一种Cu2O/GaOOH纳米核壳pn结光电探测器及其制备方法与流程

本发明属于光电探测器领域，具体涉及一种cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器及其制备方法。

技术背景

半导体器件在医疗卫生、科研教学、国防科技等领域的应用已越来越广泛，但如何改善半导体材料的光、电、热等性能，提高其可控性，逐渐成为人们的研究热点。异质结是两种不同的半导体相接触所形成的界面区域，通过形成内建电场使电子空穴对有效分离，减少复合，因此其具有两种半导体都不能达到的优良的光电特性，且在制作超高速开关器件、太阳能电池、半导体激光器、光电探测器以及催化剂等领域具有广阔的应用前景。

氧化镓作为一种n型的直接带隙的宽禁带半导体材料，具有良好的发光特性和较高的化学稳定性和热稳定性，其在催化剂、气体传感器和光电探测器领域具有广泛的应用。在众多的制备氧化镓晶体的方法中，通过前躯体(gaooh)的热处理制备ga2o3，是一个简便而有效的途径。由于gaooh禁带宽度较大，只能吸收紫外光，为了提高其对光谱的吸收范围，提高光的利用效率，常与窄带隙半导体材料进行复合构成复合材料或异质结。

目前，关于pn结的制备方法主要是磁控溅射法、电化学沉积法。其中，磁控溅射法需要在一定的真空条件下，该方法操作复杂，成本昂贵；电化学沉积法对沉积电位、电解质溶液的ph值要求比较高，重复性差。

因此，如何研发一种复合材料或异质结，使得其具有宽泛的光谱吸收范围，且广利用效率高，制备方法简单，成本低廉，效率高，是亟待研究解决的一项问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器及其制备方法。

本发明的技术方案为：一种cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器，其特征在于，包括ag电极、cu2o纳米晶、gaooh纳米柱阵列、ga2o3籽晶层和fto导电玻璃，所述ga2o3籽晶层位于fto导电玻璃上，所述cu2o/gaooh纳米柱阵列位于ga2o3籽晶层上，cu2o/gaooh纳米柱由gaooh纳米柱和cu2o纳米晶构成，所述gaooh纳米柱阵列位于ga2o3籽晶层上，所述cu2o纳米晶包裹于gaooh纳米柱外周围。

进一步地，所述gaooh纳米柱是在fto导电玻璃上沿着(110)晶面生长，且所述gaooh纳米柱的横截面最大对角线的长度为400nm，柱高为2μm。

具体地，所述fto导电玻璃作为制备gaooh纳米柱阵列的衬底，同时fto导电玻璃也作为光电探测器的下电极，ag电极作为光电探测器的上电极。

具体地，所述fto导电玻璃包括导电层，所述导电层为掺氟的氧化锡，所述导电层的厚度为350nm。

本发明还包括，一种cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的制备方法，其特征在于，在fto导电玻璃上涂覆一层ga2o3籽晶层，采用水热法在ga2o3籽晶层上生长gaooh纳米柱阵列，并加入铜盐溶液水浴生长cu2o纳米晶，形成cu2o/gaooh纳米核壳结构纳米阵列。

进一步地，还包括在cu2o/gaooh纳米核壳结构纳米阵列上涂覆银电极。

优选地，一种cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的制备方法，具体步骤包括：

步骤一，fto导电玻璃预处理：分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，然后在烘箱中干燥；

步骤二，ga2o3籽晶层溶液的配制：取乙醇胺、异丙醇镓、乙二醇甲醚分别加入烧杯中，60℃水浴加热60min，冷却后置于冰箱中备用；

步骤三：籽晶层的制备：将步骤一处理后的fto导电玻璃固定于匀胶/烘胶机的匀胶样品台上，滴入一定量的0.1mga2o3籽晶层溶液，在转速为3000r/min的条件下，旋涂15秒；在烘胶机上烘干后，置于烘箱中300℃保温30min，再500℃保温60min；

步骤四，羟基氧化镓纳米柱阵列的制备：将覆盖有ga2o3籽晶层的fto导电玻璃置于ga(no3)3生长溶液中，在不锈钢高压反应釜内150℃生长2～24小时得到gaooh纳米柱阵列；

步骤五，生长cu2o纳米晶：将覆盖有氧化镓纳米柱阵列的fto导电玻璃斜靠在含有硝酸铜溶液的烧杯内壁，先加入三乙醇胺溶液，再缓慢加入水合肼溶液，滴完后，静置30～60min，后处理，形成cu2o/gaooh纳米核壳pn结；

优选地，所述步骤四的ga(no3)3生长溶液的浓度为0.005g/ml或0.01g/ml。

优选地，所述步骤五的硝酸铜溶液的浓度为0.01208g/ml。

具体地，所述步骤五的后处理为去离子水冲洗2或3次，并80℃干燥。

本发明的有益效果：

1、本发明的cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器是一种宽光谱的光电探测器，其中gaooh与cu2o形成pn结，使电子空穴对实现快速、有效地分离。具有宽范围的光谱吸收能力，cu2o/gaooh纳米核壳pn结是三维立体的，分布均匀且接触面积大，结的利用效率高，对光的吸收强、范围广。

