CN102163641A - ZnSe纳米光电探测器及其制备方法 - Google Patents

ZnSe纳米光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ZnSe纳米光电探测器及其制备方法，探测器的结构层自下而上依次为绝缘衬底、感光层和电极，其特征是感光层为n-型掺杂的ZnSe纳米线。本发明采用化学气相沉积法合成制备n型掺杂ZnSe纳米线，在合成过程中通过原位掺杂实现n型掺杂，以及利用光刻、电子束和脉冲激光沉积工艺制备源漏电极，从而制得ZnSe纳米光电探测器。本发明探测器中感光层采用n-型掺杂的ZnSe纳米线，能有效增强纳米光电探测器的电信号，提高其开关比；其制备方法简单，能使ZnSe纳米线平行排布，从而增加感光面积，进一步提高电信号。

Description

ZnSe纳米光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种ZnSe纳米光电探测器及其制备方法，更具体地说是一种对可见光尤其是蓝绿光反应敏感的探测器。
背景技术
光电探测器件可以将感应到的光信号转换为电信号，具有重要的军用价值和广阔的民用市场。光电探测器件的结构层自下而上依次为绝缘衬底、感光层和电极。纳米光电探测器是采用纳米材料作为感光层的光电探测器，其具有易于集成、低功耗、低成本的特点。更为重要的是，纳米光电探测器与同种材质的薄膜光电探测器相比，具有更高灵敏度和反应速度。ZnSe为重要的II-VI族半导体材料，室温禁带宽度～2.7eV(～460纳米)，对于蓝绿光非常敏感。现有的ZnSe纳米光电探测器是采用本征ZnSe纳米线作为感光层，并且ZnSe纳米线是在绝缘衬底随机排布，电极间仅有单根ZnSe纳米线。这使得ZnSe纳米光电探测器存在电信号，开关比以及感光层面积小的问题。[ZnSe纳米光电探测器相关报道见：高性能蓝/紫外ZnSe纳米光电探测器，作者：Xiaosheng Fang，Shenglin Xiong，Tianyou Zhai，Yoshio Bando，Meiyong Liao，Ujjal K.Gautam，Yasuo Koide，Xiaogang Zhang，Yitai Qian，Dmitri Golberg，文章来源：Advanced Materials，Volume 21，Issue 48，pages 5016-5021，December 28，2009]。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种ZnSe纳米光电探测器及其制备方法，以期有效增强纳米光电探测器的电信号，提高其开关比，增大光电探测器感光层面积。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明ZnSe纳米光电探测器的结构层自下而上依次为绝缘衬底、感光层和电极，其结构特点是所述感光层为n-型掺杂的ZnSe纳米线。
本发明ZnSe纳米光电探测器的结构特点也在于：
所述n-型掺杂的ZnSe纳米线为平行排布，并且在电极间有多根n-型掺杂ZnSe纳米线形成并联结构。
所述n-型掺杂的ZnSe纳米线，其掺杂元素为Ga、In、Cl和I中的一种或多种的组合；掺杂浓度为1％-50％原子百分含量。
所述电极为叉指电极。
所述绝缘衬底(3)是以SiO2、Al2O3、Si3N4、HfO2或PET为材质。
本发明ZnSe纳米光电探测器的制备方法的特点是按如下步骤进行：
a、依次分别采用丙酮、酒精和纯净水对绝缘衬底进行超声清洗，然后利用纯度不低于99％的氮气将绝缘衬底吹干备用；
