量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外探测器及其制作方法

摘要

本发明公开了一种量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器，是在蓝宝石衬底上自下而上依次有N型掺杂氮化镓层、绝缘层、氮化硼层、石墨烯层、量子点层，并设有第一电极以及边电极。其制备方法是：先在N型掺杂的蓝宝石衬底氮化镓片上制作边电极及绝缘层，在绝缘层上留有窗口；将石墨烯转移到氮化硼上，再将氮化硼转移至绝缘层上，使得窗口内氮化硼与氮化镓接触形成异质结；再在石墨烯上制作第一电极，并用量子点对石墨烯进行光掺杂，得到量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器。本发明的紫外光电探测器通过量子点对石墨烯进行光掺杂进一步优化了其器件性能，暗态电流低，且对紫外波段具有极高的响应度与探测度，器件工艺简单。

权利要求

1.量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器，其特征在于，在蓝宝石衬底上自下而上依次有N型掺杂的氮化镓层(1)、绝缘层(2)、氮化硼层(3)、石墨烯层(4)和量子点层(5)，所述的绝缘层(2)上开有窗口，使得窗口内氮化镓层(1)与氮化硼层(3)直接接触形成异质结，所述探测器还包括第一电极(6)和边电极(7)，第一电极(6)设置于石墨烯层(4)上，边电极(7)设置于氮化镓层(1)上，所述的绝缘层(2)面积大于氮化镓层(1)面积的

10％，边电极(7)面积占氮化镓层(1)面积的1-10％，第一电极(6)面积小于石墨烯层(4)，石墨烯层面积小于氮化硼层(3)且大于绝缘层(2)中窗口的面积，所述的量子点层(5)为ZnO，量子点的直径不超过100nm，用于对石墨烯进行光掺杂。

2.根据权利要求1所述的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器，其特征在于，所述的石墨烯层(4)中石墨烯为1层至10层，并且用量子点进行光掺杂。

3.根据权利要求1所述的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器，其特征在于，所述的绝缘层(2)是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者氧化铝。

4.根据权利要求1所述的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器，其特征在于所述的第一电极(6)与边电极(7)均选自金、钯、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为1-500nm。

5.制备如权利要求1-4任一项所述的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

在蓝宝石衬底上生长N型掺杂的氮化镓片后，在上制作一定区域的边电极(7)，面积占氮化镓片面积的1-10％，然后放入化学清洗液中浸泡1-30分钟进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；在氮化镓片上边电极外的其他区域生长绝缘层(2)，面积大于氮化镓片面积的10％，在绝缘层的中间区域留有窗口，窗口内氮化镓层暴露；将石墨烯转移到氮化硼上，所述的石墨烯层的面积小于氮化硼的面积且大于绝缘层中窗口面积；将转移上石墨烯的氮化硼整体转移到上述的绝缘层上，使得氮化硼覆盖窗口区域且氮化硼边缘不超出绝缘层区域；在石墨烯上制作第一电极(6)，将量子点旋涂到石墨烯表面对石墨烯进行光掺杂，晾干，得到量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器。

6.量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器，其特征在于，在蓝宝石衬底上自下而上依次有N型掺杂的氮化镓层(1)、绝缘层(2)、厚度为1-10nm的氮化硼层(3)、石墨烯层(4)和ZnO量子点层(5)，所述的绝缘层(2)上开有窗口，使得窗口内氮化镓层(1)与氮化硼层(3)直接接触形成异质结，所述探测器还包括第一电极(6)和边电极(7)，第一电极(6)设置于石墨烯层(4)上，边电极(7)设置于氮化镓层(1)上，所述的绝缘层(2)面积大于氮化镓层(1)面积的10％，边电极(7)面积占氮化镓层(1)面积的1-10％，第一电极(6)面积小于石墨烯层(4)，石墨烯层面积小于氮化硼层(3)且大于绝缘层(2)中窗口的面积，所述的ZnO量子点直径为10-20nm，用于对石墨烯进行光掺杂。

说明书

量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外探测器及其制作

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种紫外光电探测器及其制备方法，尤其涉及一种量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器及其制备方法，属于光电器件技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，紫外探测器作为一种重要的光电器件，引起了研究和产业界的广泛关注。其中，二维材料/半导体异质结结构的光电探测器以其极快的响应以及极高的响应度与探测度性能，吸引了越来越多研究人员的参与，可以广泛应用于航空、军事领域。

