōu)選為2.2～2.3μm；槽間距優(yōu)選為3.5～4.5μm，更優(yōu)選為3.7～4.3μm，最優(yōu)選為3.9～4.1μm。本發(fā)明對所述凹槽陣列的槽數(shù)沒有特殊要求，原則上能夠布滿整個(gè)襯底即可。

本發(fā)明在所述圖形的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶。本發(fā)明對所述硅摻雜的氮化鎵納米帶的生長方法沒有特殊要求，本發(fā)明具體的采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積系統(tǒng)在鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶。

在本發(fā)明中，所述硅摻雜的氮化鎵納米帶的厚度優(yōu)選為0.8～1.2μm，更優(yōu)選為0.9～1.1μm，最優(yōu)選為1.0～1.1μm；硅摻雜濃度優(yōu)選為1×10¹⁸～2×10¹⁸cm^-3，更優(yōu)選為1.2×10¹⁸～1.8×10¹⁸cm^-3，最優(yōu)選為1.4×10¹⁸～1.6×10¹⁸cm^-3。

本發(fā)明剝離所述納米帶，將所述剝離得到的納米帶轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上。本發(fā)明優(yōu)選使用混合酸溶液對所述納米帶進(jìn)行剝離。在本發(fā)明中，所述混合酸溶液優(yōu)選為硝酸和氫氟酸的水溶液；所述硝酸、氫氟酸和水的體積比優(yōu)選為(4～6):(1～3):1，更優(yōu)選為5:2:1。

本發(fā)明優(yōu)選將剝離的納米帶溶于轉(zhuǎn)移劑中，然后再轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上。在本發(fā)明中，所述轉(zhuǎn)移劑優(yōu)選為水，或者易揮發(fā)的醇類溶液中的一種或幾種，所述醇類溶液優(yōu)選為異丙醇溶液和乙醇溶液中的一種或兩種。在本發(fā)明中，所述醇類溶液的濃度優(yōu)選為99.7％。

在本發(fā)明中，所述納米帶未剝離的襯底的面積和轉(zhuǎn)移劑的體積比優(yōu)選為(2～3)cm²:(5～7)mL，更優(yōu)選為2.5cm²:6mL。

在本發(fā)明中，所述鍍有二氧化硅的硅片基底上的二氧化硅層的厚度優(yōu)選為150～250nm，更優(yōu)選為170～230nm，最優(yōu)選為190～210nm。

本發(fā)明優(yōu)選使轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上的納米帶單層分布，不出現(xiàn)交叉和層疊。本發(fā)明優(yōu)選在將所述納米帶轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上之后，進(jìn)行干燥和熱處理，以除去轉(zhuǎn)移過程引入的轉(zhuǎn)移劑。在本發(fā)明具體實(shí)施例中，所述鍍有二氧化硅的硅片基底優(yōu)選先進(jìn)行熱處理。在本發(fā)明中，所述熱處理的溫度優(yōu)選為60～80℃，更優(yōu)選為62～78℃，最優(yōu)選為65～75℃；所述熱處理的時(shí)間優(yōu)選為1～10分鐘，更優(yōu)選為2～8分鐘，最優(yōu)選為5～6分鐘。在本發(fā)明中，所述干燥處理優(yōu)選為室溫干燥，即晾干。

本發(fā)明在上述得到基底的納米帶上鍍銀電極，得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。本發(fā)明對所述鍍銀電極的實(shí)施方式?jīng)]有特殊要求，具體的可以采用在鋼絲網(wǎng)掩膜下用金屬鍍膜機(jī)進(jìn)行所述鍍銀電極的操作。在本發(fā)明中，所述鋼絲網(wǎng)膜的絲徑優(yōu)選為10～25μm，更優(yōu)選為13～22μm，最優(yōu)選為15～20μm；所述鋼絲網(wǎng)膜的孔徑優(yōu)選的≥30μm，更優(yōu)選的大于等于35μm且小于等于50μm。

在本發(fā)明中，所述銀電極的厚度優(yōu)選為250～350nm，更優(yōu)選為270～330nm，最優(yōu)選為290～310nm。

本發(fā)明還提供了一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器，在硅摻雜的氮化鎵納米帶上鍍有銀電極。在本發(fā)明中，所述硅摻雜的氮化鎵納米帶的厚度優(yōu)選為0.8～1.2μm，更優(yōu)選為0.9～1.1μm，最優(yōu)選為1.0～1.1μm；硅摻雜濃度優(yōu)選為1×10¹⁸～2×10¹⁸cm^-3，更優(yōu)選為1.2×10¹⁸～1.8×10¹⁸cm^-3，最優(yōu)選為1.4×10¹⁸～1.6×10¹⁸cm-³。在本發(fā)明中，所述銀電極的厚度優(yōu)選為250～350nm，更優(yōu)選為270～330nm，最優(yōu)選為290～310nm。

