一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器及其制作方法与流程

本发明涉及一种紫外探测器及其制作方法，特别是一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器及其制作方法。

背景技术：

紫外探测技术在军事和民用等方面应用广泛。在军事上，导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析等方面都有紫外探测的需求。在民用上，如明火探测、生物医药分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、公安侦查等。总之，紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的又一军民两用光电探测技术。

一直以来，高灵敏紫外探测多采用对紫外敏感的光电倍增管和类似的真空器件。而紫外增强型硅光电二极管是固体探测器的代表。相对固体探测器而言，真空器件存在体积大、工作电压高等缺点；硅器件具有可见光响应的特点在一些紫外应用中会变成缺点。随着宽禁带半导体材料研究，人们开始考虑可见光响应极小的本征型紫外光电探测器。GaN材料是一种宽禁带直接带隙化合物半导体材料，禁带宽度为3.4eV。目前，GaN材料光电探测器大都由GaN薄膜结构构成，大致有光导型、MSM、肖特基结型以及光电二极管型等多种芯片结构但是，GaN薄膜器件的制造成本很高，而且制造工艺技术难度高，因此无法广泛运用到实际操作中，难以进行进一步的推广和应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构具有更少的缺陷、质量性能更好、紫外探测性能更优越的带有GaN纳米线阵列的紫外探测器。

本发明的另一目的是提供一种制造工艺简单可行，成本较低的带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的制作方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器，包括衬底和P型GaN薄膜层，所述P型GaN薄膜层设置在衬底的上表面，所述P型GaN薄膜层上生长有N型GaN纳米线阵列，所述N型GaN纳米线阵列中的N型GaN纳米线与P型GaN薄膜层之间形成有同质PN结。

进一步地，所述P型GaN薄膜层上制有第一窗口和设置在第一窗口四周边沿上的第二窗口，所述第一窗口上镀有催化剂，所述第二窗口上镀有钝化层；所述N型GaN纳米线阵列生长在所述第一窗口上。

进一步地，所述N型GaN纳米线阵列的间隙中填充有绝缘的旋涂玻璃液后形成旋涂玻璃层。

进一步地，在所述旋涂玻璃层的上表面镀有透明导电层。

进一步地，所述P型GaN薄膜层上设有P型欧姆电极，所述透明导电层上设有N型欧姆电极。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的制作方法，包括以下步骤：

S1、在衬底的上表面设置P型GaN薄膜层；

S2、在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列，并且所述N型GaN纳米线阵列中的N型GaN纳米线与P型GaN薄膜层之间形成同质PN结；

S3、将绝缘的旋涂玻璃液旋涂到所述N型GaN纳米线的衬底上，使旋涂玻璃液填充到纳米线间隙后形成旋涂玻璃层；

S4、在所述旋涂玻璃层上表面蒸镀一层透明导电层；

S5、在所述P型GaN薄膜层上设置P型欧姆电极，在所述透明导电层上设置N型欧姆电极。

进一步地，所述步骤S2中的所述在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列这一步骤具体为：在所述P型GaN薄膜层上制有第一窗口和设置在第一窗口四周边沿上的第二窗口，所述第一窗口上镀有催化剂，所述第二窗口上镀有钝化层，从而使N型GaN纳米线阵列生长在所述第一窗口上。

进一步地，所述步骤S2中所述的在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列这一步骤，其具体为：在氢化物气相外延设备中通过气相反应方法，从而在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列。

进一步地，所述步骤S2中所述N型GaN纳米线阵列的生长条件为：温度为820摄氏度，GaCl流量为15sccm，NH₃流量为100sccm，时间为4min。

进一步地，所述步骤S4具体为：利用等离子体增强化学气相沉积法在所述旋涂玻璃上镀一层200nm厚度的氧化铟锡作为所述透明导电层。

本发明的有益效果是：本发明提供一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器，成本低、灵敏度高、性能稳定；其具体表现在：所述P型GaN薄膜层上生长有N型GaN纳米线阵列，所述N型GaN纳米线阵列中的N型GaN纳米线与P型GaN薄膜层之间形成有同质PN结，其一维GaN纳米线结构避免了晶格不匹配、热应力不匹配等问题，大大减少材料缺陷，提升材料质量、器件性能。

本发明的另一有益效果是：本发明提供一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的制作方法，制造成本低，以此方法制作的GaN纳米线阵列紫外探测器灵敏度高、性能稳定；其具体表现在：通过在P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线形成同质PN结，避免了晶格不匹配、热应力不匹配等问题，大大减少材料缺陷，提升材料质量、器件性能；通过旋涂填充旋涂玻璃液在纳米线之间，实现纳米阵列结构的电注入，工艺简单可行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的结构示意图；

