一种基于纳米NiO/AlGaN异质结构的倒置式快速紫外光响应器件及制备方法与流程

本发明涉及一种半导体材料及制备方法。

背景技术：

作为一种重要的宽禁带半导体材料，nio材料具有优异的光学和电学特性，同时它具有无毒，原材料成本低，生长方法简单。它具有许多独特的性质，尤其是在透明导电、气敏、紫外探测、电致变色等领域显示出其广阔的应用前景热门材料，具有很好的应用潜力。虽然nio纳米材料制作的紫外探测器具有响应度高，性质稳定的特点，但是目前该类紫外光探测器件，其生长方向多垂直表面，并多以zno材料构建异质结构，一方面zno材料难以承受酸碱腐蚀，不适用于恶劣环境。另外基于nio纳米材料的紫外探测器其表面与电极部分接触少，也影响了探测器的灵敏度和稳定性。

另外一种重要的制作紫外探测器的algan半导体材料，其具有优越的物理化学特性，成熟的材料生长技术以及可以覆盖日盲紫外区的直接带隙，也是制作紫外探测器的理想材料。但是algan薄膜紫外探测器则存在持续的光电导现象，这使得基于algan的紫外探测器在停止光辐照后，具有较长的响应时间，大大影响了其光响应时间。

因此，基于一维nio纳米材料以及algan紫外探测器性能都有待于进一步提高，目前对于基于纳米nio/algan异质结构的紫外探测器件尚未有报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单，成本低，性能稳定且灵敏度高的基于纳米nio/algan异质结构的倒置式快速紫外光响应器件及制备方法。本发明的结构层是以蓝宝石衬底生长algan薄膜为n型层，其采用低压mocvd方法生长，以蓝宝石为衬底，aln为高温缓冲层，以三甲基镓(tmga)和三甲基铝(tmal)为镓源和al源，以nh3作为n源，n型掺杂剂采用sih4，其中algan外延层厚度为500nm。本发明的nio纳米片状结构层则是采用硝酸镍和六次甲基四胺为原料，首先采用低温水溶液在algan表面生长nio籽晶层，然后再用低温水热方法生长nio纳米片状结构。最后将algan薄膜表面生长nio纳米片状结构与具有0.1cm沟道并镀有ito透明电极的玻璃基片相贴合则构建了简单的紫外光响应器件。

一、本发明的基于纳米nio/algan异质结构的倒置式快速紫外光响应器件(以下简称为紫外光响应器件)，包括基底层、纳米nio/algan异质结构层和透明电极层。其中，基底层为蓝宝石衬底；纳米nio/algan异质结构层包括与基底层相邻的aln高温缓冲层、algan薄膜层、nio籽晶层及纳米nio片状结构层；透明接触电极层是由具有0.1cm沟道的ito导电玻璃组成。该纳米nio/algan异质结构层中，异质结构为在algan薄膜表面生长的纳米nio片状结构层，其他aln高温缓冲层和nio籽晶层是制备程序需要的辅助层。

二、上述紫外光响应器件的制备方法具体如下：

①采用低压有机化学气相沉积方法(mocvd)，并在设备上配有原位反射监视仪，用以监测薄膜生长速度。生长过程如下：以(0001)晶向蓝宝石为衬底，首先将反应室温度升高到1200℃，通入氢气处理10分钟，用以去除表面污染。随后将反应室温度降至900℃，依次生长aln高温缓冲层，厚度为200nm,及n-algan薄膜层，其厚度为500nm。以三甲基镓(tmga)和三甲基铝(tmal)为镓源和铝源，以nh3作为氮源，n型掺杂剂采用硅烷(sih4)，生长温度为1000℃.

②将50mm乙酸镍溶于乙醇，制得籽晶溶液；将生长的n-algan衬底置于旋涂机上，将配制好的籽晶溶液滴于表面，静置5分钟按照2500转/分转速进行旋涂，旋涂时间为5min，随后将生长有籽晶的衬底置于快速加热台，在200℃条件下快速加热15分钟后，随后自然冷却到室温；

③将0.85g硝酸镍和0.70g六次甲基四胺溶于100ml水，快速搅拌均匀，制得反应溶液；

④将步骤②生长有nio籽晶层的n-algan薄膜衬底片浸入步骤③混合溶液中，于90℃温度反应5小时，反应结束取出在nio籽晶层生长有nio纳米片状结构层的n-algan薄膜衬底片，并用水洗涤、干燥；

⑤将具有0.1cm沟道并镀有ito透明电极的玻璃基片，贴于步骤④所得nio纳米片状结构层表面，并加以固定。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的产品对紫外光(uv-a波段)有着非常好的光响应。

