基于无电极光电化学刻蚀法制备GaN纳米线阵列及其在紫外光探测器中的应用研究

这篇研究论文创新性地提出了一种无掩模GaN纳米线阵列制备方法——无电极光电化学刻蚀（ELPEC）技术。通过电场增强原理揭示了形貌演化机制，实现了110 nm·min?1的高速刻蚀，所制备的纳米线（直径20-50 nm，长度1-3 μm）使紫外探测器（UV PD）在零偏压下光电流提升5.6倍，响应度达10.53 mA·W?1。该研究为高性能GaN基光电器件开发提供了新思路。

　　

1 引言

氮化镓（GaN）作为第三代半导体代表，凭借3.4 eV宽禁带、高频响应和优异电子迁移率，在光电子探测领域备受关注。传统体材料面临集成度低的瓶颈，而一维纳米结构（如纳米线）因高比表面积和维度效应展现出卓越的光敏特性。现有纳米线制备方法如掩模辅助外延、干法刻蚀等存在成本高、工艺复杂等问题。本研究发展的无电极光电化学刻蚀（ELPEC）技术通过光生空穴诱导氧化溶解，实现了室温下快速、低损伤的纳米结构加工。

2 实验方法

采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的(0001)面GaN晶片，在KOH/K₂S₂O₈混合溶液中进行ELPEC刻蚀。365 nm紫外光源（最大强度214.6 mW·cm^?2）激发光生载流子，通过调控KOH浓度（0.02-0.1 mol·L^?1）优化刻蚀速率。利用场发射扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等表征纳米结构形貌与晶体质量。

3 结果与讨论

3.1 形貌演化

刻蚀5分钟形成六方锥形纳米锥，10分钟出现中空结构，15分钟锥壁分裂为多尖端结构，20分钟演化为独立纳米线，30分钟获得直径20-50 nm、长1-3 μm的高密度纳米线阵列。截面观察显示纳米线与底部未完全刻蚀的锥体相连。

3.2 工艺优化

当KOH浓度从0.02增至0.08 mol·L^?1时，刻蚀速率从18提升至112 nm·min^?1，过量KOH（0.1 mol·L^?1）会消耗SO₄^?自由基导致速率略微下降。在214.6 mW·cm^?2光照下，0.1 mol·L^?1 KOH体系实现110 nm·min^?1的刻蚀速率，较传统湿法刻蚀提升4-5倍。

3.3 结构表征

高分辨TEM显示纳米线为单晶纤锌矿结构，晶面间距0.262 nm对应(0002)晶面。X射线衍射（XRD）证实刻蚀后仍保持稳定的晶体结构，拉曼光谱显示应力释放。光致发光（PL）谱中566 nm黄光发射增强表明刻蚀引入了Ga空位缺陷，XPS证实表面Ga-O键减少而N/Ga原子比增加。

3.4 形成机制

纳米线演化经历三个阶段：1）各向异性刻蚀暴露{10^ˉ11}慢刻蚀面形成锥体；2）尖端电场增强效应促使中空结构形成；3）锥体侧壁优先刻蚀导致纳米线分离。能带分析显示GaN-电解液界面形成的空间电荷区促进空穴向表面迁移，加速氧化反应。

3.5 器件性能

基于纳米线阵列构建的金属-半导体-金属（MSM）自供电紫外探测器，在214.6 mW·cm^?2光照下净光电流达188.4 μA，是未刻蚀器件的5.6倍，响应度10.53 mA·W^?1。快速响应特性表现为上升/下降时间分别为0.77/0.81秒，归因于纳米线的高比表面积和载流子快速输运。

4 结论

该研究不仅为GaN纳米结构加工提供了高效方案，所开发的ELPEC技术对推动第三代半导体光电器件产业化具有重要价值。未来可通过缺陷工程进一步优化器件性能，拓展其在深紫外探测、柔性电子等领域的应用。