CN100428500C - 基于一维半导体纳米结构的光电传感器及其制作方法 - Google Patents

基于一维半导体纳米结构的光电传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的基于一维半导体纳米结构的光电传感器和制作方法，包括：一单晶硅片式基体；依次通过热氧化法生长于单晶硅片式基体表面上的二氧化硅层和采用低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法淀积在二氧化硅层表面上的氮化硅层；二氧化硅层和氮化硅层构成绝缘层；还包括：通过光刻/离子刻蚀法制备于绝缘层表面上的由第一梳式电极和第二梳式电极构成的梳式电极对；电极对的多梳齿端相对放置，之间组装有一维半导体纳米结构；有益效果：微电极对的制作为标准微加工工艺，方法简单；一维半导体纳米结构尺寸小，表面积/体积比大，光电效率高，且简单的电泳组装可实现批量生产；该光电传感器尺寸小，灵敏度高，能用于光检测、光开关等。

Description

基于一维半导体纳米结构的光电传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光电传感器领域，特别涉及一种基于一维半导体纳米结构的光电传感器及其制作方法。
背景技术
光电传感器是现代信息检测技术中的关键部件。如何提高光敏传感结构的感光灵敏度并改善感光单元的性能成为该领域研究的一个主要问题。在光照下，半导体光敏感结构会对入射光进行吸收。入射光在光敏感结构中被吸收后激发产生光生载流子，从而导致电阻产生变化，通过测量该光敏感结构电阻的变化，可以得到光强的变化。
光电传感器的灵敏程度与其敏感薄膜结构表面积/体积比有直接的关系，而传统的光电传感结构受到加工工艺的限制，其敏感结构的表面积/体积比较大，灵敏度很难进一步提高。因而，需要一种有更大大的表面积/体积比的材料作为光敏感结构，以制作得到尺寸较小、灵敏度较高的光敏传感器。一维半导体纳米结构具有了表面积/体积比大的本质优点，可以满足提高光电传感器的灵敏度的要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于一维半导体纳米结构的光电传感器。由于一维半导体纳米结构的特征尺寸在纳米量级，具有了更大的表面积/体积比，能够克服传统光电传感器的缺陷。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的基于一维半导体纳米结构的光电传感器，包括：
一单晶硅片式基体10；
依次通过热氧化法生长于所述单晶硅片式基体10表面上的二氧化硅层21和采用低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法淀积在所述二氧化硅层21表面上的氮化硅层22；所述二氧化硅层21和氮化硅层22构成绝缘层2；
其特征在于，还包括：
通过光刻/离子刻蚀法制备于所述绝缘层2表面上的由第一梳式电极11和第二梳式电极12构成的梳式电极对；所述梳式电极对的多梳齿端相对放置，之间组装有一维半导体纳米结构13；
所述梳式电极对为镉/金、镉/铂、钛/金或钛/铂复合材质的梳式电极对；或为铝或铜材质的梳式电极对；所述一维半导体纳米结构13为氧化锌、氮化锌、氮化镓或硫化镉材质的一维半导体纳米结构。
本发明提供的基于一维半导体纳米结构的光电传感器的制作方法，其制作步骤如下：
(1)通过热氧化法在所述单晶硅片式基体10表面上生长一层二氧化硅层21；再采用低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法在所述二氧化硅层21表面上淀积一层氮化硅层22；所述二氧化硅层21和氮化硅层22构成绝缘层2；
(2)在所述绝缘层2的氮化硅层22表面上覆设一层镉或钛缓冲层，并在所述缓冲层表面上溅射一层金或铂金属层；或者直接在所述绝缘层2的氮化硅层22表面上覆设一层铝或铜金属层；
(3)通过光刻/离子刻蚀法刻蚀所述金属层，制备出由第一梳式电极11和第二梳式电极12构成的梳式电极对；所述梳式电极对的多梳齿端相对放置；
(4)在所述梳式电极对的多梳齿端之间组装一维半导体纳米结构13：用一高频交流信号发生器在所述梳齿式电极对的第一梳式电极11和第二梳式电极12之上施加一个高频交流电压，该高频交流电压频率100kHz-200MHz，峰峰值范围为1～30伏；将取自悬浮有一维半导体纳米材料的纯酒精溶液中的溶液滴加在梳齿式电极对之间，在高频交流电压的作用下，有一根或多根一维半导体纳米结构将吸附在所述梳式电极对的多梳齿端之间，从而完成一维半导体纳米结构13的组装；
所述一维半导体纳米结构13为氧化锌、氮化锌、氮化镓或硫化镉材质的一维半导体纳米带、纳米线或纳米管。
所述一维半导体纳米结构是采用化学气相沉积(CVD)方法生长的。
本发明完成结构制作以后，在所述电极对上加载一个直流电压，测量其回路电流。该回路电流与外界照射光强有直接关系，可以作为一种光电传感器。
