一种MXenes上低维AlN材料制备方法及应用

一种mxenes上低维aln材料制备方法及应用
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种mxenes上低维aln材料制备方法及应用。


背景技术：

2.深紫外光电探测器在通信、成像、生物检测和化学分析等领域有广泛的应用。传统的深紫外探测器为体积巨大、工作电压高、量子效率低的硅基光电倍增管和硅基光电二极管，不能满足光电器件微型化的发展需求。近年来，一维aln纳米材料具有高载流子迁移率、优异的光吸收/发射和宽的直接带隙，在深紫外探测领域具有巨大的应用潜力。但是，由于缺乏内部电场，光生载流子分离效率、速度低，仍然存在响应速度慢、工作电压高等问题，需要额外的电源才能进行探测，难以满足高速、微型器件和系统开发需求。
3.构建二维/一维集成的范德华异质结(vdwh)是解决上述问题的有效策略之一。目前，mxenes层状材料包括ti3c2、moc2、v3c2、ti4n3，具有高电子迁移率、高光电转换效率和可调的功函数(1.6ev～8.0ev)，与aln能够构建肖特基结型深紫外光电探测器。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种mxenes上低维aln材料制备方法及应用。本发明实现aln nrs在ti3c2tx上的范德华异质外延，构建了无需外部电源、高响应度和快速响应的深紫外光电探测器。
5.本发明的制备方法解决了传统硅基深紫外探测器响应度低、响应速度慢和体积大的问题，在制备过程中无复杂操作和其他有害副产物产生，为制备高响应度、快响应速度、自供电型深紫外光电探测器提供了有效策略。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种mxenes上低维aln材料制备方法，包括如下步骤：
8.s1将硅衬底清洗处理后，通过喷雾工艺将ti3c2tx水溶液均匀涂在表面，在高温真空干燥箱中去除水分得到ti3c2tx/硅片；
9.s2将ti3c2tx/硅片置于射频辅助分子束外延设备中，在ti3c2tx/硅片上生长出aln纳米柱阵列，得到aln/ti3c2tx材料；
10.s3通过光刻、电子束蒸发、lift-off的一般工艺方法，制备ti/au电极；
11.s4将金属置于快速退火炉中进行退火处理，使得金属与aln、ti3c2tx形成欧姆接触。
12.由于，ti3c2tx水溶液的浓度与ti3c2tx厚度相关，层状材料太厚时，影响aln纳米柱阵列生长，无法形成均匀、密集的纳米柱阵列；ti3c2tx层状材料太薄，生长过程中会被等离子体刻蚀。
13.ti3c2tx水溶液的优选浓度为0.2～0.6mg/ml。
14.由于ti3c2tx水溶液真空干燥温度太高、时间太长会导致材料氧化，影响材料的性
能，则优选低，干燥温度为50～60℃，干燥时间为5～10分钟。
15.由于aln纳米柱阵列中腔体压力、衬底温度、束流源温度、气体流量、射频等离子体功率和生长时间是调控aln纳米柱阵列的主要因素。
16.因此，s2中生长aln纳米柱阵列的优选工艺条件如下：生长腔体内压力为1
×
10-9～5
×
10-9torr；在850～900℃进行退火处理20～30min，以去除表面残留物；生长温度为940～960℃，衬底转速为5～8rpm；射频等离子体功率设置为400～420w，n2流量设为2.0～2.2sccm，ga源温度为950～970℃，总生长时间为2.8～3h。
17.进一步地，所述s3中的电极制备工艺如下：先利用匀胶机旋涂负性光刻胶30～40s，转速为3600rpm～4000rpm，经前烘(温度为65～75℃加热处理2～3min)、深紫外光源曝光8～10s、显影(时间为50～55s)，以及采用等离子体进行反应离子刻蚀处理2～3min，热氮气烘干3～5min，蒸镀80～100nm ti/100～120nm au电极，在热丙酮中超声震荡5～7分钟，去除光刻胶区域的电极。
18.退火温度选择直接影响ti3c2tx氧化及欧姆接触，太高容易导致ti3c2tx氧化，进一步影响器件性能，太低无法实现良好的欧姆接触，本发明退火温度优选设置为450～500℃。
