CN101562209B - 基于可见光范围的半导体纳米线的光传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于可见光范围的半导体纳米线的光传感器及其制造方法。基于半导体纳米线的光传感器包括：衬底，至少所述衬底的顶表面由绝缘体形成；两个电极，在衬底上以预定的间隔彼此间隔开；金属催化剂层，分别设置在两个电极上；以及可见光范围的半导体纳米线，从两个电极上的金属催化剂层生长出来。当分别从两个电极上的金属催化剂层生长的半导体纳米线在衬底上方的两个电极之间浮置时，从金属催化剂层中的一个生长的半导体纳米线与从另一个金属催化剂层生长的半导体纳米线接触。

Description

基于可见光范围的半导体纳米线的光传感器及其制造方法
相关申请的交叉引用
本发明要求2008年4月17号在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.2008-35505的优先权，其内容通过参考被并入本文。
技术领域
本发明涉及基于半导体纳米线的光传感器，并且更具体地，涉及具有高灵敏度和快速响应时间的光传感器以及制造该光传感器的方法，该光传感器使用对可见光范围的光敏感的半导体纳米线作为光敏材料，该半导体纳米线浮置在两个电极之间。
背景技术
由于一维纳米线的新特征和功能，诸如纳米单元的维度、量子限域效应、高单结晶度、自组装、内应力减小效应以及高的表面面积与体积的比(在传统体材料中可能不被发现)，作为给电子器件提供多种可能的潜在材料，一维纳米线已经受到广泛关注。具有与碳纳米管相似的形状的一维纳米线具有良好的光电特性，并且对于纳米线来说多种成分的合成是可能的。通过掺杂，能够轻易地控制纳米线的半导体物理性能和光电特性。因此，在世界范围内已经广泛地研究纳米线的合成、改进和器件实现。与传统薄膜的基于光刻处理的自顶而下的制造相比，能够利用自底向上的方法来合成控制良好的一维纳米结构，从而实现高度集成的器件，并且呈现出新概念器件的可能性。
最近报道了应用到多种器件的半导体纳米线，诸如激光器件、场效应晶体管(FET)、逻辑门和化学/生物光传感器。尤其，通过使用半导体纳米线良好的晶体性能和光电特性，已经研究了多种纳米光电器件，诸如半导体纳米线激光器、光传感器和光波导，并且相关研究也处于进展中，以实现纳米光电系统。基于诸如系统上封装(SOP)和微机电系统(MEMS)之类的制造技术，目前正在开发将半导体纳米线用作光源、信号传输介质和检测器的一系列技术。尤其，已经报道关于将半导体纳米线应用到光传感器的研究。在诸如SOP、系统内封装(SIP)和MEMS之类的多功能制造技术中，可能需要在从紫外线到近红外线的波长范围内操作的光传感器、光开关和光耦合器。期望的是，可以有效地利用具有良好的灵敏度和响应时间的基于纳米线的光传感器。
为了实现基于具有高灵敏度光电特性和准确控制的光学特性的半导体纳米结构的光传感器，需要宽带半导体纳米结构的合成和组成设计技术作为支持。因为硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)和其固溶体具有从大约1.7eV(730nm)到大约2.4eV(506nm)的可见光范围的带隙，所以它们对于开发光电器件具有很多优点，并且能够通过相对简单的处理来合成。因此，对于用于光电器件的纳米结构，它们可能是有前途的材料。另外，当混合CdS和CdSe两种材料以形成单一的化合的固溶体时，该固溶体的能带隙可以根据成分变化而改变，其中CdS和CdSe两种材料中的每一种材料都是双成分系统。因此，该固溶体可以被有效地用于光学地响应于不同范围的可见光谱。
然而，为了实现这种基于纳米线的光传感器器件，高成本且耗时的电子束光刻技术被常规地用于转印图案，以电接触到纳米线。另外，在接触到个体纳米线之前，需要复杂的处理，包括与衬底的分离、在适当的溶剂中的扩散以及纳米线的对准。由于在制造处理中的这些困难，不能在大规模生产条件下以批量制造的方法大规模地制造许多基于纳米线的光传感器器件。由此，目前使用纳米线的光传感器器件和产品不能开发用于实际使用。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种基于可见光范围的半导体纳米线的光传感器，该光传感器具有良好的感光灵敏度和快速响应/恢复时间，该光传感器很容易以批量制造的方法大规模地制造。