图2是本发明一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的P型GaN薄膜层的上表面示意图；

图3是本发明一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的GaN纳米线场发射扫描电镜倾斜图；

图4是本发明一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的GaN纳米线场发射扫描电镜顶部图；

图5是本发明一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器对365nm紫外光的光电响应特性I-V曲线示意图；

图6是本发明一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的时间响应重复性测试曲线示意图；

图7是本发明一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的制作方法的步骤流程图。

其中，1是蓝宝石衬底；2是P型GaN薄膜层；3是P型欧姆电极；4是旋涂玻璃液；5是氧化铟锡；6是N型欧姆电极；7是N型GaN纳米线；8是第一窗口；9是第二窗口。

具体实施方式

下面对于本发明所提出的一种GaN纳米线阵列的紫外探测器及其制作方法，结合附图和实施例详细说明。

一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器，包括衬底和P型GaN薄膜层，所述P型GaN薄膜层设置在衬底的上表面，所述P型GaN薄膜层上生长有N型GaN纳米线阵列，所述N型GaN纳米线阵列中的N型GaN纳米线与P型GaN薄膜层之间形成有同质PN结。

进一步地，所述P型GaN薄膜层上制有第一窗口和设置在第一窗口四周边沿上的第二窗口，所述第一窗口上镀有催化剂，所述第二窗口上镀有钝化层；所述N型GaN纳米线阵列生长在所述第一窗口上。

进一步地，所述N型GaN纳米线阵列的间隙中填充有绝缘的旋涂玻璃液后形成旋涂玻璃层。

进一步地，在所述旋涂玻璃层的上表面镀有透明导电层。

进一步地，所述P型GaN薄膜层上设有P型欧姆电极，所述透明导电层上设有N型欧姆电极。

本发明紫外探测器一具体实施例

如图1所示，本发明一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器，包括蓝宝石衬底1和P型GaN薄膜层2，所述P型GaN薄膜层2设置在蓝宝石衬底1的上表面；所述P型GaN薄膜层2上生长有N型GaN纳米线阵列，所述N型GaN纳米线阵列中的N型GaN纳米线7与P型GaN薄膜层2之间形成有同质PN结。本发明的结构设计避免了构造纳米光电器件的材料晶格不匹配、热应力不匹配等问题，大大减少缺陷，提升材料质量和器件性能。

进一步作为优选的实施方式，如图2所示，所述P型GaN薄膜层2上利用光刻工艺制作了660*660um的第一窗口8和设置在所述第一窗口四周边沿上的90*660um的第二窗口9，所述第一窗口8的P型GaN薄膜层上蒸镀有一层2nm/2nm的Au/Ni薄膜，在所述第二窗口9的P型GaN薄膜层上蒸镀有一层280nm的SiO₂；Au/Ni作为生长N型GaN纳米线的催化剂，SiO₂作为钝化层；所述N型GaN纳米线阵列生长在所述第一窗口8上。在P型GaN薄膜层2上制作所述第一窗口8和第二窗口9的作用在于控制N型GaN纳米线阵列的生长范围。

进一步作为优选的实施方式，所述N型GaN纳米线阵列的间隙中填充有绝缘的旋涂玻璃液4，由此实现纳米线阵列结构的电注入，工艺简单可行。当所述N型GaN纳米线阵列间隙所填充的旋涂玻璃液4固化后形成旋涂玻璃层。

进一步作为优选的实施方式，所述旋涂玻璃层上蒸镀有一层200nm厚度的氧化铟锡5，氧化铟锡5属于透明导电层、具有扩展电流的作用。

进一步作为优选的实施方式，在所述P型GaN薄膜层2上设有P型欧姆电极3，所述P型欧姆电极3由Ni/Au金属制成，厚度为10/200nm；在所述氧化铟锡5上设有N型欧姆电极，所述N型欧姆电极6由Ti/Al/Ti/Au金属制成，厚度为70/1700/50/200nm。

对于上述的紫外探测器，其制作方法，即一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的制作方法，具体包括以下步骤：

S1、在衬底的上表面设置P型GaN薄膜层；

S2、在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列，所述N型GaN纳米线阵列中的N型GaN纳米线与P型GaN薄膜层之间形成同质PN结；

S3、将绝缘的旋涂玻璃液旋涂到所述N型GaN纳米线的衬底上，使旋涂玻璃液填充到纳米线间隙后形成旋涂玻璃层；

S4、在所述旋涂玻璃层上表面蒸镀一层透明导电层；

S5、在所述P型GaN薄膜层上设置P型欧姆电极，在所述透明导电层上设置N型欧姆电极。

进一步地，所述步骤S2中的所述在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列这一步骤具体为：在所述P型GaN薄膜层上制有第一窗口和设置在第一窗口四周边沿上的第二窗口，所述第一窗口上镀有催化剂，所述第二窗口上镀有钝化层，从而使N型GaN纳米线阵列生长在第一窗口上。

