一种日盲紫外雪崩光电探测器及其制备方法与流程

本发明涉及光电探测器，尤其涉及一种日盲紫外雪崩光电探测器及其制备方法。

背景技术：

在电磁波谱中，波长在200nm到280nm波段的紫外光线被称为日盲区。日盲波段在大气层内不受其他任何光的干扰，也不可能从地球表面传输到大气层。相当于在地表使用日盲波段的探测系统形成了天然的“屏蔽罩”，日盲波段的光电探测技术具有目标特征明显、抗干扰能力强、选择性好等特点，显示出无与伦比的优越性。

倍增吸收分离型(sam)雪崩光电探测器采用p-i1(倍增层)-n1(分离层)-i2(吸收层)-n2结构能够有效的将光吸收层和雪崩倍增层分离，保证入射光的完全吸收从而提高雪崩二极管的量子效率及光谱响应，并减小器件的反向漏电流以及噪声等效功率。然而，其中的分离层n1与上下两层的倍增层i1和吸收层i2之间利用mocvd方法进行外延生长时，会带来一系列问题，例如界面处会存在大量的缺陷，束缚电子影响电流，导致器件提前击穿；界面处应力无法释放导致产生极化电荷。而且分离层n1所用的algan的迁移率随着al组分的不同而变化，电子迁移率最高只能达到480cm²v^-1s^-1，空穴迁移率最高只能达到20cm²v^-1s^-1，导致导电性能不够好，响应速度不够高。

现今出现一种新的材料生长技术，范德华键合技术，与通常所用的异质材料集成技术相比有很多优点。当前的异质材料集成方法通常依赖于化学外延生长(cvd)或物理气相沉积(pvd)。但这种集成依赖于一对一的化学键，并且通常限于具有高度相似的晶格对称性和晶格常数的材料，需要相似的加工条件。而范德华键合技术提供了不受晶格和工艺限制的另一种无键集成方法，也越来越受到业内广泛的关注。原则上，在不需要晶格匹配和工艺兼容性的情况下，这种无键集成方法不限于特定的材料尺寸，允许高度不同的材料逐层堆叠，并且通常可适用于具有不同晶体结构、电子特性或材料尺寸。因此，我们将创新性地把这种技术运用到器件隔离层的制备中去。

近年来，基于二维材料及其异质结构的光电探测器已经引起了巨大的研究兴趣。作为设计光电探测器最有竞争力的材料之一，二维材料已被证明具有卓越的特性，包括覆盖从紫外到太赫兹频率的波长的宽检测波段，超高光响应性，偏振敏感光检测，高速光响应，高空间分辨率成像等，使得基于二维材料的光电探测器取得了许多令人印象深刻的成就。二维材料的原子通过紧密的共价键或离子键在平面上排列以形成一个原子层，而这些原子薄层通过弱的范德华力的相互作用沿垂直于二维平面的三维方向结合在一起。薄弱的层间相互作用使将大块晶体剥落成孤立的二维薄片甚至单个原子薄层成为可能。在此，我们创新性地将二维材料和三维材料利用范德华键合技术键合在一起，制备特殊的二维材料隔离层，从而解决上述使用三维材料algan材料作为隔离层的一系列问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种日盲紫外雪崩光电探测器及其制备方法，解决了现有技术中器件提前击穿、界面处产生极化电荷的问题，同时提高了雪崩光电探测器的响应速度。

实现本发明目的的技术方案是：

一种日盲紫外雪崩光电探测器，其结构从下至上依次为aln模板层、aln缓冲层、n型alx1ga1-x1n层、i型alx2ga1-x2n吸收层、n型ges分离层、i型alx3ga1-x3n倍增层和p型gan层；所述n型alx1ga1-x1n层上引出有n型欧姆电极；所述p型gan层上引出有p型欧姆电极；所述n型ges分离层分别与i型alx2ga1-x2n吸收层和i型alx3ga1-x3n倍增层采用范德华力键合组合形成。

进一步地，所述aln模板层厚度为500nm；所述aln缓冲层厚度为100～300nm；所述n型alx1ga1-x1n层厚度为100～300nm；所述i型alx2ga1-x2n吸收层厚度为150～220nm；所述n型ges分离层厚度为1.2～1.8nm；所述i型alx3ga1-x3n倍增层厚度为150～200nm；所述p型gan层厚度为10～300nm。