本发明的另一个方面提供了一种制造基于可见光范围的半导体纳米线的光传感器的方法，通过如下所述，该方法可以容易地应用到晶片规模(wafer-scale)的半导体制造处理，即，通过将半导体纳米线直接合成在光传感器的图案化电极上，而没有诸如纳米线的扩散和对准的后续处理，从而简化了光传感器的制造处理，并且降低了制造成本。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于半导体纳米线的光传感器，包括：衬底，具有由绝缘体形成的顶表面；两个电极，在所述衬底上以预定的间隔彼此间隔开；金属催化剂层，分别设置在所述两个电极上；以及可见光范围的半导体纳米线，从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长出来，其中，当分别从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长出的所述可见光范围的半导体纳米线在所述衬底上方的所述两个电极之间浮置时，从所述金属催化剂层中的一个生长出的所述可见光范围的半导体纳米线与从另一个所述金属催化剂层生长出的所述可见光范围的半导体纳米线相接触。
分别从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长出的所述可见光范围的半导体纳米线具有如下的网状结构，其中，所述可见光范围的半导体纳米线当在所述两个电极之间浮置时交织在一起并且彼此相接触。
所述纳米线由从CdSxSe1-x(0≤x≤1)和ZnSxSe1-x(0≤x≤1)组成的组中选择的半导体材料形成。
所述两个电极中的每个可以是铂电极。所述铂电极的厚度可在3000
Figure G2009101321051D00031
到8000
Figure G2009101321051D00032
范围内变化，并且所述两个铂电极之间的间隔可在5μm到20μm范围内变化。在所述铂电极和所述衬底之间可进一步包括钛层。所述金属催化剂层中的每个可以是金(Au)催化剂层。所述金催化剂层的厚度可以在20
Figure G2009101321051D00041
到100
Figure G2009101321051D00042
范围内变化。所述绝缘体可以是从SiO2、AlN、Si3N4和TiO2组成的组中选择的至少一个。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于制造基于半导体纳米线的光传感器的方法，该方法包括：在衬底上形成两个电极，所述两个电极以预定的间隔彼此间隔开；在所述两个电极中的每一个上形成金属催化剂层；以及从所述两个电极中的每一个上的所述金属催化剂层生长可见光范围的半导体纳米线，其中，生长所述半导体纳米线，使得当分别从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长的所述半导体纳米线在所述衬底上方的所述两个电极之间浮置时，从所述金属催化剂层中的一个生长的所述半导体纳米线与从另一个所述金属催化剂层生长的所述半导体纳米线接触。
生长所述可见光范围的半导体纳米线，使得分别从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长的所述可见光范围的半导体纳米线具有如下的网状结构，其中，所述可见光范围的半导体纳米线当在所述两个电极之间浮置时交织在一起并且彼此接触。所述纳米线可以由从CdSxSe1-x(0≤x≤1)和ZnSxSe1-x(0≤x≤1)组成的组中选择的半导体材料形成。
在形成所述两个电极的步骤中，所述两个电极中的每个都可由铂形成。所述电极的厚度可在3000
Figure G2009101321051D00043
到8000
Figure G2009101321051D00044
范围内变化，并且所述两个电极之间的间隔可在5μm到20μm的范围内变化。所述金属催化剂层可以由金形成。金的金属催化剂层的厚度可在20
Figure G2009101321051D00045
到100
