一种BN/GaN2D-3D垂直异质结紫外光电探测器及其制备方法

本发明涉及紫外光电探测，具体为一种bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、半导体技术是人类信息社会发展的基石，在航空航天技术、军用通信技术、环境监测等多种领域的广泛应用，对于紫外探测技术提升与优化的需求愈发强烈。

2、传统半导体材料和紫外光电探测器存在短板使其很难产生突破性进展，无法满足我们在民用和军用领域电子器件的应用需求，第三代宽禁带半导体代表性材料氮化镓(gan)具备禁带宽、直接带隙大、光吸收系数大、抗辐射等优势，很适合制备性能优异的紫外光电探测器。但由于gan材料的自身缺陷，被激发产生的载流子在漂移扩散过程中极其容易被复合掉，导致探测效率不够高。

3、目前包括石墨烯、二维氮化硼(bn)、二维过渡金属硫属化物(mx2)等在内的二维材料正蓬勃发展，它们具有载流子迁移率高、光吸收能力强、量子效率高而受到广泛关注。二维材料与其他半导体材料结合的2d-3d异质结器件因其具有巨大的潜力而成为研究人员的热点，以实现优点综合、高性能的紫外光电探测器。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题提出一种bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器，包括pcb板基座、底电极、下层gan晶体衬底、上层二维bn薄膜、顶电极，其中，所述下层gan晶体衬底与所述上层二维bn薄膜形成范德瓦耳斯异质结；所述底电极与gan晶体衬底的n面形成欧姆接触，所述顶电极与所述上层二维bn薄膜之间形成欧姆接触或肖特基接触；所述底电极一侧固定在pcb板基座的阴极区，所述顶电极一侧使用金丝连接在pcb板基座的阳极区。

3、在本发明中，所述下层gan晶体衬底厚度为380um左右,所述上层二维bn薄膜厚度为0.5-50nm左右。

4、在本发明中，所述底电极为金属t i、金属a l以及最外层保护层金属au，与gan晶体衬底的n面形成欧姆接触，所述底电极的厚度为50nm-300nm。

5、在本发明中，所述顶电极为单层石墨烯，与上层二维bn薄膜形成欧姆接触；或者为金属n i、最外层保护层金属au，与上层二维bn薄膜形成肖特基接触；或者为金属pt、最外层保护层金属au，与上层二维bn薄膜形成肖特基接触，所述顶电极的厚度为50nm-150nm。

6、一种bn/gan 2d-3d垂直异质结紫外光电探测器制备方法，具体步骤如下：

7、1)、使用氢化物气相外延法(hvpe)制备c掺杂的半绝缘高阻gan晶体，形成下层gan晶体衬底；

8、2)、通过磁控溅射或湿法转移在下层gan晶体衬底的ga面外延上层二维bn薄膜；所述下层gan晶体衬底与所述上层二维bn薄膜形成范德瓦耳斯异质结；

9、3)、通过热蒸发或电子束蒸发设备在下层gan晶体衬底的n面沉积金属t i/a l/ti/au，形成底电极；

10、4)、在快速退火炉中对步骤3)中完成底电极沉积的bn/gan衬底进行快速退火，增强金属和半导体的结合，减少应力，降低接触电阻，形成良好的欧姆电极；

11、5)、通过湿法转移在上层二维bn薄膜上覆盖单层石墨烯，或者通过热蒸发或电子束蒸发设备在上层二维bn薄膜上沉积金属n i/au，或者通过热蒸发或电子束蒸发设备在上层二维bn薄膜上沉积金属pt/au，形成顶电极；

12、6)、将底电极一侧通过银浆粘贴固定在pcb板基座的阴极区；将顶电极一侧通过超声波金丝球焊机与pcb板基座的阳极区连接，即完成bn/gan 2d-3d垂直异质结紫外光电探测器的制备。

13、在本发明中，步骤4)中，快速退火的工艺参数为：退火温度范围为300～400℃，退火时间为30s～90s。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明制备的bn/gan2d-3d紫外光电探测器能够在室温下稳定工作，体积小方便携带；多层复合金属电极能有效提高探测器的漏电流稳定性，下层gan晶体的n面与底电极可以形成良好的欧姆接触，可显著提高探测器的电学性能；bn/gan形成的2d-3d异质结产生的内建电场有效促进了光生载流子的分离，限制暗电流大小；圆环金属电极降低遮挡率，使得光照区域达最大；石墨烯电极有效提升了探测器对载流子的收集效率，由于载流子只从二维bn薄膜垂直转移到石墨烯，所以不存在载流子二维bn薄膜内横向传输的问题，这也加快了探测器的响应速度；并且石墨烯电极的透光率达90％，降低了金属电极遮挡光源的损失率，从而提升了探测器的探测效率。

技术特征：

1.一种bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器，其特征在于：包括pcb板基座(7)、底电极、下层gan晶体衬底(1)、上层二维bn薄膜(2)、顶电极(6)，其中，所述下层gan晶体衬底(1)与所述上层二维bn薄膜(2)形成范德瓦耳斯异质结；所述底电极与下层gan晶体衬底(1)的n面形成欧姆接触，所述顶电极(6)与所述上层二维bn薄膜(2)之间形成欧姆接触或肖特基接触中的一种；所述底电极一侧固定在pcb板基座的阴极区(7b)，所述顶电极(6)一侧使用金丝连接在pcb板基座的阳极区(7a)。

2.根据权利要求1所述的bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器，其特征在于：所述下层gan晶体衬底(1)厚度为380um左右,所述上层二维bn薄膜(2)厚度为0.5-50nm左右。

3.根据权利要求1所述的bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器，其特征在于：所述底电极包括金属ti(3)、金属al(4)以及最外层保护层金属au(5)，所述底电极的厚度为50nm-300nm。

4.根据权利要求1所述的bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器，其特征在于：所述顶电极(6)为单层石墨烯，其与上层二维bn薄膜(2)形成欧姆接触。

5.根据权利要求1所述的bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器，其特征在于：所述顶电极(6)包括金属ni、最外层保护层金属au(5)，其与上层二维bn薄膜(2)形成肖特基接触。

6.根据权利要求1所述的bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器，其特征在于：所述顶电极(6)包括金属pt、最外层保护层金属au(5)，其与上层二维bn薄膜(2)形成肖特基接触。

7.根据权利要求1、4-6任意一项所述的bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器，其特征在于：所述顶电极(6)的厚度为50nm-150nm。

8.一种包含权利要求1所述的bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

9.根据权利要求8所述的bn/gan2d-3d垂直异质结紫外光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，快速退火的工艺参数为：退火温度范围为300～400℃，退火时间为30s～90s。

技术总结本发明公开了一种BN/GaN2D‑3D垂直异质结紫外光电探测器及其制备方法，包括PCB板基座、底电极、下层GaN晶体衬底、上层二维BN薄膜、顶电极，其中，所述下层GaN晶体衬底与所述上层二维BN薄膜形成范德瓦耳斯异质结；所述底电极与GaN晶体衬底的N面形成欧姆接触，所述顶电极与所述上层二维BN薄膜之间形成欧姆接触或肖特基接触；所述底电极一侧固定在PCB板基座的阴极区，所述顶电极一侧使用金丝连接在PCB板基座的阳极区。本发明制备的BN/GaN2D‑3D紫外光电探测器能够在室温下稳定工作，体积小方便携带；多层复合金属电极能有效提高探测器的漏电流稳定性，下层GaN晶体的N面与底电极可以形成良好的欧姆接触，可显著提高探测器的电学性能。技术研发人员：伍义远,邹继军,许啟凤,张明智受保护的技术使用者：东华理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29