进一步地，所述n型ges分离层的层数设置为两层。

进一步地，所述n型ges分离层每层的厚度均为0.6nm。

进一步地，所述aln模板层的采用蓝宝石模板衬底。

进一步地，所述n型欧姆电极为ti/al/ni/au合金电极。

进一步地，所述p型欧姆电极为ni/au合金电极；

一种日盲紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

s1：制作模块一，所述模块一从下至上依次包括aln模板层、aln缓冲层、n型alx1ga1-x1n层和i型alx2ga1-x2n吸收层；

s2：制作模块二，所述模块二从下至上依次包括aln模板层、aln缓冲层、i型alx3ga1-x3n层和p型gan层；

s3：制作模块三，所述模块三包括模块三衬底和n型ges分离层；

s4：剥去模块二的aln模板层和aln缓冲层，制得i型alx3ga1-x3n层和p型gan层的组合体；

s5：将各层从下至上进行组合，模块一的i型alx2ga1-x2n吸收层和模块二的i型alx3ga1-x3n倍增层均经由非原位法处理，模块三的n型ges分离层从模块三衬底剥离并分别采用范德华力键合技术与模块一的i型alx2ga1-x2n吸收层和模块二的i型alx3ga1-x3n倍增层进行组合；

s6：将一部分区域的p型gan层从上表面刻蚀至n型alx1ga1-x1n层的上表面，形成台面，并对刻蚀后的样品表面进行净化处理；

s7：在n型alx1ga1-x1n层台面上蒸镀n型欧姆电极，蒸镀后对n型欧姆电极进行退火处理；

s8：在p型gan层上蒸镀p型欧姆电极，蒸镀后对p型欧姆电极进行退火处理。

进一步地，所述模块一的制作方法包块以下步骤：

s11：清洗蓝宝石衬底作为模块一衬底，在nh3气氛下表面氮化模块一衬底，在模块一衬底上形成aln模板层；

s12：在模块一的aln模板层上生长一层n型aln缓冲层；

s13：在模块一的aln缓冲层上生长一层n型alx1ga1-x1n层；

s14：在n型alx1ga1-x1n层上生长一层i型alx2ga1-x2n吸收层；

进一步地，所述模块二的制作方法包块以下步骤：

s21：清洗蓝宝石衬底作为模块二衬底，在nh3气氛下表面氮化模块二衬底，在模块二衬底上形成aln模板层；

s22：在模块二的aln模板层上生长一层n型aln缓冲层；

s23：在模块二的aln缓冲层上生长一层i型alx3ga1-x3n层；

s24：在i型alx3ga1-x3n倍增层上生长一层p型gan层；

进一步地，所述模块一和模块二的生长方法采用金属有机化合物气相沉积mocvd法进行生长。

进一步地，所述模块三的制备方法采用化学气相沉积法合成ges块状薄片并通过透明胶带将ges块状薄片机械剥离到模块三衬底上，所述模块三衬底为ni膜，具体包括以下步骤：

s31：将装有ges粉末的石英烧舟放置在管式炉的石英管的中心；

s32：超声清洗si衬底并吹干；

s33：将si衬底放置在管式炉中心下面12-15cm处；

s34：将石英管抽空至80～100mtorr的基本压强，用高纯ar气冲洗并通入ar气至压强保持在20～40torr；

s35：压强稳定后，将管式炉加热至400～500℃，同时基片的沉积温度达到290～330℃时，沉积1～10min；

s36：沉积结束后，将管式炉自然冷却至室温，制成ges纳米片；

s72：将ges纳米片与纯净水混合，搅拌得到ges混合液；

s73：向ges混合液中加入表面活性剂nmp，剪切剥离得到ges溶液；

s74：将剪切剥离得到的ges溶液离心处理后倒入培养皿中，将培养皿放入真空干燥箱中干燥得到ges产品；

s75：在蓝宝石晶片上用mocvd法生长ges层；

s76：将ni膜沉积在ges层上，在ni膜上粘贴隔热胶带作为处理剂，撕起胶带分离出最弱的ges-蓝宝石界面，导致整个ges膜从基底释放；

s77：在ges膜的底部沉积一层ni膜，在顶部ni膜施加一个力矩以启动剥落模式断裂，引导向下的裂纹，重复剥离；ni/ges层在剥落后分离，而底层ni膜与ges单层有很强的粘合力，使得在底层ni膜上留下了ges单层。