19.该制备方法应用在光电探测器领域，其制得的结构为：
20.一种自供电型深紫外光电探测器，由下至上依次包括硅衬底、ti3c2tx层状材料和aln纳米柱阵列，所述ti3c2tx层状材料上设有第一金属电极；所述aln纳米柱阵列上设有第二金属电极。
21.进一步，所述硅衬底的厚度为500～600μm，晶面为(111)，电阻为2～3mω。
22.进一步，所述所述aln纳米柱阵列是由1*n个aln纳米柱构成。
23.进一步，所述aln纳米柱的长度为200～500nm，直径为40～80nm；aln纳米柱的密度为6.0
×
109～10.0
×
109/cm2。
24.进一步，相邻aln纳米柱的间距小于20nm，非等间距。
25.进一步，所述ti3c2tx层状材料的厚度在5nm～30nm。
26.进一步，所述第一金属电极和第二金属电极均为从下往上依次层叠的ti金属层和au金属层；所述ti金属层和au金属层的厚度分别为80～100nm和100～120nm。
27.进一步，所述第一金属电极和第二金属电极的长度均为150～180μm，宽度均为120～140μm；所述第一金属电极和第二金属电极的间距为100～120μm。
28.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
29.(1)本发明提供的一种aln纳米柱阵列/ti3c2tx层状材料的肖特基型深紫外光电探测器制备方法，构建了无需外部电源的肖特基型深紫外光电探测器，器件表现出很高的深紫外光响应度和极快的响应速度，并且具有优异的稳定性，这可以归因于ti3c2tx和aln之间形成的高肖特基势垒，能够有效地分离光生载流子。
30.(2)aln纳米柱阵列/ti3c2tx层状材料的肖特基型深紫外光电探测器利用了aln一维纳米柱材料巨大的比表面积和量子限域性，利用了ti3c2tx层状材料的二维量子限域性、极高的电子迁移率。同时，在制备过程中无复杂操作和其他有害副产物产生，为制备高响应度、快响应速度、自供电型深紫外光电探测器提供了有效策略
31.(3)本发明制备方法在光电探测器领域中应用，制得探测器探测性能优异，无需外
部电源，能够应用于导弹制导、明火探测和空间通信等领域，经济效益可观。
附图说明
32.图1为本发明提供的aln nrs/ti3c2tx肖特基型深紫外光电探测器的结构剖面示意图；
33.图2为硅片上的二维mxenes材料；
34.图3为mxenes/si上的aln纳米柱；
35.图4为280nm光源下的aln nrs/ti3c2tx肖特基型深紫外光电探测器i-v性能；
36.图5为280nm光源下的aln nrs/ti3c2tx肖特基型深紫外光电探测器i-t性能。
具体实施方式
37.下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
38.实施例1
39.如图1及图2所示，一种mxenes上低维aln材料制备方法及应用，该制备方法应用在光电探测器制备中，其制备得到探测器结构由下至上依次包括硅衬底1、ti3c2tx层状材料2和aln纳米柱阵列3，所述ti3c2tx层状材料上设有第一金属电极4；所述aln纳米柱阵列上设有第二金属电极5，ti3c2tx层状材料和aln纳米柱阵列之间形成的高肖特基势垒。
40.具体地，aln纳米柱阵列3覆盖ti3c2tx层状材料部分上表面，所说第二金属电极位于aln纳米柱阵列3上方的左侧，所述第一金属电极位于ti3c2tx层状材料的右侧。
41.本实施例中aln纳米柱阵列由12个纳米柱依次排列构成，间距非均匀。
42.具体的制备方法如下：
43.步骤1、将硅片清洗处理后，通过喷雾工艺将浓度为0.2mg/mlti3c2tx水溶液均匀涂在表面，在50℃高温真空干燥箱中处理5分钟来去除水分。
44.步骤2、将步骤1中的ti3c2tx/硅片置于pa-mbe中，在ti3c2tx/硅片上生长出aln纳米柱阵列；在850℃进行退火处理20min，以去除表面残留物；生长温度为940℃，衬底转速为5rpm；射频等离子体功率设置为400w，n2流量设为2.0sccm，ga源温度为950℃，总生长时间为2.8h。