Figure G2009101321051D00046
的范围内变化。
生长所述可见光范围的半导体纳米线的步骤可包括：将所述衬底设置在用于合成纳米线的反应器中；以20℃/分钟～40℃/分钟的加热速率(温度增加的速率)，将所述反应器中的温度增加到400℃到600℃的反应温度；以及通过脉冲激光沉积，合成在所述金属催化剂层上的CdSxSe1-x(0≤x≤1)或ZnSxSe1-x(0≤x≤1)的半导体纳米线，同时，在反应温度下，以50sccm到200sccm将包括氢气和氩气的运载气体提供给所述衬底，并持续5分钟到30分钟。
所述方法可以被应用到晶片规模的半导体处理，以批量制造很多光传感器器件。在形成所述电极的步骤中，多对电极可形成在晶片上，每对电极包括所述两个电极。然后，在所述晶片上的所述多对电极上执行形成所述金属催化剂层和生长所述半导体纳米线的步骤，以在所述晶片上制造多个光传感器器件。接着将多个制造的光传感器器件分离成各个单元器件。
附图说明
根据下面结合附图的具体描述，本发明的上述和其他方面、特征以及其他优点将会更加清楚理解，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的基于半导体纳米线的光传感器的示意性透视图；
图2A到2C是示出图1的基于半导体纳米线的光传感器的制造处理的横截面图；
图3A是示出根据本发明的实施例的基于半导体纳米线的光传感器的CdS纳米线的SEM(扫描电子显微镜)照片；
图3B是示出CdS纳米线的TEM(透射电子显微镜)照片；
图3C是示出CdSxSe1-x(0≤x≤1)纳米线的X射线衍射分析图案的曲线图；
图3D是示出CdSxSe1-x纳米线的室温PL(光致发光)光谱的曲线图；
图4A和4B是示出在以预定的间隔彼此间隔开的两个电极上生长的CdS-CaSe固溶体纳米线的SEM照片，图4A是从上面倾斜地看的照片，而图4B是从上面垂直地看的照片；
图5示出根据本发明的实施例的光传感器的CdSxSe1-x纳米线的光电流响应度曲线，利用无臭氧的氙气光源来进行测量；
图6示出根据本发明的实施例的光传感器的CdS纳米线的动态电流行为，利用大约2.48eV的光间歇地和周期性地照射CdS纳米线而获得的；
图7是示出根据本发明的实施例的光传感器的ZnSxSe1-x纳米线的X射线衍射分析图案的曲线图；
图8是示出根据ZnSxSe1-x纳米线的组成x的带隙能量的曲线图；
图9是示出ZnSxSe1-x纳米线的室温PL光谱的曲线图；以及
图10A到10D是示出根据本发明的实施例的多个晶片级的基于半导体纳米线的光传感器的制造处理的横截面图。
具体实施方式
与现有技术的场效应晶体管(FET)型光传感器结构或其制造方法不同，在没有诸如纳米线的扩散和对准之类的处理的情况下，通过在彼此间隔开的两个电极上生长纳米线，使得在各个电极上生长的纳米线在从底部(衬底)向上浮置的位置彼此接触，并且连接在两个电极之间，本发明人已经制造了基于半导体纳米线的光传感器。根据本发明人制造的基于纳米线的光传感器，能够克服现有技术中FET型基于纳米线的光传感器的各种缺陷。在现有技术的FET型基于纳米线的光传感器中，接触相邻电极之间的纳米线的衬底阻碍了流经纳米线的光电流，而增加了它的电阻。然而，由本发明人制造的基于纳米线的光传感器可以解决这种局限性。另外，确认的是，与具有体或薄膜型的传感材料的光传感器相比，由本发明人提出的基于半导体纳米线的光传感器具有更加良好的光传感器特性，本发明人提出的所述光传感器具有三维结构，其中，可见光范围的半导体纳米线(例如，CdS-CdSe或ZnS-ZnSe固溶体纳米线)被浮置以彼此连接。
在下文中，将参考附图，具体地描述本发明的示例性实施例。然而，可以以多种其他形式修改本发明的示例性实施例，并且本发明的范围不限于以下描述的下列实施例。
图1是根据本发明的实施例的基于半导体纳米线的光传感器的示意性透视图。参考图1，光传感器100包括衬底10和设置在其上的电极30。两个电极30以预定的距离彼此间隔开，并且可以由铂形成。钛层20可以利用与铂电极30相同的图案形成在铂电极30和衬底10之间。钛层20用作粘附层，以用于衬底10和铂电极30之间的平滑附着。衬底10可以是绝缘体，或者至少衬底10的上表面可以是绝缘体，以便使两个电极30彼此绝缘。例如，衬底10可以包括其上形成绝缘层的硅半导体衬底。绝缘体可以是SiO2、AlN、Si3N4或TiO2。