本发明的基于一维半导体纳米结构的光电传感器具有如下有益效果：
1)微电极对的制作属于标准微加工工艺，方法简单；
2)一维半导体纳米结构尺寸相比其他半导体光电器件更小，表面积比率更大，光电效率更高；
3)采用了简单的电泳方法，能够实现传感器的批量生产；
4)该光电传感器尺寸小，灵敏度高，能用于光检测、光开关等。
附图说明
图1是在本发明的结构及工作状态示意图；
图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5和图2-6为本发明的制作工艺流程图；
图3是图1的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明光电传感器的制作总体上包括：MEMS工艺过程和一维半导体纳米结构组装过程。MEMS工艺过程主要是在一个单晶硅片式基体上形成梳式电极对；一维半导体纳米结构组装主要是采用电泳方法将一维半导体纳米结构组装到制备好的电极对上。经过以上两个步骤，将得到光电传感器。
在本发明的一个实施例中，经MEMS工艺过程及电泳组装一维半导体纳米结构过程结束后的基于一维半导体纳米结构的光电传感器如图1所示；图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5和图2-6为其制作工艺示意图；图3为图1的俯视图；由图可知，本发明的基于一维半导体纳米结构的光电传感器，包括一个单晶硅片式基体10，该基体10上分布有由第一梳齿电极11和第二梳式电极12构成的梳式电极对，第一梳齿电极11和第二梳式电极12的多梳齿端相对排列；在梳式电极对的多梳齿端之间组装的一维半导体纳米结构13，所述一维半导体纳米结构13是经过电泳方法组装上去的，该一维半导体纳米结构13的材质可以是氧化锌、氮化锌、氮化镓或硫化镉，它在形式上可以是纳米管、纳米带或纳米线，在本实施例中将以氧化锌纳米带作为实例进行说明。
如图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5和图2-6所示：按工艺顺序详细图示出本发明中完整加工工艺过程的一个实施例，包括下述步骤1)～6)，这些步骤标号1)～6)与如图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5和图2-6一一对应。具体如下：
1)提供一单晶硅片基体10，本实施例以5寸硅片为例；
2)采用热氧化法在硅基体上表面生长一层二氧化硅(SiO2)层21，厚度在
Figure C20061000099500071
左右；
采用低压化学气相沉积法(LPCVD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)淀积一层氮化硅(Si3N4)层22，厚度在左右；步骤2)和步骤3)中得到的二氧化硅层21和氮化硅层22构成绝缘层2；
4)在氮化硅层22上溅射金属层，如金(Au)层或铂(Pt)层；金属层和氮化硅层22之间还有一薄缓冲层，如镉(Cr)层或钛(Ti)层；所述金属层和缓冲层形成复合金属层；如镉/金、镉/铂、钛/金或钛/铂复合金属层；本实施例的复合金属层为镉/金复合金属层，其厚度为
Figure C20061000099500073
其它如镉/铂、钛/金或钛/铂复合金属层均可；
也可以在氮化硅层22上直接溅射铝或铜金属层，
5)通过光刻/离子刻蚀(RIE)图形化所述复合金属层，形成图1中的梳式电极对；
6)将已经制备好的一维半导体氧化锌纳米带放入一纯酒精溶液中，经过超声分散，形成具有纳米一维氧化锌纳米材料的酒精悬浮液；将一高频交流信号发生器在梳齿式电极对的第一梳式电极11和第二梳式电极12之上施加一个高频交流电压，该高频交流电压的频率为100kHz(可以根据需要而定，为100MHz、200MHz，只要在100kHz-200MHz之间均可)峰值范围为10伏(可以根据需要而定，为1伏、20伏或30伏，只要在1伏-30伏之间均可)；把数滴悬浮有多根氧化锌纳米带的酒精溶液滴在梳齿式电极对之间，在交流高频电压的作用下，将有一根或多根氧化锌纳米带吸附在所述梳式电极对的多梳齿端上，从而完成一维半导体氧化锌纳米带的组装；
本实施例使用的是一维半导体氧化锌纳米带，当然使用氮化锌、氮化镓或硫化镉材质的一维半导体纳米带、纳米线或纳米管均可。
在本发明的光电传感器制作完毕后，将它集成到测试电路中，即可作为光电传感器使用；如图1所示。其光电传感器的测试电路包括一个直流稳压电源电路31和一个弱电流测量电路32，它们和所述一维半导体纳米结构及梳式电极对形成一个测量回路。直流稳压电源电路31输出一个电压施加在弱电流测量电路32的一个梳式电极对上，通过一维半导体纳米结构13、第一梳式电极12和弱电流测量电路32的另一电极上，形成了电流回路，弱电流测量电路32能够准确测量得到回路的电流。照射光强的变化能够导致一维半导体纳米结构13的电阻产生很大的变化，从而回路电流也产生很大变化，因此该电流的变化反映了外界光强的变化。