本發(fā)明提供了一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器及其制備方法。本發(fā)明(1)在鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底上光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形；(2)在所述圖形的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶；(3)剝離所述納米帶，將所述剝離得到的納米帶轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上；(4)在所述步驟(3)得到基底的納米帶上鍍銀電極，得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。本發(fā)明中的硅摻雜不僅增大了氮化鎵納米帶與銀電極間肖特基接觸的勢壘高度，增強(qiáng)了內(nèi)建電場，延長了光生載流子的壽命，而且增大了氮化鎵納米帶中的電子濃度，從而大大減小了暗電流，也提高了電極對光生電子的收集效率，增大了光電流，進(jìn)而改善了微納米量級氮化鎵紫外光探測器的光開關(guān)比和光增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的光開關(guān)比達(dá)到5.4×10⁴，光增益和光敏度分別為8.8×10⁵、2.3×10-⁵A/W。

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)的說明，但是不能把它們理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施例1

1)在鍍有150nm二氧化硅作掩膜，晶向?yàn)?lt;110>，電阻率為1000Ω·cm，厚度為420μm的硅襯底上光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形，得到的圖形是寬度為5.5μm，深度為2μm，側(cè)壁垂直且相互平行的條紋凹槽陣列，條紋凹槽陣列平行于硅襯底的晶向，凹槽間距為4.5μm。

2)利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積系統(tǒng)在步驟1)得到的圖形硅襯底的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶；硅摻雜濃度為1×10¹⁸cm-³，納米帶的生長厚度為0.8μm。

3)用體積比為硝酸:氫氟酸:水＝5:2:1的溶液剝離步驟2)中生長在硅襯底上的納米帶。

4)將步驟3)中獲得的納米帶溶于異丙醇溶液中，并滴在70℃的鍍有200nm二氧化硅的硅片基底上，輕輕振蕩硅片，使納米帶盡量分散在硅片基底上，不出現(xiàn)疊加或交叉，晾干。

5)在絲徑為25μm，孔徑為30μm的鋼絲網(wǎng)掩膜下用金屬鍍膜機(jī)在經(jīng)步驟4)處理的硅片上的納米帶蒸鍍300nm厚的銀電極，即得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。

本實(shí)施例生長在圖形硅襯底上未剝離的硅摻雜氮化鎵納米帶的橫截面的掃描電子鏡像圖如圖1所示，實(shí)際剝離下來的單根硅摻雜氮化鎵納米帶掃描電子鏡像圖如圖2所示，實(shí)際制得的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器如圖2左側(cè)插入圖所示，對得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器進(jìn)行光電性質(zhì)測量的模型圖如圖3所示。其中，圖1和圖3中GaNNB為硅摻雜氮化鎵納米帶，patterned Si、Si、Ag、SiO₂依次是圖形的硅襯底、硅襯底、銀電極和二氧化硅。

硅摻雜氮化鎵納米帶的光致發(fā)光譜圖如圖4所示，硅摻雜氮化鎵納米帶的光譜響應(yīng)特性如圖5所示。由圖4和圖5可知，硅摻雜氮化鎵納米帶的光致發(fā)光譜圖和光譜響應(yīng)特性圖符合得很好，其選擇響應(yīng)光為紫外光，大概在367nm左右。

本實(shí)施例得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的電流-電壓特性曲線圖如圖6所示，由圖6可知，在-5V偏置時(shí)，探測器的暗電流(無光照下的電流)不到1×10-⁹A，而光電流(強(qiáng)度為5mW/cm²,波長為325nm紫外激光照射下的電流)達(dá)到了5.4×10-⁵A，光開關(guān)比達(dá)到5.4×10⁴(為計(jì)算方便，假定入射光子全部被吸收)，此時(shí)的光增益和光敏度分別為8.8×10⁵、2.3×10-⁵A/W。