当铂电极被用作电极30时，铂电极30的厚度可在大约3000
Figure G2009101321051D00071
到大约8000的范围内变化，并且在两铂电极30之间的间隔可在大约5μm到大约20μm的范围内变化。金属催化剂层40形成在每一铂电极30的顶表面的至少一部分上，并且可见光范围的半导体纳米线50设置在金属催化剂层40上。这些半导体纳米线50选择性地只生长在其中设置有金属催化剂层40的区域上。金(Au)和镍(Ni)可以被用作金属催化剂层40，并且特别是，金催化剂层可以用于半导体纳米线生长。金催化剂层可以具有大约20
Figure G2009101321051D00073
到大约100的厚度。可见光范围半导体纳米线50可以由硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)和其固溶体(CdSxSe1-x(0＜x＜1))形成。可选择地，半导体纳米线50可以包括硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)和其固溶体(CdSxSe1-x)中的至少两种材料。除了其固溶体CdSxSe1-x(0≤x≤1)的半导体材料之外，ZnSxSe1-x(0≤x≤1)的半导体材料可以用作半导体纳米线50的材料。根据组成比x，CdSxSe1-x(0≤x≤1)或ZnSxSe1-x(0≤x≤1)的半导体纳米线50的能带隙分别在大约1.74eV到大约2.45eV范围内变化(大约506nm到大约713nm)或者在大约2.65eV到大约3.28eV范围内变化(大约378nm到大约468nm)，这对应于可见光范围和一部分紫外线。
在两个电极30之间的半导体纳米线50被浮置并且与衬底10间隔开时，分别从两个电极30上的两个金属催化剂层40生长出的半导体纳米线50彼此接触且连接。例如，如图1所示，从左边的铂电极30上的金催化剂层40生长出的半导体纳米线50以线形延伸，且从右边的铂电极30的金催化剂层40生长出的半导体纳米线50以线形延伸。从两侧生长的半导体纳米线50交织在一起，并且以网状结构，即网形状(参考图4)在空中彼此接触。通过一一对应的关系，从一个铂电极30上的金催化剂层40生长出的半导体纳米线50可以连接或接触到从另一个铂电极30上的金催化剂层40生长出的半导体纳米线50。另外，从两个催化剂层40中的一个生长出的一条长半导体纳米线50可以连接或接触到从另一个催化剂层40生长出的多个半导体纳米线50。为了将电信号传送到每一铂电极30，诸如导电线路、导电图案或导线的导电结构(未示出)可以连接到每一铂电极30。
通过使用上述纳米线结构，可以有效地解决下述不满意的情形，在上述纳米线结构中，半导体纳米线直接从传感器电极生长并且在衬底上方的两个电极之间浮置时彼此接触，在所述不满意的情形中，由于在两个电极之间在衬底上形成了薄的非晶态薄层，而降低了电信号传输的可靠性和传感器的灵敏度(即，底层效应)。
在下文中，将通过优选实施例描述制造基于半导体纳米线的光传感器的方法。根据本发明的一个方面的制造基于半导体纳米线的光传感器的方法主要包括形成光传感器的电极结构(参见图2A和2B)以及在电极结构上生长CdSxSe1-x(0≤x≤1)或ZnSxSe1-x(0≤x≤1)的可见光范围的半导体纳米线(参见图2C)。生长半导体纳米线，使得在各个电极上生长的纳米线当在衬底上方的两个电极之间被浮置时彼此接触。在生长半导体纳米线之前，诸如金(Au)的金属催化剂层40形成在每一电极30上(参见图2B)。在通过生长半导体纳米线而制造光传感器器件之后，对于制造的光传感器，测量根据波长的光灵敏度。
制造基于半导体纳米线的光传感器的该方法可以被应用到晶片规模的半导体处理，以批量制造多个器件。参考图10A到图10D，在电极30的形成的步骤中，多对电极30(一对包括两个电极30)形成在晶片衬底10’上。然后，在多对电极30上按照晶片单元执行上述形成金催化剂层40和形成CdSxSe1-x(0≤x≤1)或ZnSxSe1-x(0≤x≤1)的可见光范围的半导体纳米线50的步骤。在那之后，如图10D所示，在晶片上制造的多个器件能够被分割或分离成各个器件。例如，在晶片的器件区域的边界L处，晶片衬底被切割或蚀刻，从而可以对每个器件执行分离处理。因此，能够实现基于半导体纳米线的光传感器的晶片级大规模生产。