[0003] 石墨烯材料在2004年首次被发现并制备并在2010年取得诺贝尔奖以后，其研究取得了更快的进展。更多的研究表明了石墨烯材料具有及其优异的电学、光学和机械性质，如极高的载流子迁移率、极高的透光率、高的杨氏模量和极强的柔韧性等。这些优异的性质使石墨烯吸引了广泛地的关注并进一步的应用于光电器件技术领域，包括光电探测器、太阳电池、光传感器等等。近年来，不少研究者进行了石墨烯在光电探测器方向的应用研究，它的优势是可以实现超快的响应以及拥有较宽波段的光谱响应，并且作为二维材料应用范围广泛且方便。但同时考虑到石墨烯只有原子尺寸纳米级别的厚度，其吸收的光比较少(～2.3％)，这将会影响探测器的光探测响应度与探测度。所以通过寻找合适的材料与石墨烯结合或设计新的结构，增强其光探测响应，是研究和应用基于石墨烯的光电探测器的重点。
研究发现通过将石墨烯与半导体块体材料结合成异质结结构，可以有效增加其光吸收率，并取得极高的响应度以及探测度，且可进一步采用量子点对石墨烯进行光掺杂来改善其性能。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种响应度极高且制备工艺简单的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器及其制备方法。

[0005] 本发明的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器，其特征在于，在蓝宝石衬底上自下而上依次有N型掺杂的氮化镓层、绝缘层、氮化硼层、石墨烯层和量子点层，所述的绝缘层上开有窗口，使得窗口内氮化镓层与氮化硼层直接接触形成异质结，所述探测器还包括第一电极和边电极，第一电极设置于石墨烯层上，边电极设置于氮化镓层上，所述的绝缘层面积大于氮化镓层面积的10％，边电极面积占氮化镓层面积的1-10％，第一电极面积小于石墨烯层，石墨烯层面积小于氮化硼层且大于绝缘层中窗口的面积，所述的量子点层用于对石墨烯进行光掺杂。

[0006] 上述技术方案中，所述的石墨烯层中石墨烯为1层至10层，并且用量子点进行光掺杂。

[0007] 所述的绝缘层是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者氧化铝。

[0008] 所述的量子点为ZnO、GaN、SiC或Si量子点中的一种或几种，量子点的直径不超过100nm。

[0009] 所述的第一电极与边电极均选自金、钯、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为1-500nm。

[0010] 制备上述的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

[0011] 在蓝宝石衬底上生长N型掺杂的氮化镓片后，在上制作一定区域的边电极，面积占氮化镓片面积的1-10％，然后放入化学清洗液中浸泡1-30分钟进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；在氮化镓片上边电极外的其他区域生长绝缘层，面积大于氮化镓片面积的10％，在绝缘层的中间区域留有窗口，窗口内氮化镓层暴露；将石墨烯转移到氮化硼上，所述的石墨烯层的面积小于氮化硼的面积且大于绝缘层中窗口面积；将转移上石墨烯的氮化硼整体转移到上述的绝缘层上，使得氮化硼覆盖窗口区域且氮化硼边缘不超出绝缘层区域；在石墨烯上制作第一电极，将量子点旋涂到石墨烯表面对石墨烯进行光掺杂，晾干，得到量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器。

[0012] 本发明还公开了一种量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓紫外光电探测器，其特征在于，在蓝宝石衬底上自下而上依次有N型掺杂的氮化镓层、绝缘层、厚度为1-10nm的氮化硼层、石墨烯层和ZnO量子点层，所述的绝缘层上开有窗口，使得窗口内氮化镓层与氮化硼层直接接触形成异质结，所述探测器还包括第一电极和边电极，第一电极设置于石墨烯层上，边电极设置于氮化镓层上，所述的绝缘层面积大于氮化镓层面积的10％，边电极面积占氮化镓层面积的1-10％，第一电极面积小于石墨烯层，石墨烯层面积小于氮化硼层且大于绝缘层中窗口的面积，所述的ZnO量子点直径为10-20nm，用于对石墨烯进行光掺杂。