2、本发明的cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器制备方法，利用水热法制备异质结方法简单，成本低，效率高。

3、本发明的cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器制备方法，成本低、易操作、周期短、重复性好，为下一步羟基氧化镓/氧化亚铜异质结相关光电器件的大规模生产创造了良好的前提条件。

附图说明

图1是cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的结构示意图。

图2是gaooh纳米柱阵列的扫描电镜图。

图3是cu2o/gaooh纳米核壳pn结的扫描电镜图。

图4是cu2o/gaooh纳米核壳pn结的xrd图。

图5是cu2o/gaooh纳米核壳pn结的紫外可见吸收光谱图。

图6是cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的在不同波长(254nm，365nm和532nm)光照下的i-v曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的解释。

实施例1

一种cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的制备方法，在fto导电玻璃上涂覆一层ga2o3籽晶层，采用水热法在ga2o3籽晶层上生长gaooh纳米柱阵列，并加入铜盐溶液水浴生长cu2o纳米晶，形成cu2o/gaooh纳米核壳结构纳米阵列。还包括在cu2o/gaooh纳米核壳结构纳米阵列上涂覆银电极。

cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的制备方法的具体步骤如下：

(1)fto导电玻璃衬底预处理：分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，然后在烘箱中干燥；

(2)籽晶层溶液的配制：取18μl乙醇胺、0.0741g的异丙醇镓、2.98ml的乙二醇甲醚分别加入5ml的烧杯中，60℃水浴加热60min，冷却后置于冰箱中备用；

(3)籽晶层的制备：将步骤1)处理后的fto导电玻璃衬底固定于匀胶/烘胶机的匀胶样品台上，滴入一定量的0.1mgaooh籽晶层溶液，在转速为3000r/min的条件下，旋涂15秒。在烘胶机上烘干后，置于烘箱中300℃保温30min，再500℃保温60min。

(4)羟基氧化镓纳米柱阵列的制备：将覆盖有gaooh籽晶层的fto导电玻璃衬底置于0.15g/30mlga(no3)3生长溶液中，在不锈钢高压反应釜内150℃生长2小时得到gaooh纳米柱阵列，如图2所示为gaooh纳米柱阵列的扫描电镜图。

(5)配制硝酸铜溶液：取0.4832g硝酸铜加入到40ml的去离子水中，搅拌10分钟，充分溶解。

(6)生长cu2o纳米晶：将覆盖有氧化镓纳米柱阵列的fto导电玻璃斜靠在含有硝酸铜溶液的烧杯内壁，先加入1.699ml的78％的三乙醇胺溶液，再缓慢加入242.5μl的80％的水合肼溶液，滴完后，静置30min。

(7)后处理：取出fto导电玻璃，用去离子水冲洗2或3次，置于烘箱中80℃干燥，即得到cu2o/gaooh纳米核壳pn结。如图3所示为cu2o/gaooh纳米核壳pn结的扫描电镜图。如图4所示为形成的gaooh纳米柱阵列、以及cu2o/gaooh纳米核壳pn结的xrd图谱，从图中可以看出最终制备的产品含有cu2o和gaooh。图5为cu2o/gaooh纳米核壳pn结的紫外可见吸收光谱图，可知，在fto上沉积的cu2o/gaooh纳米核壳pn结的紫外可见吸收光谱图的带宽相比单纯的gaooh紫外可见吸收光谱图的带宽宽，可有效提高其对光谱的吸收范围，提高光的利用效率。图6是cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的在不同波长(254nm，，365nm和532nm)光照下的i-v曲线，可知，随着波长的增加，其i-v曲线逐渐趋向于线性，且相同电压下，电流也不断增加。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(4)的ga(no3)3生长溶液的浓度为0.3g/30ml，在不锈钢高压反应釜内150℃生长时间为12小时，其余均与实施例1相同。

具体为，cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的制备方法的具体步骤如下：

(1)fto导电玻璃衬底预处理：分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，然后在烘箱中干燥；

(2)籽晶层溶液的配制：取18μl乙醇胺、0.0741g的异丙醇镓、2.98ml的乙二醇甲醚分别加入5ml的烧杯中，60℃水浴加热60min，冷却后置于冰箱中备用；

(3)籽晶层的制备：将步骤1)处理后的fto导电玻璃衬底固定于匀胶/烘胶机的匀胶样品台上，滴入一定量的0.1mgaooh籽晶层溶液，在转速为3000r/min的条件下，旋涂15秒。在烘胶机上烘干后，置于烘箱中300℃保温30min，再500℃保温60min。

(4)羟基氧化镓纳米柱阵列的制备：将覆盖有gaooh籽晶层的fto导电玻璃衬底置于0.3g/30mlga(no3)3生长溶液中，在不锈钢高压反应釜内150℃生长12小时得到gaooh纳米柱阵列。