实例
[制造基于纳米线的光传感器的电极]
有效的是，使用金催化剂层，从而在电极之间整体地布置半导体纳米线，而没有在每一半导体纳米线上执行单独的光刻，所述电极周期性地形成在晶片上。在CdS-CdSe固溶体纳米线的情形下，当用于半导体纳米线生长的金催化剂层形成有大约20
Figure G2009101321051D00091
到大约100
Figure G2009101321051D00092
的厚度时，半导体纳米线只形成在其中金催化剂层存在的区域。
首先，如图2A所示，大约50nm厚的钛层20和铂层30形成在诸如硅衬底的衬底10上，至少该衬底10的顶表面由绝缘体形成(例如，SiO2、AlN、Si3N4或TiO2)。如图2B所示，通过诸如光刻和剥离(lift-off)之类的处理，形成铂电极30的图案。铂电极30的厚度在近似为3000
Figure G2009101321051D00093
到8000
Figure G2009101321051D00094
的范围内变化，并且铂电极30彼此间隔开，间隔范围近似为5μm到50μm。优选地，两个电极30之间的间隔近似在5μm和20μm之间。如果间隔小于大约5μm，则难以形成两个各自分离的电极，而如果间隔大于约20μm，则难以通过光传送电信号，因为在两个电极30上生长的纳米线彼此间隔开。
通过将金催化剂层40形成在每一铂电极30的至少一部分上，如果可能，形成在两铂电极30彼此相邻的各自特定的区域上，可以有效地制造纳米线50。在这种情形下，由于形成在每一电极30和CdSxSe1-x(0≤x≤1)的纳米线50之间的非晶态薄层而引起的电信号传输性能的劣化(即，底层效应)可以被防止。因此，可以有效地实现对光的良好的响应特性。通过离子溅射处理，金催化剂层40形成具有近似20
Figure G2009101321051D00101
到50
Figure G2009101321051D00102
的厚度。
随着上述电极的形成，也可以形成连接到每一铂电极30的导电结构(未示出)，诸如导电线路、导电图案和导线，以用于到每一电极30的电信号传输。
[制造浮置在制成的电极之上的CdSxSe1-x(0≤x≤1)的纳米线]
CdS、CdSe和CdS-CdSe固溶体的半导体线50的生长采用脉冲激光沉积(PLD)方法。在PLD方法中，当利用高强度的激光束照射靶表面时，靶材料经由液体和蒸汽的形式立即变成等离子体状态。因为通过PLD方法形成的气态等离子体具有与靶相同的组成，所以，在以PLD方法制造复合的多成分系统材料的情形下，组成设计相对容易。对于制造诸如CdS-Se和ZnS-Se的复合的三成分系统化合物的固溶体纳米线，具有这种优点的PLD方法是有优势的。
在下述情形下，通过PLD方法制造半导体纳米线50，其中，KrF气体用作激光生成源，以采用受激准分子激光器生成大约248nm波长的紫外线束，激光重复频率和能量密度分别近似为5Hz和5J/cm2。
作为在用于制造CdS-CdSe固溶体纳米线、CdS纳米线和CdSe纳米线的PLD方法中使用的激光靶，通过固相合成制造包括CdS、CdSe和三种固溶体(CdS0.75Se0.25、CdS0.50Se0.50、CdS0.25Se0.75)的五种不同类型的靶，所述固相合成是典型的陶器制造处理。通过如下所述而制造CdSxSe1-x(x＝0，0.25，0.50，0.75，1)的靶：基于每一组成比测量CdS和CdSe粉末；利用乙醇作为溶剂湿混合所述粉末；干燥混合物；以柱状形状使经干燥的混合物成型；以及然后烧结成型的物体。
关于制造CdSxSe1-x纳米线，在将经烧结的靶定位于PLD反应器的中间之后，制造的电极图案(包括形成在铂电极上的金催化剂层)被设置在靶的前面。在以20℃/分钟至40℃/分钟、优选以大约30℃/分钟的加热速率，将反应器中的温度增加到大约400℃至600℃、优选增加到大约500℃的反应温度之后，提供50sccm至200sccm、优选大约100sccm混有大约5％氢气的氩气，并持续5～30分钟、优选大约10分钟，同时以PLD方法从催化剂层生长或合成半导体纳米线。在纳米线的合成期间，利用旋转式泵，在PLD反应器中的总压力保持在大约2托。
