一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器及加工方法

本发明涉及光电探测器领域，尤其涉及一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器及加工方法。

背景技术：

1、光电探测器是现代光电子器件中的关键部件，广泛应用于光学成像、空间光通信、导弹制导和定位导航等民用和军事领域。经过几十年的稳步发展，现代紫外探测器在光响应性、信噪比、稳定性和速度等方面具有优异的性能，近年来在环境监测、先进通信、空气净化、泄漏检测和空间研究等方面的应用越来越受到人们的关注。

2、另外，基于科技的发展，对于电子产品的要求愈来愈趋近于小型化、柔性化，具体到光电探测器中，基于光生伏特效应的自供电型光电探测器愈加引起关注，其可以在无外加电源下工作，且具有响应速度快、光响应度高等性能优势，逐渐成为了研究热点。近年来，得益于宽禁带半导体的基础研究和材料制备工艺的进展和突破，新型固态光电探测器件的开发获得新的希望。

3、氮化镓作为具有代表性的第三代半导体之一，由于其独特且优异的性质一直受到广泛的关注，纤锌矿氮化镓的禁带宽度为3.39，其主要吸收紫外波段的光照，故其在紫外探测器方面具有巨大的应用潜力。现有技术中，一般利用氮化镓/氧化镓薄膜进行柔性探测器的制备，但由于薄膜型的光电探测器在光响应性能上不够理想，因此极大地限制了其的应用。

4、为了提升柔性探测器的光响应性能，现有技术中提出了利用纳米线阵列替代薄膜的光电探测器制备方案，这是由于具有微纳结构的氮化镓在光电性质方面表现出更加具有吸引力的特质，并且微纳结构的氮化镓/氧化镓具有更高的体积-表面积比，能够提供更大的光吸收面积。但目前主流的加工微纳结构氮化镓/氧化镓的方式为化学气相沉积或是干法刻蚀等工艺，而这类工艺往往伴随着加工条件严苛或加工出的微纳结构氮化镓/氧化镓带有损伤等固有缺陷，从而降低光电性能。

5、因此，现有技术中还提出了另一种柔性探测器的制备方案，采用在柔性基底102上原位生长氧化镓纳米线阵列的技术手段，并通过控制纳米线阵列的生长氛围、生长温度及时间，获得所需形貌和结晶性的纳米线阵列。但上述技术手段的生长方式需要严苛的条件进行控制，且工艺难度较大，步骤繁多，同样制约了纳米线阵列在柔性探测器方面的实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器及加工方法，采用无电极光电化学刻蚀加工出氮化镓纳米线阵列101，能有效地改善晶体质量，从而提高利用上述氮化镓纳米线阵列101组装而成的光电探测器的光电性质性能，以克服现有技术中的不足之处。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，包括以下步骤：

4、a、准备具有衬底的氮化镓晶圆和柔性基底；

5、b、将具有衬底的氮化镓晶圆浸没于刻蚀液中，在紫外光的照射下进行无电极光电化学刻蚀，清洗后剥离衬底得到氮化镓纳米线阵列；

6、c、利用紫外激光器在柔性基底的表面加工出石墨烯电极；

7、d、将氮化镓纳米线阵列组装在石墨烯电极的表面；

8、e、在氮化镓纳米线阵列的表面加工出金属电极；

9、f、通过导线分别将石墨烯电极与金属电极引出，并封装得到自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器。

10、优选的，步骤b中，所述刻蚀液为氢氧化钾和过硫酸钾的混合水溶液，且所述氢氧化钾的浓度为0.02～0.5mol/l，所述过硫酸钾的浓度为0.05～0.1mol/l；

11、所述无电极光电化学刻蚀步骤的紫外光的光照强度为3～15w/cm2，所述无电极光电化学刻蚀步骤的刻蚀时间为20～30min。

12、优选的，所述氮化镓晶圆的衬底为蓝宝石衬底；

13、步骤b中，通过紫外激光对蓝宝石衬底和氮化镓纳米线阵列进行剥离，且所述紫外激光的波长为248～330nm，激光功率为254～280mj/cm2。

14、优选的，步骤c包括：

15、c1、在柔性基底的表面旋涂聚酰亚胺溶液，得到前驱体层；

16、c2、利用紫外激光器对前驱体层进行激光诱导，得到石墨烯电极。

17、优选的，步骤c2中，所述紫外激光器发出的紫外激光的波长为355nm，且所述紫外激光器的扫描速度为20～100mm/s，扫描频率为100～700khz，输出功率为1～10w。