Claims (2)

1、一种基于一维半导体纳米结构的光电传感器，包括：
一单晶硅片式基体(10)；
依次通过热氧化法生长于所述单晶硅片式基体(10)表面上的二氧化硅层(21)和采用低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法淀积在所述二氧化硅层(21)表面上的氮化硅层(22)；所述二氧化硅层(21)和氮化硅层(22)构成绝缘层(2)；
其特征在于，还包括：
通过光刻/离子刻蚀法制备于所述绝缘层(2)表面上的由第一梳式电极(11)和第二梳式电极(12)构成的梳式电极对；所述梳式电极对的多梳齿端相对放置，之间组装有一维半导体纳米结构(13)；
所述梳式电极对为镉/金、镉/铂、钛/金或钛/铂复合材质的梳式电极对；或为铝或铜材质的梳式电极对；所述一维半导体纳米结构(13)为氧化锌、氮化锌、氮化镓或硫化镉材质的一维半导体纳米带、纳米线或纳米管。
2、一种权利要求1所述基于一维半导体纳米材结构的光电传感器的制作方法，其步骤如下：
一、通过热氧化法在所述单晶硅片式基体(10)表面上生长一层二氧化硅层(21)；
再采用低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法在所述二氧化硅层(21)表面上淀积一层氮化硅层(22)；所述二氧化硅层(21)和氮化硅层(22)构成绝缘层(2)；
二、在所述绝缘层(2)的氮化硅层(22)表面上覆设一层镉或钛缓冲层，并在所述缓冲层表面上溅射一层金或铂金属层；或者直接在所述绝缘层(2)的氮化硅层(22)表面上覆设一层铝或铜金属层；
三、通过光刻/离子刻蚀法刻蚀所述金属层，制备出由第一梳式电极(11)和第二梳式电极(12)构成的梳式电极对；所述梳式电极对的多梳齿端相对放置；
四、在所述梳式电极对的多梳齿端之间组装一维半导体纳米结构(13)：
用一高频交流信号发生器在所述梳齿式电极对的第一梳式电极(11)和第二梳式电极(12)之上施加一个高频交流电压，该高频交流电压频率100kHz-200MHz，峰峰值范围为1～30伏；
将取自悬浮有一维半导体纳米材料的纯酒精溶液中的溶液滴加在梳齿式电极对之间，在高频交流电压的作用下，有一根或多根一维半导体纳米结构将吸附在所述梳式电极对的多梳齿端之间，从而完成一维半导体纳米结构(13)的组装；
所述一维半导体纳米结构(13)为氧化锌、氮化锌、氮化镓或硫化镉材质的一维半导体纳米带、纳米线或纳米管。
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