图3A是示出在PLD反应器的中间在大约500℃的温度下制造的CdS纳米线的SEM照片。如图3A的右上部所示，在制造的纳米线的端部观察到由金催化剂和CdS的合金形成的尖端。一维纳米线可以利用催化剂来制造，并且可以通过汽-液-固(VLS)处理来生长。用于纳米线的源材料与催化剂反应，从而在纳米线的尖端部分形成共晶的合金。
图3B是示出制造的CdS纳米线的TEM照片。通过快速傅立叶变换(FFT)衍射图像，确认的是，纳米线的长度方向是[002]方向(晶体学方向，即，图3B中箭头所示的生长方向)。通过高分辨率晶格图，确认是，可以制造没有晶格缺陷的单晶纳米线。
图3C示出CdSxSe1-x(0≤x≤1)纳米线的X射线衍射分析图案。确认的是，不管组成比(即，x值)的变化如何，CdSxSe1-x固溶体纳米线具有六方晶相位，并且是没有CdS和CdSe的相位分离的完全固溶体。当x值增加时，衍射峰向较高的衍射角度移动。CdSxSe1-x纳米线的单元晶胞的晶格常数和体积是由六边形结构的CdS的晶格常数(a＝0.412nm，c＝0.668nm)和六边形结构的CdSe的晶格常数(a＝0.430nm，c＝0.701nm)之间的差导致的结果，并且这可以验证CdSxSe1-x固溶体纳米线是完全化合的固溶体。
图3D示出制造的CdSxSe1-x纳米线的室温光致发光的光谱。在CdSxSe1-x纳米线中，根据x值，在1.74eV(x＝0)，1.95eV(x＝0.25)，2.11eV(x＝0.50)，2.26eV(x＝0.75)和2.45eV(x＝1)处观察到强的近带发射(near band emission)(NBE)峰。NBE峰对应各个材料的能带隙。确认的是，根据CdSxSe1-x纳米线的x值的变化，可以在从大约1.74eV到大约2.45eV的范围内调节能带隙。
图4A和4B是示出在电极图案上制造的CdS-CaSe固溶体纳米线的SEM照片。图4A示出当从上面以30°倾斜地看时的纳米线，所述纳米线从各个电极图案(在附图中的左电极图案和右电极图案)生长，且当浮置在衬底上方时在电极图案之间彼此接触。图4B是从上面垂直地看的纳米线的平面图。观察到，从以预定的间隔彼此间隔开的两个电极图案生长的纳米线当在两个电极图案之间的衬底上方浮置时彼此连接或者交织在一起，以形成网状结构。
[CdSxSe1-x(0≤x≤1)纳米线根据波长变化的光响应度评估]
在利用从光源分离出的特定波长的光照射CdSxSe1-x纳米线的同时，已经测量基于CdSxSe1-x纳米线的光传感器的光电流值的改变。光响应度测量系统利用无臭氧的氙气光源，并且将从光源发射的光的波长分离，以通过滤波器和透镜将分离的光引向光传感器器件。然后，光响应度测量系统测量基于纳米线的光传感器的光电流值的改变。
图5示出利用无臭氧的氙气光源在从大约1.55eV到大约2.76eV(从大约450nm到大约800nm)的能量范围测量的CdSxSe1-x纳米线的光电流响应度曲线。通过在将大约5V施加到基于纳米线的光传感器器件的同时测量光电流值的改变，获得图5的光电流响应度曲线。CdSxSe1-x纳米线的响应度在特定的能量呈现出光电流的剧烈减小。测量得到的是，呈现出剧烈改变的CdSxSe1-x(x＝0，0.25，0.50，0.75，1)的纳米线的光响应能量分别是大约1.74eV(x＝0)，大约1.95eV(x＝0.25)，大约2.11eV(x＝0.50)，大约2.26eV(x＝0.75)和大约2.45eV(x＝1)。这些结果对应于从在室温测量的光致发光光谱(参考图3D)推算的能带隙。
图6示出由于CdS纳米线的开/关而引起的动态电流行为，特定能量(大约2.48eV)的光被间歇地或周期性地投射到该CdS纳米线。根据CdS纳米线是否被特定能量的光照射，在大约5V的施加电压处，CdS纳米线的光响应度显示出将近100倍的差异。这说明在特定能量处基于CdS纳米线的光传感器以非常高的灵敏度操作。
[制造基于ZnSxSe1-x(0≤x≤1)纳米线的光传感器]
