一种Ag/C60/P3HT/n-GaN/In平面型异质结材料及其制备方法

本发明属于半导体材料技术领域，特别涉及一种ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料及其制备方法。

背景技术：

近年来，有关有机-无机半导体材料的研究异常活跃，在信息显示和光伏电池等方面显示出广阔的应用前景。有机-无机p-n结是利用有机半导体和无机半导体各自的优点来改进光电器件的应用。有机半导体不仅制造工艺简单，如旋涂，丝网印刷，喷墨印刷，喷涂，而且具有良好的光学特性，被广泛应用在整流二极管和光电器件中。无机半导体具有良好的电性能，例如高的载流子迁移率，电导率可控。

聚-3己基噻吩(poly(3-hexylthiophene)，p3ht)是最广为人知的p型聚合物之一，并且具有很高的载流子迁移率。氮化镓(gan)是宽带隙(室温下eg＝3.4ev)直接半导体，具有强度高、熔点高的优点以及高的击穿场强和极高的化学稳定性，它已被用于研究短波长光学器件和大功率电子器件。目前，科研人员结合上述每种材料的优点设计了无机-有机混合结构以节约成本、简化制造工艺，从而制造出高效率的器件。胡立峰以p3ht和n-gan构筑了p3ht/n-gan平面型异质结与p3ht/n-pgan体相异质结，两种结构的整流比(rectificationratio，rr)分别为62和1443。陈等人构筑了c60/n-gan平面型异质结，该异质结的整流比超过10⁶。如何在此基础上进一步提升平面型异质结材料的电学性能，是当前研究的热点。

技术实现要素：

本发明针对上述技术问题，提供一种ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料，包括：衬底、n-gan薄膜层、p3ht层、c60层、ag层和in电极六个部分。

其中，所述衬底的材质为蓝宝石；

其中，所述n-gan薄膜层设置在所述衬底上；所述n-gan薄膜层的厚度为1～2μm，优选为1.5μm；

其中，所述p3ht层和in电极设置在所述n-gan薄膜层上；所述p3ht层厚度为80～120nm，优选为100nm；

其中，所述c60层设置在所述p3ht层上；所述c60层厚度为30～70nm，优选为50nm；

其中，所述ag层设置在所述c60层上；所述ag层厚度为80～120nm，优选为100nm。

本发明还提供了上述ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用mocvd在衬底上生长n-gan薄膜层；

(2)在n-gan薄膜层上旋凃p3ht溶液得到p3ht层；

(3)在p3ht层上蒸镀c60得到c60层，在c60层上蒸镀ag得到ag层；

(4)将步骤(3)制得的材料和铟一起放入快速退火炉，在氮气氛围中以两步法退火在n-gan薄膜层上制备得到in电极，第一步180～220℃退火3～7min，第二步280～320℃退火6～10min；即得ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料。

其中，步骤(1)中，利用mocvd在衬底上生长n-gan薄膜层之后，再用丙酮、酒精和去离子水分别进行超声波清洗，再在紫外线清洗机中清洗。

其中，步骤(2)中，先将p3ht溶于氯苯中得到质量分数为1.1wt％的p3ht溶液，再以1500rpm/s的转速在n-gan薄膜层上旋凃p3ht溶液60s得到p3ht层。

其中，步骤(2)中，制备好p3ht层之后，将材料在140～145℃加热10min以将氯苯蒸发掉；进一步地，加热温度优选为142℃。

其中，步骤(3)中，利用金属有机蒸镀系统在p3ht层上蒸镀c60得到c60层，在c60层上蒸镀ag得到ag层。

其中，步骤(4)中，第一步200℃退火5min，第二步300℃退火8min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过两步退火法使in与n-gan薄膜层之间形成欧姆接触，使in与n-gan薄膜层之间没有整流现象产生，只保留p3ht层与n-gan薄膜层之间形成的p-n结构的整流作用，确保了材料整体的整流作用不受影响；

(2)c60层的加入，减小了材料的反向饱和电流和并联电阻，能够降低缺陷密度，使材料的电流在一定的电压强度下能更快达到稳定值，提升了材料的电学性能；

(3)本发明的制备工艺步骤简洁、耗时短、成本低廉，非常适合大规模生产和应用。

附图说明

图1为本发明的ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料结构示意图，附图标记为：1-衬底，2-n-gan薄膜层，3-p3ht层，4-in电极，5-c60层，6-ag层。