进一步地，所述s4采用机械剥离法剥去模块二的aln模板层和aln缓冲层。

进一步地，所述s5中非原位法处理包括以下步骤：

s51：将样品沉浸在hf酸容易中浸泡3分钟；

s52：取出立即用n2吹干并放入真空系统，基础压强≤5×10^-9torr，减少在室内空气的暴露；

s53：在特高压条件下，基础压强＜5×10^-9torr，使用热丝以75℃/min的速度达到理想温度，加热样品进行热脱附过程，并在冷却之前保持15min。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明雪崩光电探测器的n型分离层采用二维材料ges替代三维材料algan与上下的i型algan层通过范德华力进行键合在一起，而不是用化学外延生长方法，不受晶格匹配的影响，界面处不会存在大量的缺陷导致束缚电子影响电流，从而不会导致器件提前击穿。

(2)本发明由于采用范德华力键合技术组合n型ges分离层和上下的i型algan层，而采用化学外延生长方法的器件在分离层受上下两层的应力和张力的影响，其厚度非常有限，而本发明在界面处会释放应力，不会产生极化电荷，同时上面还可以生长较厚的倍增层，并且二维材料的电子特性在很大程度上取决于层数，带隙可调有利于使其能带与其他层的能带更好地进行匹配，方便电子的传输。

(3)本发明雪崩光电探测器采用ges二维材料，具有3680cm²v^-1s^-1的高电子迁移率，比algan的电子迁移率370cm²v^-1s^-1高得多，使得器件导电性能更好，响应速度更高。

(4)本发明雪崩光电探测器的n型ges分离层的层数设置为两层，避免了因单层ges材料不够稳定以及多层ges材料又会降低带隙从而不满足带隙匹配要求的问题。

(5)本发明利用范德华力键合生长二维材料ges和三维材料algan，界面陡峭，避免存在隔离层掺杂剂扩散的问题。

(6)本发明的模块一和模块二的制备方法采用mocvd方法从最下层开始生长，器件不易长厚。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明日盲紫外雪崩光电探测器的结构示意图。

图2为本发明日盲紫外雪崩光电探测器的电流电压特性曲线图。

附图中标号为：

aln模板层1、aln缓冲层2、n型alx1ga1-x1n层3、n型欧姆电极31、i型alx2ga1-x2n吸收层4、n型ges分离层5、i型alx3ga1-x3n层6、p型gan层7、p型欧姆电极71。

具体实施方式

(实施例1)

采用二维材料与三维材料通过弱范德华力以所需的堆叠顺序集成并保持在一起，来解决sam型雪崩光电探测器工艺生长带来的问题，因为范德华键合的界面处不存在悬挂键，界面非常清晰且无缺陷，不需要完全的晶格匹配。同时考虑到带隙匹配的问题，我们将采用eg＝3.4ev的ges二维材料来代替分离层n1的algan三维材料。若采用带隙更细的二维材料，例如sege(eg＝2.2ev)，来替代，会导致分离层n1处形成更深的势肼，从而更多的电子会滞留在势肼里，影响整个器件的性能。与传统的三维材料相比，层状材料的薄片在光电检测方面有多个优势，其中最明显的就是材料带隙可调，有利于使其能带与其他层的能带更好的进行匹配，方便电子的传输。同时二维材料的选择，稳定性也很重要，而ges单层声子色散谱中没有软声子模式，且为稳定的二维结构。ges单分子层的负亲和势能为4.62ev/原子，也表明ges单分子层具有牢固的键合网络。

整合algan三维材料和ges二维材料时最主要的是要降低三维材料表面的活性和杂质，而表面活性就来自于表面上的活性悬挂键。algan这种无机半导体材料是由共价键连接原子，共价键的键长与角度是固定的，所以材料的表面有大量的悬挂键。使用范德华键合技术是以没有悬挂键的层状材料为衬底，将其他材料以层状形式沉积到衬底上时，两种材料才以范德华力结合。虽然相较于共价键结合能，范德华力的结合能较弱，但相比于共价键结合，范德华键合技术中就算晶格失配度高达50％，也是可以顺利完成具有生长材料本身晶格常数的制备的。因此对三维材料表面的悬挂键和杂质污染的处理是必要的，可以用非原位处理方法来进行。非原位处理主要包括利用hf，hcl，koh溶液对gan衬底进行湿法腐蚀，或者利用uv/o3处理材料表面来去除表面杂质。同时，有证据表明，通过与氢原子“搭接”裸露的悬挂键，使用hf溶液对于半导体表面的电和化学钝化更有效。