本實(shí)施例得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器在不同325nm紫外激光強(qiáng)度下的電流-電壓特性曲線圖如圖7所示，由圖7可知，探測器的光電流隨入射紫外光強(qiáng)度的增強(qiáng)而依次增大。硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器在-5V偏置，入射的325nm紫外光光強(qiáng)為5mW/cm²時(shí)的時(shí)間響應(yīng)圖如圖8所示，硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的時(shí)間響應(yīng)的上升過程和下降過程的放大圖如圖9所示。由圖7～9可知，本實(shí)施例得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器具有優(yōu)異的光響應(yīng)特性和時(shí)間響應(yīng)特性；時(shí)間響應(yīng)的上升時(shí)間為60毫秒，下降時(shí)間小于2秒。

實(shí)施例2

1)在鍍有100nm二氧化硅作掩膜，晶向?yàn)?lt;110>，電阻率為1100Ω·cm，厚度為440μm的硅襯底上光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形，得到的圖形是寬度為5.5μm，深度為2μm，側(cè)壁垂直且相互平行的條紋凹槽陣列，條紋凹槽陣列平行于硅襯底的晶向，凹槽間距為4.5μm。

2)利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積系統(tǒng)在步驟1)得到的圖形硅襯底的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶；硅摻雜濃度為2×10¹⁸cm-³，納米帶的生長厚度為1.2μm。

3)用體積比為硝酸:氫氟酸:水＝5:2:1的溶液剝離步驟2)中生長在硅襯底上的納米帶。

4)將步驟3)中獲得的納米帶溶于乙醇溶液中，并滴在70℃的鍍有200nm二氧化硅的硅片基底上，輕輕振蕩硅片，使納米帶盡量分散在硅片基底上，不出現(xiàn)疊加或交叉，晾干。

5)在絲徑為25μm，孔徑為30μm的鋼絲網(wǎng)掩膜下用金屬鍍膜機(jī)在經(jīng)步驟4)處理的硅片上的納米帶蒸鍍300nm厚的銀電極，即得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。

實(shí)施例3

1)在鍍有130nm二氧化硅作掩膜，晶向?yàn)?lt;110>，電阻率為1200Ω·cm，厚度為430μm的硅襯底上光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形，得到的圖形是寬度為5.5μm，深度為2μm，側(cè)壁垂直且相互平行的條紋凹槽陣列，條紋凹槽陣列平行于硅襯底的晶向，凹槽間距為4.5μm。

2)利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積系統(tǒng)在步驟1)得到的圖形硅襯底的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶；硅摻雜濃度為1.5×10¹⁸cm-³，納米帶的生長厚度為1.0μm。

3)用體積比為硝酸:氫氟酸:水＝5:2:1的溶液剝離步驟2)中生長在硅襯底上的納米帶。

4)將步驟3)中獲得的納米帶溶于水中，并滴在70℃的鍍有200nm二氧化硅的硅片基底上，輕輕振蕩硅片，使納米帶盡量分散在硅片基底上，不出現(xiàn)疊加或交叉，晾干。

5)在絲徑為25μm，孔徑為30μm的鋼絲網(wǎng)掩膜下用金屬鍍膜機(jī)在經(jīng)步驟4)處理的硅片上的納米帶蒸鍍300nm厚的銀電極，即得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。

由以上實(shí)施例可知，本發(fā)明提供了一種硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器及其制備方法。本發(fā)明(1)在鍍有二氧化硅作掩膜的硅襯底上光刻和氫氧化鉀濕法刻蝕圖形；(2)在所述圖形的凹槽側(cè)壁上生長硅摻雜的氮化鎵納米帶；(3)剝離所述納米帶，將所述剝離得到的納米帶轉(zhuǎn)移至鍍有二氧化硅的硅片基底上；(4)在所述步驟(3)得到基底的納米帶上鍍銀電極，得到硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器。本發(fā)明中的硅摻雜不僅增大了氮化鎵納米帶與銀電極間肖特基接觸的勢壘高度，增強(qiáng)了內(nèi)建電場，延長了光生載流子的壽命，而且增大了氮化鎵納米帶中的電子濃度，從而大大減小了暗電流，也提高了電極對光生電子的收集效率，增大了光電流，進(jìn)而改善了微納米量級氮化鎵紫外光探測器的光開關(guān)比和光增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明得到的硅摻雜氮化鎵納米帶紫外光探測器的光開關(guān)比達(dá)到5.4×10⁴，光增益和光敏度分別為8.8×10⁵、2.3×10^-5A/W。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。