18、优选的，步骤d包括：

19、d1、通过热固性胶粘剂将氮化镓纳米线阵列组装在石墨烯电极的表面，并在石墨烯电极的表面留出外接区域和绝缘区域；

20、d2、在所述绝缘区域的表面涂覆绝缘树脂。

21、优选的，步骤e包括：

22、e1、在氮化镓纳米线阵列的表面旋涂绝缘树脂并烘干；

23、e2、利用电感耦合等离子体刻蚀的方式，去除氮化镓纳米线阵列表面中位于电极区域的绝缘树脂，使电极区域裸露；

24、e3、通过磁控溅射的方式，在电极区域的表面溅射镍，并形成镍层；

25、e4、通过磁控溅射的方式，在电极区域的表面溅射金，并形成金层。

26、优选的，步骤e2包括：

27、电感耦合等离子体刻蚀步骤中，在160mtorr的压力下，使用10～30sccm的氧气和40～60sccm的四氟化碳去除氮化镓纳米线阵列表面中位于电极区域的绝缘树脂，且电感耦合等离子体的激发功率为80～100w，直流射频功率为200～350w,刻蚀时间为4～7min。

28、优选的，步骤e3中，所述镍层的厚度为15～30nm；步骤e4中，所述金层的厚度为120～160nm。

29、一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器，使用上述自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法加工而成。

30、本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

31、1、通过无电极光电化学刻蚀的湿法刻蚀工艺直接在氮化镓晶圆上加工出氮化镓纳米线阵列，一方面使得氮化镓纳米线阵列的制备具有更好的普适性，另一方面采用湿法刻蚀的方式可以极大地减小晶体损伤并改善晶体的质量，为高性能的光电探测器奠定基础，从而更好地提高光吸收效率。

32、2、通过激光诱导的方式在柔性基底的表面加工出石墨烯电极，由于激光诱导的调节方便十分便捷，因此通过对激光诱导过程中激光参数的调节，即可很快速地加工出不同功函数的石墨烯，极大地简化了光电探测器的制备工艺，且能有效保证光电探测器性能的提升。

33、3、通过波长为250～330nm的紫外激光聚焦于氮化镓-蓝宝石界面处，使得氮化镓在紫外激光的作用下分解成金属镓与氮气，从而实现氮化镓和蓝宝石的分离。还对紫外激光的激光功率进行进一步优选，若激光功率过高，则容易过多地分解氮化镓，造成氮化镓的含量下降，若激光功率过低，则难以有效地分离氮化镓与蓝宝石。

技术特征：

1.一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，步骤b中，所述刻蚀液为氢氧化钾和过硫酸钾的混合水溶液，且所述氢氧化钾的浓度为0.02～0.5mol/l，所述过硫酸钾的浓度为0.05～0.1mol/l；

3.根据权利要求1所述的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，所述氮化镓晶圆的衬底为蓝宝石衬底；

4.根据权利要求1所述的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，步骤c包括：

5.根据权利要求4所述的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，步骤c2中，所述紫外激光器发出的紫外激光的波长为355nm，且所述紫外激光器的扫描速度为20～100mm/s，扫描频率为100～700khz，输出功率为1～10w。

6.根据权利要求1所述的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，步骤d包括：

7.根据权利要求1所述的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，步骤e包括：

8.根据权利要求7所述的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，步骤e2包括：

9.根据权利要求7所述的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法，其特征在于，步骤e3中，所述镍层的厚度为15～30nm；步骤e4中，所述金层的厚度为120～160nm。

10.一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器，其特征在于，使用权利要求1～9任意一项所述的自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器的加工方法加工而成。

技术总结
本发明公开了涉及光电探测器领域，尤其涉及一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器及加工方法，包括以下步骤：A、准备氮化镓晶圆和柔性基底；B、将氮化镓晶圆浸没于刻蚀液中，进行无电极光电化学刻蚀得到氮化镓纳米线阵列；C、利用紫外激光器在柔性基底加工出石墨烯电极；D、将氮化镓纳米线阵列组装在石墨烯电极；E、在氮化镓纳米线阵列加工出金属电极；F、通过导线分别将石墨烯电极与金属电极引出，并封装。本案提出的一种自供电柔性氮化镓纳米线阵列光电探测器及加工方法，采用无电极光电化学刻蚀加工出氮化镓纳米线阵列101，能有效地改善晶体质量，从而提高利用上述氮化镓纳米线阵列101组装而成的光电探测器的光电性质性能。

技术研发人员：陈云,余鹏飞,侯茂祥,钟一鸣,陈新
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16