2、本发明的制备方法不需要催化剂，生长温度低，重复性好，操作简单，制造成本低。

附图说明

图1为本发明紫外光响应器件结构及测试示意图；

图2为本发明实施实例中生长在n-algan薄膜表面的nio纳米片状结构扫描电镜低倍形貌图；

图3为本发明实施实例中生长在n-algan薄膜表面的nio纳米片状结构扫描电镜高倍形貌图；

图4为本发明实施实例中基于纳米nio/algan异质结构的倒置式快速紫外光响应器件暗态以及紫外光照下的i-v曲线图；

图5为本发明实施实例中基于纳米nio/algan异质结构的倒置式快速紫外光响应器件光照下电流随光谱响应图；

图6为本发明实施实例中基于纳米nio/algan异质结构的倒置式快速紫外光响应器件光照下电流随时间变化图；

图7为本发明实施例中紫外光响应器件电流随时间变化单个周期图；

图8为本发明实施例中紫外光响应器件电流随紫外灯开启电流上升图；

图9为本发明实施例中紫外光响应器件电流随紫外灯关闭电流下降图。

对上面附图的说明

从图1基于纳米nio/algan异质结构紫外光响应器件结构及测试模型示意图中，可以看出该器件结构简单即在蓝宝石衬底1和玻璃表面7蒸镀透明接触电极6之间设有基于nio/algan异质结构层。其中，透明接触电极为刻有0.1cm沟道的ito导电玻璃；基于的nio/algan异质结构层由上至下依次是aln缓冲层2，algan外延层3，nio籽晶层4、生长于nio籽晶层表面的nio纳米片状层5。由3v电源8与电流表9相连组成的光响应测试机构其两接触电极端部分别固定在样品的两个透明接触电极上。

从图2和图3可以看出，n-algan外延薄膜表面由nio纳米片状均匀包覆。

从图4可以看出，本发明实施例所制得的纳米nio/algan紫外探测器对紫外光(365nm)具有非常好的光响应，紫外灯照射下，其光电流有显著提高。

从图5可以看出，本发明实施例所制得的纳米nio/algan紫外探测器对紫外区域uv-a波段(315-400nm)有着非常好的光响应特性，并且光电流随着外加偏压的增加而显著增加。

从图6可以看出，本发明实施例所制得的纳米nio/algan紫外探测器具有很好的稳定性，光电流随着紫外灯的周期开关呈现周期性响应。

从图7、8、9可以看出，本发明实施实例所制得的纳米nio/algan紫外探测器在一个测试周期内，对光电流响应特别迅速，从放大的上升(紫外灯开启)和下降(紫外灯关闭)过程可以看出，器件具有非常快的紫外响应特性，其光电流上升和下降时间都小于0.2秒。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施实例

首先以利用低压有机化学气相沉积方法(mocvd),配有原位反射谱监视仪，用以对外延生长速度进行监测。外延生长的衬底为2英寸的(0001)晶向的蓝宝石衬底。生长过程如下：首先将反应室温度加热到1200℃，并通入氢气，用以除去衬底表面的残留污染。随后将系统温度降至900℃.依次生长aln高温缓冲层，以tmal为al源，以nh3作为n源。反应室压力为100毫巴。其中tmal的和nh3流量分别为20毫升/分和4500毫升/分。生长厚度为200nm。随后生长n-algan外延层，其厚度为500nm。以tmga和tmal为ga源和al源，以nh3作为n源，n型掺杂剂采用sih4，生长温度为1000℃。其中tmal的和tmga流量分别为15毫升/分和10毫升/分,sih4的和nh3流量分别为4毫升/分和2500毫升/分。反应室压力为200毫巴。随后将50mm乙酸镍溶于乙醇，制得籽晶溶液；将生长的n-algan衬底置于旋涂机上，将籽晶溶液滴于表面，静置5分钟按照2500转/分转速进行旋涂，旋涂时间为5min，随后将生长有籽晶的衬底置于快速加热台，在200℃条件下快速加热15分钟后，随后自然冷却到室温；将0.85g硝酸镍和0.70g六次甲基四胺溶于100ml水，快速搅拌均匀，制得混合溶液；将热处理后即生长有籽晶的n-algan外延片衬底，浸入合溶液中，于90℃反应5小时。反应结束取出所得玻璃衬底并用水洗涤，晾干。将刻有0.1cm沟道的ito玻璃，贴于所得nio/algan结构材料表面，并加以固定，紫外光响应器件如图1所示，在蓝宝石衬底1和玻璃表面7蒸镀透明接触电极6之间设有基于nio/algan异质结构层。其中，透明接触电极为刻有0.1cm沟道的ito导电玻璃；基于的nio/algan异质结构层由上至下依次是aln缓冲层2，n-algan外延层3，nio籽晶层4、生长于nio籽晶层表面的nio纳米片状层5。