日盲紫外雪崩探测器探测波段为日盲紫外波段，这个波段的光由于在大气层中受干扰最小，所以日盲紫外波段的光最容易探测。

见图1，本实施例日盲紫外雪崩光电探测器，其结构从下至上依次为aln模板层1、aln缓冲层2、n型alx1ga1-x1n层3、i型alx2ga1-x2n吸收层4、n型ges分离层5、i型alx3ga1-x3n倍增层6和p型gan层7。aln模板层1采用蓝宝石模板衬底。

n型alx1ga1-x1n层3上引出有n型欧姆电极31，采用ti/al/ni/au合金电极；p型gan层7上引出有p型欧姆电极71，采用ni/au合金电极。

n型ges分离层5分别与i型alx2ga1-x2n吸收层4和i型alx3ga1-x3n倍增层6用范德华力键合形成一个稳定的结构。n型ges分离层5的ges层设置为两层，每层厚度均为0.6nm，因为单层ges材料不够稳定，多层ges材料又会降低带隙，不满足带隙匹配的要求。

aln模板层1厚度为500nm；aln缓冲层2厚度为100～300nm；n型alx1ga1-x1n层3厚度为100～300nm，其中al组分x1＝0.6；i型alx2ga1-x2n吸收层4厚度为150～220nm，其中al组分x2＝0.6；n型ges分离层5厚度为1.2～1.8nm；i型alx3ga1-x3n倍增层6厚度为150～200nm，其中al组分x3＝0.4；p型gan层7厚度为10～300nm。

本实施例的日盲紫外雪崩光电探测器的制备方法，其步骤包括：

s1：制作模块一，所述模块一从下至上依次包括aln模板层1、aln缓冲层2、n型alx1ga1-x1n层3和i型alx2ga1-x2n吸收层4，具体方法见以下步骤：

s11：清洗蓝宝石模板衬底作为模块一衬底，在nh3气氛下表面氮化3分钟，在模块一衬底上形成aln模板层1；

s12：在模块一的aln模板层1上用mocvd法生长一层200nm厚的aln缓冲层2；

s13：在模块一的aln缓冲层2上用mocvd法生长一层200nm厚的n型al0.6ga0.4n层3，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；

s14：在n型al0.6ga0.4n层3上用mocvd法生长一层250nm厚的i型al0.6ga0.4n吸收层4，掺杂浓度为2×10¹⁶cm^-3；

s2：制作模块二，所述模块二从下至上依次包括aln模板层1、aln缓冲层2、i型alx3ga1-x3n层6和p型gan层7，具体方法见以下步骤：

s21：清洗蓝宝石模板衬底作为模块二衬底，在nh3气氛下表面氮化3分钟，在模块二衬底上形成aln模板层1；

s22：在模块二的aln模板层1上用mocvd法各生长一层200nm厚的aln缓冲层2；

s23：在模块二的aln缓冲层2上用mocvd法生长一层150nm厚的i型al0.4ga0.6n层6，掺杂浓度为2×10¹⁶cm^-3；

s24：在i型al0.4ga0.6n倍增层6上用mocvd法生长一层185nm厚的p型gan层7，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

s3：制作模块三，所述模块三包括模块三衬底和n型ges分离层5；制造两层厚度的ges，先使用基于化学气相沉积法合成ges块状薄片，再用透明胶带将块状薄片机械剥离到模块三衬底上，所述模块三衬底为ni膜，其中gess分离层5的制备步骤如下：

s31：将装有10mg的ges粉末的石英烧舟放置在管式炉的石英管的中心；

s32：在丙酮和异丙醇中分别超声清洗500μm厚、3～5mm宽的si衬底5分钟，用高纯氮气吹干；

s33：将si衬底放置在管式炉中心下面12～15cm处；

s34：将石英管抽空至80～100mtorr的基本压强，用高纯ar气冲洗3次，然后以10～30sccm的速率通入ar气，直至压强保持在20～40torr；

s35：压强稳定后，将管式炉以50～60℃/min的速度加热至400～500℃，同时基片的沉积温度达到290～330℃时，沉积1～10min；

s36：沉积结束之后，将管式炉自然冷却至室温，制成ges纳米片；

s37：将ges纳米片10g与1000g纯净水混合，用搅拌机搅拌，转速为2000r/min，搅拌时间为20min，结束得到ges混合液；

s38：向初步搅拌混合得到的ges混合液中加入50.5g表面活性剂nmp，表面活性剂nmp与ges混合液以质量比为5：100的比例混合，采用高速剥离机连续剪切剥离4小时，剥离机转速为3500±100r/min，得到ges溶液；