图2为ag/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料结构示意图，附图标记为：1-衬底，2-n-gan薄膜层，3-p3ht层，4-in电极，5-ag层。

图3为n-gan薄膜上in/n-gan/in的i-v曲线。

图4为样品半对数坐标下的正向偏置和反向偏置的i-v曲线。

图5为样品电阻(ri)随外加电压的变化曲线。

图6为两个样品的dv/d(lni)-i和h(i)-i图。

图7为样品双对数坐标下的i-v曲线。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。实施例中采用的原料、实际若无特殊说明，皆为市售所得。

实施例1制备ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料

(1)利用mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)在衬底上生长1.5μm厚的n-gan薄膜层之后，再用丙酮、酒精和去离子水分别进行超声波清洗，再在紫外线清洗机中清洗；

(2)将p3ht溶于氯苯中得到质量分数为1.1wt％的p3ht溶液，以1500rpm/s的转速在n-gan薄膜层上旋凃p3ht溶液60s得到p3ht层，p3ht层的厚度为100nm；再将材料在142℃加热10min以将氯苯蒸发掉；

(3)利用金属有机蒸镀系统在p3ht层上蒸镀c60得到c60层，在c60层上蒸镀ag得到ag层；所述c60层厚度为50nm；所述ag层厚度为100nm；

(4)将步骤(3)制得的材料和铟一起放入快速退火炉，在氮气氛围中以两步法退火在n-gan薄膜层上制备得到in电极，第一步200℃退火5min，第二步300℃退火8min，所得的in电极的直径为1mm；即得ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料。

制备得到的ag/c60/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料结构如图1所示。

对照实施例2制备ag/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料

(1)利用mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)在衬底上生长1.5μm厚的n-gan薄膜层之后，再用丙酮、酒精和去离子水分别进行超声波清洗，再在紫外线清洗机中清洗；

(2)将p3ht溶于氯苯中得到质量分数为1.1wt％的p3ht溶液，以1500rpm/s的转速在n-gan薄膜层上旋凃p3ht溶液60s得到p3ht层，p3ht层的厚度为100nm；再将材料在142℃加热10min以将氯苯蒸发掉；

(3)利用金属有机蒸镀系统在p3ht层上蒸镀ag得到ag层；所述ag层厚度为100nm；

(4)将步骤(3)制得的材料和铟一起放入快速退火炉，在氮气氛围中以两步法退火在n-gan薄膜层上制备得到in电极，第一步200℃退火5min，第二步300℃退火8min，所得的in电极的直径为1mm；即得ag/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料。

制备得到的ag/p3ht/n-gan/in平面型异质结材料结构如图2所示。

实施例3性能检测

使用keithley2400sourcemeter在黑暗和室温环境下检测实施例1和实施例2的样品的i-v曲线。所有的测量都是在样品制备后立即进行的，以避免老化、污染引起的电学特性的改变。检测结果如下：

1、n-gan薄膜上in/n-gan/in的i-v曲线见图3，图3的i-v曲线是过零点的一条直线，因此可以确定in电极与n-gan之间是欧姆接触，并且得到它们之间的电阻分别为34.483ω和30.303ω。

2、实施例1和实施例2的样品半对数坐标下的正向偏置和反向偏置的i-v曲线见图4，如图4所示，两个样品都产生了非线性、不对称的i-v曲线，表现出良好的整流特性，这是热离子发射(thermionicemission，te)电流的特征。非线性的i-v曲线是由于界面态密度、串联电阻(rs)和理想因子(n)的值影响。考虑到这些影响因素，根据热离子发射理论，i-v的关系可以用下面公式表示：

其中，v，irs，n，k和t分别为正向偏置电压、二极管串联电阻的压降、理想因子、玻尔兹曼常数和开尔文温度。i0是反向饱和电流，可以从v＝0时lni-v图的直线截距得到，且其可以表示为：