[0013] 传统的体半导体材料，尤其是化合物半导体,具有优异的光电性质。石墨烯与半导体材料结合，若两者的费米能级存在较大差异，可形成肖特基结。光照下，光子主要由块状半导体材料吸收并产生电子空穴对，在结势垒电场的作用下，电子或空穴将会注入石墨烯内。石墨烯内载流子浓度随之发生变化，其电阻率也会改变。外界光强发生变化，注入的电子或空穴浓度也改变。石墨烯的电阻值变化即可反映对外界光照的探测响应情况，在外加电压情况下其肖特基结两边的电流在有无光照的情况下也会改变从而反映外界光照情况。此外，石墨烯的费米能级可以通过量子点光掺杂调节，肖特基的势垒也相应改变，器件的光电探测性能也可进行调节。量子点在光照情况下将会产生空穴并注入到石墨烯中，进而改变了石墨烯的载流子密度。而在半导体与石墨烯之间嵌入的氮化硼层，作为绝缘层可以抑制半导体与石墨烯之间的载流子流动，从而大大地降低其在暗态下的电流大小；但在光照情况下，载流子流动大大加强，其抑制作用可以忽略不计，不会影响光电流的大小。在化合物半导体中，氮化镓是宽禁带半导体材料，其禁带宽度为3.39ev，处于紫外光波段，对于紫外光具有良好的光谱吸收和响应。

[0014] 本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

[0015] 与传统的光电探测器相比，本发明的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器利用石墨烯的高载流子迁移率和良好的光电响应及氮化镓优异光电性质，具有更好的光吸收及光探测响应性能；且其制备工艺简单，易于实现。同时利用氮化硼的界面特性降低了暗态电流，利用了量子点对于石墨烯的光学掺杂改善了石墨烯的电学特性进而改进了器件性能，从而得到极高的响应度与探测度。

附图说明

[0016] 图1为量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器的结构示意图；

[0017] 图2为量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓异质结的能带示意图。

[0018] 图3为量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器在光开关状态下的电流变化曲线。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

[0020] 参照图1，本发明的量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器，是在蓝宝石衬底上自下而上依次有N型掺杂氮化镓层1、绝缘层2、氮化硼层3、石墨烯层4、量子点层5，还有第一电极6与边电极7，边电极7设置在N型掺杂氮化镓层1上，第一电极6设置在石墨烯层4上；量子点光学掺杂的石墨烯/氮化硼/氮化镓异质结的能带结构示意图如图2所示，石墨烯与氮化镓形成肖特基结，在石墨烯上设置量子点，在光照情况下量子点产生空穴并注入到石墨烯中，从而改变石墨烯的载流子密度，同时量子点光掺杂从而调节石墨烯的费米能级，使得肖特基的势垒也相应改变；在氮化镓与石墨烯之间嵌入氮化硼层，作为绝缘层可以抑制半导体与石墨烯之间的载流子流动，从而可以大大地降低其在暗态下的电流大小。

[0021] 实施例1：

[0022] 1)在N型掺杂的蓝宝石衬底氮化镓片上的正面一侧制作一定区域的边电极，材质为100nm镍/金电极，面积约占整个正面氮化镓衬底的5％左右，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

[0023] 2)将所得氮化镓片在正面剩下区域上长一层80nm氮化硅(SiNx)绝缘层，面积约为整个氮化镓衬底的80％，在绝缘层的中间区域留空一定面积(2mm*2mm)的区域不长绝缘层，即窗口；

[0024] 3)将单层石墨烯转移到氮化硼上，氮化硼的面积大于单层石墨烯的面积大于绝缘层中间的留空区域，所述的氮化硼厚度为5nm；

[0025] 4)将转移上石墨烯的氮化硼整体转移到上述的氮化镓绝缘层上，并要求氮化硼与石墨烯覆盖中间绝缘层留空的区域且边缘不超出绝缘层区域；

[0026] 5)在石墨烯上制作第一电极，材质为100nm的银电极，并用ZnO量子点对石墨烯进行光掺杂，将直径为10nm的ZnO量子点旋涂到石墨烯表面并晾干，得到ZnO量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器。

[0027] 在两个电极间加电压，通过测试光电探测器在不同光照下电流的变化，可反应出其对不同光谱和光强的响应。图3即对本例制得的光电探测器加1V电压时，在不加光照和25μW/cm2的紫外光照强度下时间间隔20s连续测试的电流值变化曲线，可以看出在暗态下，该光电探测器的暗态电流极小，可达到10-7A级别，开关比从几十提高到几千，这是由于在氮化镓及石墨烯层之间设置了极薄的氮化硼层，该氮化硼层抑制了氮化镓与石墨烯之间的载流子流动，从而大大地降低其在暗态下的电流大小；在紫外光照下，ZnO量子点对石墨烯进行光掺杂，石墨烯中载流子浓度大幅提高，使得该光电探测器的响应度可达1900A/W，探测度达1013Jones以上。