45.步骤3、先利用匀胶机旋涂负性光刻胶30s，转速为3600rpm，经前烘(温度为65℃，加热处理2min)、深紫外光源曝光8s、显影(时间为50s)，以及采用等离子体进行反应离子刻蚀处理2min，热氮气烘干3min，蒸镀80nm ti/100nm au电极，在热丙酮中超声震荡5分钟，去除光刻胶区域的电极，在步骤2得到的aln/ti3c2tx材料两侧分别制备ti/au电极；
46.步骤4、将步骤3得到的金属/aln/ti3c2tx/金属置于快速退火炉中退火处理，退火温度设置为450℃，使得金属与aln、ti3c2tx形成欧姆接触，得到光电探测器。
47.本实施例制备方法形成异质结构结，使得mxenes/aln异质界面的肖特基内建电场能够有效地分离光生电子/空穴对，实现高效的光电转换，有望实现零偏压、自供电的深紫外光电探测。二维/一维异质结体系能够将载流子限制在低维空间内，实现载流子快速的迁移，加快光电响应速度。本发明首次提出了aln纳米柱阵列(nrs)与ti3c2tx集成的自供电型深紫外光电探测器及其制备方法。实现了aln nrs在ti3c2tx上的范德华异质外延，构建了无需外部电源的肖特基型深紫外光电探测器，器件表现出很高的深紫外光响应度和极快的
响应速度，并且具有优异的稳定性，这可以归因于ti3c2tx和aln之间形成的高肖特基势垒，能够有效地分离光生载流子。
48.实施例2
49.本实施例制备得到结构与实施例1相同，具体制备方法包括如下步骤：
50.步骤1、将硅片清洗处理后，通过喷雾工艺将浓度为0.4mg/mlti3c2tx水溶液均匀涂在表面，在55℃高温真空干燥箱中处理8分钟来去除水分。
51.步骤2、将步骤1中的ti3c2tx/硅片置于pa-mbe中，在ti3c2tx/硅片上生长出aln纳米柱阵列；在870℃进行退火处理25min，以去除表面残留物；生长温度为950℃，衬底转速为6rpm；射频等离子体功率设置为410w，n2流量设为2.1sccm，ga源温度为960℃，总生长时间为2.9h。
52.步骤3、先利用匀胶机旋涂负性光刻胶35s，转速为3800rpm，经前烘(温度为70℃加热处理2min)、深紫外光源曝光9s、显影(时间为52s)，以及采用等离子体进行反应离子刻蚀处理3min，热氮气烘干3min，蒸镀90nm ti/110nm au电极，在热丙酮中超声震荡6分钟，去除光刻胶区域的电极，在步骤2得到的aln/ti3c2tx材料两侧分别制备ti/au电极；
53.步骤4、将步骤3得到的金属/aln/ti3c2tx/金属置于快速退火炉中退火处理，退火温度设置为470℃，使得金属与aln、ti3c2tx形成欧姆接触。
54.实施例3
55.本实施例制备得到的结构与实施例1相同，具体制备方法包括如下步骤：
56.步骤1、将硅片清洗处理后，通过喷雾工艺将浓度为0.4mg/mlti3c2tx水溶液均匀涂在表面，在55℃高温真空干燥箱中处理7分钟来去除水分。
57.步骤2、将步骤1中的ti3c2tx/硅片置于pa-mbe中，在ti3c2tx/硅片上生长出aln纳米柱阵列；在870℃进行退火处理25min，以去除表面残留物；生长温度为950℃，衬底转速为8rpm；射频等离子体功率设置为420w，n2流量设为2.2sccm，ga源温度为970℃，总生长时间为3h。
58.步骤3、先利用匀胶机旋涂负性光刻胶40s，转速为4000rpm，经前烘(温度为75℃加热处理3min)、深紫外光源曝光10s、显影(时间为55s)，以及采用等离子体进行反应离子刻蚀处理3min，热氮气烘干5min，蒸镀100nm ti/120nm au电极，在热丙酮中超声震荡7分钟，去除光刻胶区域的电极，在步骤2得到的aln/ti3c2tx材料两侧分别制备ti/au电极；
59.步骤4、将步骤3得到的金属/aln/ti3c2tx/金属置于快速退火炉中退火处理，退火温度设置为500℃，使得金属与aln、ti3c2tx形成欧姆接触。
60.如图3、图4及图5所示为本实施例的测试图，可知本实施例制备的光电探测器具有高响应速度。
61.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。