s39：将剪切剥离得到的ges溶液离心处理，ges溶液放入离心管内，密封好，将离心管放入离心头中的槽内，调整离心机转述4000r/min，连续离心5min，取出离心管并去除上部水，将离心管中ges液体倒入培养皿中；

s310：将装有离心处理后的ges液体的培养皿放入真空干燥相中干燥，调整干燥箱温度为50度，真空度为133pa，连续干燥24小时得ges产品；

s311：在蓝宝石晶片上用mocvd法生长4nm厚的ges；

s312：将600nm厚的ni膜沉积在ges上，在ni膜上粘贴隔热胶带作为处理剂；

s313：撕起胶带/ni叠层，分离出最弱的ges-蓝宝石界面，导致整个ges膜从基底释放；

s314：在ges膜的底部沉积一层ni膜，在顶部ni膜施加一个力矩以启动剥落模式断裂，引导向下的裂纹，重复剥离；

s315：ni/ges层在剥落后分离，而底层ni膜与ges单层有很强的粘合力，使得在底层ni膜上留下了ges单层；

s4：用机械剥离法剥去模块二的aln模板层1和aln缓冲层2，制得i型alx3ga1-x3n层6和p型gan层7的组合体；

s5：在经由非原位法处理过的i型al0.6ga0.4n吸收层4上使用范德华键合技术组合n型ges分离层5；使用非原位法处理i型alx2ga1-x2n吸收层4和i型alx3ga1-x3n倍增层6材料表面的步骤如下：

s51：将样品沉浸在hf酸容易中浸泡3分钟；

s52：取出立即用n2吹干，尽快放入真空系统，基础压强≤5×10^-9torr，最大程度地减少在室内空气的暴露；

s53：在特高压条件下，基础压强＜5×10^-9torr，使用热丝加热样品进行热脱附过程，加热过程以75℃/min的速度达到理想温度，并在冷却之前保持15min。

s6：在n型ges分离层5上使用范德华键合技术组合经由非原位法处理过的i型al0.4ga0.6n倍增层6；

s7：将一部分区域的p型gan层7从上表面刻蚀至n型al0.6ga0.4n层3形成台面，并对刻蚀后的样品表面进行净化处理；

s8：在n型al0.6ga0.4n层3台面上蒸镀n型欧姆电极31，蒸镀时间为10分钟，蒸镀后在800℃的n2环境下退火3分钟；

s9：在p型gan层7上蒸镀p型欧姆电极71，蒸镀时间为10分钟，蒸镀后在800℃的n2环境下退火1分钟。

使用sentaurustcad仿真软件对本实施例的日盲紫外雪崩光电探测器地光电特性进行了模拟仿真，首先在软件中的sde模块编写代码构建了器件的结构，再在sdevice模块里的代码里加入仿真所需的物理模型，例如载流子漂移扩散模型、产生复合电流模型、带间隧穿模型、离化倍增模型等等。由于异质界面处的极化效应需要抑制才能降低apd雪崩击穿电压，集成特殊隔离层之后，在界面处释放了应力，不会产生极化电荷，一定程度上会降低极化电场从而降低雪崩倍增电流，增大击穿电压，保护器件不被击穿；而且界面处陡峭无缺陷态，同时没有掺杂剂的扩散问题，这样就减少了表面复合电流，漂移扩散电流对器件的影响。图2为仿真得到的本发明的集成特殊隔离层的新型日盲紫外雪崩光电探测器的暗电流电压特性曲线，与普通隔离层的日盲紫外雪崩光电探测器的电流电压特性对比图。从图2中看出，集成特殊隔离层的新型日盲紫外雪崩光电探测器和普通紫外雪崩探测器的电流随着电压的增大而增大，复合电流和隧穿电流基本不变。达到雪崩的临界电场后，载流子不断地撞击晶格，雪崩区内载流子数量急剧增加并向电极附近高速运动形成以雪崩倍增机制为主导的暗电流。在图中，大于40v时，同样的电压下，集成特殊隔离层的新型日盲紫外雪崩光电探测器的暗电流明显小于普通紫外雪崩光电探测器，且器件的雪崩击穿电压也大于普通紫外雪崩光电探测器，就不会导致器件提前击穿。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。