与上述制造基于CdSxSe1-x(0≤x≤1)纳米线的光传感器的方法相似，制造基于ZnSxSe1-x(0≤x≤1)纳米线的光传感器。像之前的实施例一样，铂电极的电极结构和金催化剂层形成在衬底上。然后，代替CdS和CdSe粉末，将ZnS、ZnSe粉末用作纳米线的原材料，通过PLD方法，制造ZnS、ZnSe和其三种固溶体(即，ZnS、ZnS0.75Se0.25、ZnS0.50Se0.50、ZnS0.25Se0.75、ZnSe)的纳米线。从两个各自的电极图案生长的ZnSxSe1-x纳米结构当在衬底上方的两个电极之间浮置时彼此连接。
图7是示出制造的ZnSxSe1-x纳米线的X射线衍射分析图案的曲线图。参考图7，确认的是，不管组成比(即，x值)的变化如何，ZnSxSe1-x固溶体纳米线具有六方晶相位，并且是没有ZnS和ZnSe的相位分离的完全固溶体。
图8是示出根据ZnSxSe1-x纳米线的组成x的带隙能量的曲线图。图9是示出ZnSxSe1-x纳米线的室温光致发光光谱的曲线图。在ZnSxSe1-x纳米线中，根据组成x，在大约2.65eV(x＝0)，大约2.80eV(x＝0.25)，大约2.95eV(x＝0.50)，大约3.10eV(x＝0.75)和大约3.28eV(x＝1)观察到强的NBE峰。NBE峰对应ZnSxSe1-x的能带隙，并且根据ZnSxSe1-x纳米线的x值变化，ZnSxSe1-x纳米线的能带隙可以在从大约2.65eV到大约3.28eV的范围内变化。因此，在大约2.65eV(x＝0)，大约2.80eV(x＝0.25)，大约2.95eV(x＝0.50)，大约3.10eV(x＝0.75)和大约3.28eV(x＝1)的光能量处，基于ZnSxSe1-x(x＝0，0.25，0.50，0.75，1)纳米线的光传感器呈现出剧烈的光电流值的变化。
本发明的实施例提供一种基于可见光范围的半导体纳米线的光传感器，该光传感器具有良好的光灵敏度以及快速响应和恢复时间。根据基于纳米线的光传感器结构和用于制造该传感器的方法，在没有诸如合成的纳米线的扩散和对准的后续处理的情况下，在电极上制造纳米线，从而简化了制造处理，并且降低了制造成本。因此，这可以有效地应用到半导体制造处理中。此外，因为根据本发明的实施例的基于纳米线的光传感器可以覆盖全部可见光范围频带作为响应频带，所以它能够被用作多种纳米光电器件，诸如光传感器、光开关、光耦合器等，它们都可以在宽广的应用领域中操作。
尽管已经结合示例性实施例说明和描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，在没有脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出改进和变化。

Claims (18)

1.一种基于半导体纳米线的光传感器，包括：
衬底，具有由绝缘体形成的顶表面；
两个电极，在所述衬底上以预定的间隔彼此间隔开；
金属催化剂层，分别设置在所述两个电极上；以及
多个可见光范围的半导体纳米线，从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长出来，其中所述可见光范围的半导体纳米线的能带隙在可见光范围内，
其中，在分别从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长的所述可见光范围的半导体纳米线在所述衬底上方的所述两个电极之间被浮置时，从所述金属催化剂层中的一个生长出的所述可见光范围的半导体纳米线与从另一个所述金属催化剂层生长出的所述可见光范围的半导体纳米线接触。
2.根据权利要求1所述的基于半导体纳米线的光传感器，其中，分别从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长出的所述可见光范围的半导体纳米线具有如下的网状结构，其中，所述可见光范围的半导体纳米线当在所述两个电极之间浮置时交织在一起且彼此接触。
3.根据权利要求1所述的基于半导体纳米线的光传感器，其中，所述纳米线由从CdSxSe1-x和ZnSxSe1-x构成的组中选择的半导体材料形成，其中化学式中的x的范围是0≤x≤1。
4.根据权利要求1所述的基于半导体纳米线的光传感器，其中，所述两个电极中的每个都是铂电极。
5.根据权利要求4所述的基于半导体纳米线的光传感器，其中，所述铂电极的厚度范围为