[0028] 实施例2：

[0029] 1)在N型掺杂的蓝宝石衬底氮化镓片上的正面一侧制作一定区域的边电极，材质为100nm铬/金电极，面积约占整个正面氮化镓衬底的5％左右，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

[0030] 2)将所得氮化镓片在正面剩下区域上长一层80nm氮化硅(SiNx)绝缘层，面积约为整个氮化镓衬底的90％，在绝缘层的中间区域留空一定面积(1mm*1mm)的区域不长绝缘层；

[0031] 3)将单层石墨烯转移到氮化硼上，要求氮化硼的面积大于单层石墨烯的面积大于绝缘层中间的留空区域；

[0032] 4)将转移上石墨烯的氮化硼整体转移到上述的氮化镓绝缘层上，并要求氮化硼与石墨烯覆盖中间绝缘层留空的区域且边缘不超出绝缘层区域；

[0033] 5)在石墨烯上制作第一电极，材质为100nm的金电极，并用ZnO量子点对石墨烯进行光掺杂，将直径为10nm的ZnO量子点旋涂到石墨烯表面并晾干，得到ZnO量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器。

[0034] 实施例3：

[0035] 1)在N型掺杂的蓝宝石衬底氮化镓片上的正面一侧制作一定区域的边电极，材质为200nm铬/金电极，面积约占整个正面氮化镓衬底的5％左右，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

[0036] 2)将所得氮化镓片在正面剩下区域上长一层80nm氮化硅(SiNx)绝缘层，面积约为整个氮化镓衬底的90％，在绝缘层的中间区域留空一定面积(1mm*1mm)的区域不长绝缘层；

[0037] 3)将3层石墨烯转移到氮化硼上，要求氮化硼的面积大于单层石墨烯的面积大于绝缘层中间的留空区域；

[0038] 4)将转移上石墨烯的氮化硼整体转移到上述的氮化镓绝缘层上，并要求氮化硼与石墨烯覆盖中间绝缘层留空的区域且边缘不超出绝缘层区域；

[0039] 5)在石墨烯上制作第一电极，材质为200nm的金电极，并用Si量子点对石墨烯进行光掺杂，将直径为10nm的Si量子点旋涂到石墨烯表面并晾干，得到Si量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器。

[0040] 实施例4

[0041] 1)在N型掺杂的蓝宝石衬底氮化镓片上的正面一侧制作一定区域的边电极，材质为100nm镍/金电极，面积约占整个正面氮化镓衬底的10％左右，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

[0042] 2)将所得氮化镓片在正面剩下区域上长一层100nm氧化铝(Al2O3)绝缘层，面积约为整个氮化镓衬底的80％，在绝缘层的中间区域留空一定面积(2mm*2mm)的区域不长绝缘层；

[0043] 3)将10层石墨烯转移到氮化硼上，要求氮化硼的面积大于单层石墨烯的面积大于绝缘层中间的留空区域；

[0044] 4)将转移上石墨烯的氮化硼整体转移到上述的氮化镓绝缘层上，并要求氮化硼与石墨烯覆盖中间绝缘层留空的区域且边缘不超出绝缘层区域；

[0045] 5)在石墨烯上制作第一电极，材质为100nm的银电极，并用Si量子点对石墨烯进行光掺杂，将直径为1nm的Si量子点旋涂到石墨烯表面并晾干，得到Si量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器。

[0046] 实施例5

[0047] 1)在N型掺杂的蓝宝石衬底氮化镓片上的正面一侧制作一定区域的边电极，材质为100nm镍/金电极，面积约占整个正面氮化镓衬底的5％左右，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

[0048] 2)将所得氮化镓片在正面剩下区域上长一层100nm二氧化硅(SiO2)绝缘层，面积约为整个氮化镓衬底的80％，在绝缘层的中间区域留空一定面积(2mm*2mm)的区域不长绝缘层；

[0049] 3)将5层石墨烯转移到氮化硼上，要求氮化硼的面积大于单层石墨烯的面积大于绝缘层中间的留空区域；

[0050] 4)将转移上石墨烯的氮化硼整体转移到上述的氮化镓绝缘层上，并要求氮化硼与石墨烯覆盖中间绝缘层留空的区域且边缘不超出绝缘层区域；

[0051] 5)在石墨烯上制作第一电极，材质为100nm的金电极，并用GaN量子点对石墨烯进行光掺杂，将直径为20nm的GaN量子点旋涂到石墨烯表面并晾干，得到GaN量子点光掺杂石墨烯/氮化硼/氮化镓光电探测器。