进一步地，所述步骤S2中所述的在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列这一步骤，其具体为：在氢化物气相外延设备中通过气相反应方法，从而在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列。

进一步地，所述步骤S2中所述N型GaN纳米线的生长条件为：温度为820摄氏度，GaCl流量为15sccm，NH₃流量为100sccm，时间为4min。

进一步地，所述步骤S4具体为：利用等离子体增强化学气相沉积法在所述旋涂玻璃上镀一层200nm厚度的氧化铟锡作为所述透明导电层。

本发明制作方法一具体实施例

如图7所示，一种带有GaN纳米线阵列的紫外探测器的制作方法，包括以下步骤：

S1、在衬底的上表面设置P型GaN薄膜层；

S2、在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列，所述N型GaN纳米线阵列中的N型GaN纳米线与P型GaN薄膜层之间形成同质PN结；

S3、将绝缘的旋涂玻璃液旋涂到所述N型GaN纳米线的衬底上，使旋涂玻璃液填充到纳米线间隙后形成旋涂玻璃层；

S4、在所述旋涂玻璃层上表面蒸镀一层透明导电层；

S5、在所述P型GaN薄膜层上设置P型欧姆电极，在所述透明导电层上设置N型欧姆电极。

进一步作为优选的实施方式，在步骤S1之前还设有P型GaN薄膜层制备步骤，所述P型GaN薄膜层制备步骤具体为：在蓝宝石衬底上利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法沉积一层AlN缓冲层和Mg掺杂的P型GaN薄膜层。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2中的所述在所述P型GaN薄膜层上生长N型GaN纳米线阵列这一步骤具体为：利用光刻工艺，在P型GaN薄膜层上制作660*660um的第一窗口和设置在所述第一窗口四周边沿的90*660um的第二窗口；利用等离子体增强化学气相沉积法，在所述第一窗口上蒸镀一层2nm/2nm的Au/Ni薄膜，在所述第二窗口上蒸镀一层280nm的SiO₂，其中Au/Ni作为生长GaN纳米线的催化剂，SiO₂作为钝化层，从而使N型GaN纳米线阵列在温度为820摄氏度，GaCl流量为15sccm，NH₃流量为100sccm，时间为4min的条件下生长在第一窗口上，所述N型GaN纳米线的生长直径为200-300nm、高度为3-4um，所述N型GaN纳米线与P型GaN薄膜层之间形成同质PN结。如图3和图4所示，GaN纳米线为六棱柱纤锌矿结构。利用本发明的方法生长GaN纳米线，其生长速率达到1um/min，生长速率远高于MOCVD、MBE等昂贵设备，从而降低成本；另外通过在P型GaN薄膜上生长N型GaN纳米线形成同质PN结，避免了晶格不匹配、热应力不匹配等问题，大大减少材料缺陷，提升材料质量、器件性能。并且如图5所示，由本发明方法制作而成的紫外探测器的光电转换效率高，光电响应更灵敏，光探测性能优异；如图6所示，由本发明方法制作而成的紫外探测器的重复性好，误差小，稳定性高。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3具体为：将绝缘的旋涂玻璃液旋涂到所述N型GaN纳米线的衬底上，使旋涂玻璃液填充到纳米线间隙中，然后按照旋涂时间为60s、旋涂速度为3000r/s；旋涂好后在200摄氏度下烘烤30min的具体步骤，使旋涂玻璃液固化并转化为SiO₂，从而得到旋涂玻璃层。通过旋涂填充旋涂玻璃液（SOG）在纳米线之间，实现纳米阵列结构的电注入，工艺简单可行。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4中利用等离子体增强化学气相沉积在旋涂玻璃层上表面蒸镀一层200nm厚度的氧化铟锡作为所述透明导电层，所述透明导电层具有扩展电流的作用。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5还包括通过光刻胶做掩膜，利用缓冲氧化硅刻蚀液将等离子体增强化学气相沉积法蒸镀的SiO₂和旋涂玻璃液转化而成的SiO₂去除掉，然后才在所述P型GaN薄膜层上设置P型欧姆电极，在所述透明导电层上设置N型欧姆电极。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5中分别在P型GaN和氧化铟锡上通过等离子体增强化学气相沉积法蒸镀10/200nm的Ni/Au和70/1700/50/200nm的Ti/Al/Ti/Au金属体系，实现欧姆接触，至此完成如图1所述的紫外探测器。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。