Figure FSB00000408875000011
到
Figure FSB00000408875000012
并且两个铂电极之间的间隔范围为5μm到20μm。
6.根据权利要求4所述的基于半导体纳米线的光传感器，在所述铂电极和所述衬底之间进一步包括钛层。
7.根据权利要求1所述的基于半导体纳米线的光传感器，其中，所述金属催化剂层中的每个都是金(Au)催化剂层。
8.根据权利要求7所述的基于半导体纳米线的光传感器，其中，所述金催化剂层的厚度范围为
Figure FSB00000408875000021
到
Figure FSB00000408875000022
9.根据权利要求1所述的基于半导体纳米线的光传感器，其中，所述绝缘体是从SiO2、AlN、Si3N4和TiO2组成的组中选择的至少一个。
10.一种用于制造基于半导体纳米线的光传感器的方法，所述方法包括：
在衬底上形成两个电极，所述两个电极以预定的间隔彼此间隔开；
在所述两个电极中的每个上形成金属催化剂层；以及
从所述两个电极中的每个上的所述金属催化剂层生长可见光范围的半导体纳米线，其中所述可见光范围的半导体纳米线的能带隙在可见光范围内，
其中，生长所述可见光范围的半导体纳米线，使得在分别从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长出的所述可见光范围的半导体纳米线在所述衬底上方的所述两个电极之间被浮置时，从所述金属催化剂层中的一个生长出的所述可见光范围的半导体纳米线与从另一个所述金属催化剂层生长出的所述可见光范围的半导体纳米线接触。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，分别从所述两个电极上的所述金属催化剂层生长出的所述可见光范围的半导体纳米线具有如下的网状结构，其中，所述半导体纳米线当在所述两个电极之间浮置时交织在一起且彼此接触。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述纳米线由从CdSxSe1-x和ZnSxSe1-x构成的组中选择的半导体材料形成，其中化学式中的x的范围是0≤x≤1。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述两个电极中的每个都由铂形成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电极的厚度范围为
Figure FSB00000408875000031
到
Figure FSB00000408875000032
并且所述两个电极之间的间隔范围为5μm到20μm。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属催化剂层由金形成。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述金属催化剂层的厚度范围为
Figure FSB00000408875000033
到
Figure FSB00000408875000034
17.根据权利要求10所述的方法，其中，生长所述可见光范围的半导体纳米线的步骤包括：
将所述衬底设置在用于纳米线合成的反应器中；
以20℃/分钟至40℃/分钟的加热速率，将所述反应器中的温度增加到400℃到600℃的反应温度；以及
通过脉冲激光沉积，在所述金属催化剂层上合成CdSxSe1-x或ZnSxSe1-x的半导体纳米线，其中化学式中的x的范围是0≤x≤1，同时在所述反应温度下，以50sccm到200sccm将包括氢气和氩气的运载气体提供给所述衬底，并持续5分钟到30分钟。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，在形成所述电极的步骤中，多对电极形成在晶片上，每对电极都包括以预定的间隔隔开的两个电极，
在所述晶片上的所述多对电极上执行形成所述金属催化剂层和生长所述半导体纳米线的步骤，以在所述晶片上制造多个光传感器器件，以及
接着将多个制成的光传感器器件分离成各个单元器件。
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