(5)配制硝酸铜溶液：取0.4832g硝酸铜加入到40ml的去离子水中，搅拌10分钟，充分溶解。

(6)生长cu2o纳米晶：将覆盖有氧化镓纳米柱阵列的fto导电玻璃斜靠在含有硝酸铜溶液的烧杯内壁，先加入1.699ml的78％的三乙醇胺溶液，再缓慢加入242.5μl的80％的水合肼溶液，滴完后，静置30min。

(7)后处理：取出fto导电玻璃，用去离子水冲洗2或3次，置于烘箱中80℃干燥，即得到cu2o/gaooh纳米核壳pn结。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(6)的加入的80％的水合肼溶液的量为300μl，其余均与实施例1相同。

具体为，cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的制备方法的具体步骤如下：(1)fto导电玻璃衬底预处理：分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，然后在烘箱中干燥；

(2)籽晶层溶液的配制：取18μl乙醇胺、0.0741g的异丙醇镓、2.98ml的乙二醇甲醚分别加入5ml的烧杯中，60℃水浴加热60min，冷却后置于冰箱中备用；

(3)籽晶层的制备：将步骤1)处理后的fto导电玻璃衬底固定于匀胶/烘胶机的匀胶样品台上，滴入一定量的0.1mgaooh籽晶层溶液，在转速为3000r/min的条件下，旋涂15秒。在烘胶机上烘干后，置于烘箱中300℃保温30min，再500℃保温60min。

(4)羟基氧化镓纳米柱阵列的制备：将覆盖有gaooh籽晶层的fto导电玻璃衬底置于0.15g/30mlga(no3)3生长溶液中，在不锈钢高压反应釜内150℃生长2小时得到gaooh纳米柱阵列。

(5)配制硝酸铜溶液：取0.4832g硝酸铜加入到40ml的去离子水中，搅拌10分钟，充分溶解。

(6)生长cu2o纳米晶：将覆盖有氧化镓纳米柱阵列的fto导电玻璃斜靠在含有硝酸铜溶液的烧杯内壁，先加入1.699ml的78％的三乙醇胺溶液，再缓慢加入300μl的80％的水合肼溶液，滴完后，静置30min。

(7)后处理：取出fto导电玻璃，用去离子水冲洗2或3次，置于烘箱中80℃干燥，即得到cu2o/gaooh纳米核壳pn结。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(6)的加入的80％的水合肼溶液的量为400μl，静置时间为60min，其余均与实施例1相同。

具体为，cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器的制备方法的具体步骤如下：(1)fto导电玻璃衬底预处理：分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10min，然后在烘箱中干燥；

(2)籽晶层溶液的配制：取18μl乙醇胺、0.0741g的异丙醇镓、2.98ml的乙二醇甲醚分别加入5ml的烧杯中，60℃水浴加热60min，冷却后置于冰箱中备用；

(3)籽晶层的制备：将步骤1)处理后的fto导电玻璃衬底固定于匀胶/烘胶机的匀胶样品台上，滴入一定量的0.1mgaooh籽晶层溶液，在转速为3000r/min的条件下，旋涂15秒。在烘胶机上烘干后，置于烘箱中300℃保温30min，再500℃保温60min。

(4)羟基氧化镓纳米柱阵列的制备：将覆盖有gaooh籽晶层的fto导电玻璃衬底置于0.15g/30mlga(no3)3生长溶液中，在不锈钢高压反应釜内150℃生长2小时得到gaooh纳米柱阵列。

(5)配制硝酸铜溶液：取0.4832g硝酸铜加入到40ml的去离子水中，搅拌10分钟，充分溶解。

(6)生长cu2o纳米晶：将覆盖有氧化镓纳米柱阵列的fto导电玻璃斜靠在含有硝酸铜溶液的烧杯内壁，先加入1.699ml的78％的三乙醇胺溶液，再缓慢加入400μl的80％的水合肼溶液，滴完后，静置60min。

(7)后处理：取出fto导电玻璃，用去离子水冲洗2或3次，置于烘箱中80℃干燥，即得到cu2o/gaooh纳米核壳pn结。

实施例5

如图1所示，一种cu2o/gaooh纳米核壳pn结光电探测器，其特征在于，包括ag电极1、cu2o/gaooh纳米柱阵列2、ga2o3籽晶层3和fto导电玻璃4，所述ga2o3籽晶层3位于fto导电玻璃上，所述cu2o/gaooh纳米柱阵列2位于ga2o3籽晶层3上，cu2o/gaooh纳米柱由gaooh纳米柱和cu2o纳米晶构成，所述gaooh纳米柱阵列位于ga2o3籽晶层3上，所述cu2o纳米晶包裹于gaooh纳米柱外周围。

具体地，所述gaooh纳米柱是在fto导电玻璃4上沿着(110)晶面生长，且所述gaooh纳米柱的横截面最大对角线的长度为400nm，柱高为2μm。

具体地，所述fto导电玻璃4作为制备gaooh纳米柱阵列的衬底，同时fto导电玻璃4也作为光电探测器的下电极，ag电极1作为光电探测器的上电极。

进一步地，所述fto导电玻璃4包括导电层，所述导电层为掺氟的氧化锡，所述导电层的厚度为350nm。