[发明专利]基于石墨烯-氧化镓相结的自供电型光电探测结构、器件及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯‑氧化镓相结的自供电型光电探测结构及相应的制备方法，以及光电探测器。所述结构包括：衬底、形成于所述衬底上的氧化镓相结纳米柱、形成于所述氧化镓相结纳米柱上的石墨烯薄膜。所述方法包括在衬底上通过水热、退火和高温退火生成氧化镓相结纳米柱，在所述氧化镓相结纳米柱上转移形成石墨烯薄膜。本发明具有制备工艺简单、成本低廉、易大规模生产等优点。本发明的光电探测器具有自供电、光谱选择性好的特点，对日盲紫外光具有响应度大、灵敏度高等特性。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种基于石墨烯-氧化镓相结的自供电型光电探测结构、器件及制备方法。本发明可应用于日盲深紫外探测器。

背景技术

近年来出现了碳化硅、氮化镓、氮化铝、硒化锌、氧化锌、氧化镓等禁带宽度E_g大于2.3eV的第三代半导体材料，相比前两代半导体材料，这类材料的带隙大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度快、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强，具有良好的化学稳定性，非常适合用来研制抗辐射、高频、大功率与高密度集成的半导体器件。氧化镓(Ga₂O₃)的禁带宽度为4.2-5.3eV(不同晶体结构，光学各向异性表现为不同的带隙)，是一种直接带隙的Ⅲ-VI族宽带隙半导体材料，具有优良的化学和热稳定性，是颇为看好的一种新型第三代半导体材料。

基于氧化镓的日盲紫外探测器已有一些报道，研究内容广泛，从材料形态上包含纳米、单晶、薄膜，从器件结构上包括金属-半导体-金属(MSM) 结构、肖特基结、异质结、雪崩光电二极管(APD)等，并取得了一些重要的研究成果。基于结效应的氧化镓日盲紫外探测器往往具有更快的响应速度、更高的灵敏度，并伴有自供电的特性。

石墨烯是一种由碳原子紧密堆积成的单原子层的晶体，自2004年由英国曼彻斯特大学首次成功制备并报道后，以其新奇的结构和性能引起了科学家的广泛关注，其独特的二维平面结构赋予了它优良的力学、热学、电学、光学性质。石墨烯良好的透过率及电导率使得其作为透明电极的潜力非常巨大，石墨烯的吸收谱除在270nm处有一明显的吸收峰外，在其余波段透过率都很好，大波段的高透光率使得石墨烯可满足透明电极对光耦合的需求。并且基于石墨烯特殊的晶体结构，石墨烯片层内亚微米量级的电子传输无散射，载流子迁移率比金属银还要高。石墨烯用作透明电极的应用除了考虑到其高的电导率与透光率外，其与半导体层的相容性较好也是很重要的一点，这与石墨烯中载流子种类有关，在石墨烯片层中载流子电子和空穴的迁移率是相等的，即石墨烯既可以作为n型材料又可以作为p型材料。

最近发现的石墨烯薄膜在导电性、透光性和平整度方面都体现了与 ITO可比拟的性能。并且石墨烯薄膜具有很好的化学稳定性和低成本的优势。另外一个优势是石墨烯具有高的功函数，与p型的GaN有可能形成欧姆接触。石墨烯的大量制备也取得了一些重要进展，化学还原的氧化石墨可以通过静电作用稳定分散在水溶液中。直接用CVD方法合成单层和若干层的石墨烯透明导电薄膜也已经获得成功。这些进展为石墨烯 LCD、OLED、太阳能电池以及光电探测器等方面的应用提供了可能。

使用石墨烯透明电极可以解决传统金属电极阻挡紫外线的入射，减少有效探测面积，以及金属对紫外线的吸收都使得紫外探测器对的响应度与外量子效应受到影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对本领域存在的问题，本发明旨在解决现有氧化镓光电探测器因为使用不透光的金属作为正电极导致的光电探测率降低的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明一方面提出一种基于石墨烯-氧化镓相结的自供电型光电探测结构，该结构包括：衬底；氧化镓相结纳米柱，形成于所述衬底上；石墨烯薄膜，形成于所述氧化镓相结纳米柱上。

根据本发明的优选实施方式，所述的氧化镓相结纳米柱为α/β-Ga₂O₃相结纳米柱阵列。