其中，a为结面积，a^*有效理查森常数(n-gan为26.4acm^-2k^-2),φb0为0偏压下的势垒高度，可以表示为：

理想因子n表示实际二极管与理想te理论的偏差，可通过以下关系从半对数曲线图上i-v特性中线性区域的斜率获得，

所以，从图4中可以得到理想因子n和反向饱和电流i0的值，利用(3)式，可以计算出0偏压下的势垒高度φb0，计算得到的值在表1中。从表中可以得到，因为c60层的存在，理想因子n和势垒高度φb0的值增加，反向饱和电流i0减小。n增大原因可能有：ag/c60界面处的界面态密度比ag/p3ht的高，势垒不均匀性影响，存在隧穿效应，ag/c60界面处存在的压降比ag/p3ht的高。从整流比可以分析i-v曲线的整流特性。整流比的值为固定电压(±2v)下正向偏置电流与反向偏置电流的比值且比值分别为1.273×10⁶和1.282×10⁵；

表1由正向偏置i-v特性用不同方法计算二极管参数的实验值

i-v曲线还受其半生电阻——串联电阻rs和并联电阻rsh的影响。并联电阻与p3ht/n-gan界面有关，串联电阻与ag/p3ht或ag/c60界面有关。并联电阻可以由公式在v＝0时得到。串联电阻是欧姆接触的总电阻和为半导体耗尽区的电阻之和。在理想二极管中，串联电阻非常大，达到mω级，串联电阻随着正向偏压的增大而趋向于0。但是，耗尽区载流子的产生和复合、高注入条件和不完善的欧姆接触都会显著影响正向电流。如图4所示，rsh和rs的值可以通过图中的rivsv曲线图来确定。得到rsh和rs的值如表1所示，ri的值几乎相等，但是，实施例1样品的rsh值明显比实施例2样品小很多，原因可能是c60/p3ht界面处存在一个电阻与p3ht/n-gan界面处的电阻形成并联关系，导致整个器件的并联电阻减小。

4、样品电阻(ri)随外加电压的变化曲线如图5所示。图4中，两个样品的正向偏置i-v特性在低正向偏置电压下具有半对数尺度上的线性特性，而在高偏置电压下则是非线性i-v曲线而出现向下弯曲。这一特性导致了正向偏置lni-v图中的两个线性区域，在低偏压区具有高斜率值，而在高偏压区具有较小的斜率值。cheung和cheung提出了另一种方法来计算正向偏置下lni-v曲线非线性区域的rs、φb0和n。根据cheung的函数，考虑正向偏置下，当v＞3kt/q时，二极管存在结电阻，结合热离子发射模型，rs、φb0和n的值可以通过下列公式得到，

h(i)＝irs+nφb(7)

根据(5)和(6)式，可以看到，dv/d(lni)-i和h(i)-i呈线性关系(图6)。因此，rs和n可以由dv/d(lni)-i的斜率与截距确定，φb0可以由h(i)-i的截距来确定。从表1中可以看到，由正向偏置lni-v曲线图确定的n值低于由dv/d(lni)-i曲线图推导的n值。这可能是因为低压区界面态随偏压和串联电阻变化导致的。

4、样品双对数坐标下的i-v曲线见图7，在图7中，三个不同的线性区域代表不同的电荷转移机制。这些区域对于两个样品具有不同的斜率。在这些区域中，电流与电压呈正比，即i∝v^m，m为直线的斜率。由m值可知，样品的主导电流传导机制为陷阱控制的空间电荷限制电流(space-chargelimitedcurrent，sclc)。由m值得变化可知，实施例1样品的电流变化速率要比实施例2快，这说明样品实施例1样品中存在的陷阱能级要比实施例2中少。所以，c60层的存在，可以降低陷阱的数量。

5、综上所述，c60层的存在，会减小有机-无机异质结的反向饱和电流和并联电阻，可以认为c60/p3ht界面处存在一个电阻与p3ht/n-gan界面处的电阻形成并联关系，导致整个器件的并联电阻减小。因为c60层，理想因子和势垒高度增大，其中理想因子的增大是因为ag/c60界面处的界面态密度比ag/p3ht的高，势垒不均匀性影响，存在隧穿效应，ag/c60界面处存在的压降比ag/p3ht的高等因素的影响。不同方法得到的串联电阻的值几乎相等，这说明ag/p3ht和ag/c60界面形成串联电阻不会因为有机层材料的改变而发生较大的改变。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。