b、按照原子比为1％-50％将纯度不低于99.9％的掺杂材料与纯度不低于99.9％的ZnSe粉末混合研磨后为原料；称量0.5-1g原料放入纯度不低于的99.9％Al2O3瓷舟中，将瓷舟放入水平管式炉中心位置；在载气下游距瓷舟10-15cm处放置蒸金硅片；所述蒸金硅片上的金膜厚度为1-100nm；将水平管式炉中的本底真空抽至10-3Pa后通入纯度不低于99.99％的氩氢气，所述氩氢气是指氩气和氢气按体积比为95∶5的混合气体；保持水平管式炉中的气压为400-1.6×104Pa，氩氢气混合气体流量保持为100-200SCCM；经过40分钟使水平管式炉内升温至1000-1100℃，气压保持不变在400-1.6×104Pa，氩氢气的气流量保持为100-200SCCM，保温2小时；保温结束后，待水平管式炉自然冷却至室温，在硅基底上可见的棕黄色绒状产物即为n-型掺杂ZnSe纳米线；
c、将生长有ZnSe纳米线的硅基底在绝缘衬底上进行定向刮蹭，根据合成的ZnSe纳米线的茂密程度，调整硅基底同绝缘衬底间的距离以及刮蹭次数，控制绝缘衬底上ZnSe纳米线的数量，得到平行排布的ZnSe纳米线。
d、利用光刻工艺在排布有ZnSe纳米线的绝缘衬底上首先制备电极图形，然后采用激光脉冲沉积法在室温下沉积ITO薄膜，所述ITO薄膜的厚度为50-100nm，最后去除光刻胶得到ITO材质的电极，完成ZnSe纳米光电探测器的制备。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用n-掺杂的ZnSe纳米线作为感光层，掺杂可以有效提高ZnSe纳米线中载流子的浓度，改善ZnSe纳米线与电极间的接触，与本征ZnSe纳米线相比，可以大幅提高电信号和提高开关比。
2、本发明采用定向刮蹭的方式使ZnSe纳米线在绝缘衬底上平行排布，并且在电极间有多根ZnSe纳米线形成并联结构，由此大大增加了感光面积，提高电信号。
3、本发明纳米线平行排布的方法简单且易于实现。
4、本发明的感光层材料为ZnSe纳米线，由于ZnSe纳米线是先通过化学气相方法合成，然后转移排布到绝缘衬底上的。因此用作承载纳米光电探测器件的绝缘衬底在材料选择上几乎没有限制，无需考虑薄膜器件中薄膜和衬底间的品格匹配问题以及沉积薄膜要求的高温条件，这使得纳米光电探测器的应用范围更为广阔。
附图说明
图1为本发明ZnSe纳米光电探测器的结构示意图；
图2(a)为本发明实施例1中I掺杂ZnSe纳米线扫描电镜图片；
图2(b)为本发明实施例1中I掺杂ZnSe纳米线的X射线衍射图谱；
图3为本发明实施例1中ZnSe纳米光电探测器的光谱响应图谱；
图4为本发明实施例1中ZnSe纳米光电探测器的光响应图谱；
图5为本发明实施例2中ZnSe纳米光电探测器的光响应图谱；
图6为本发明实施例3中ZnSe纳米光电探测器的光响应图谱；
图7为本发明实施例4中ZnSe纳米光电探测器的光响应图谱。
具体实施方式
实施例1：本实施例按如下步骤进行制备
1、依次采用丙酮、酒精、纯净水对表面有SiO2层的Si衬底超声处理各15分钟，然后利用纯度不底于99％的氮气将其吹干备用；
2、按照原子比为1％将纯度不低于99.9％的掺杂材料I同纯度为99.9％的ZnSe粉末混合研磨30分钟后得原料，称量0.5g原料放入纯度为99.9％的Al2O3瓷舟中，将瓷舟放入水平管式炉的中心位置；在载气下游距小瓷舟10cm处放置蒸金硅片。蒸金硅片上的金膜厚度为15nm。依次采用机械泵和分子泵将水平管式炉中的本底真空抽至10-3Pa，再通入纯度不低于99.99％的氩氢气，氩氢气是指氩气和氢气按体积比为95∶5的混合气体，保持炉内气压为400Pa，氩氢气流量保持为100SCCM。经过40分钟炉内升温至1000℃，气压保持不变在400Pa，保温2个小时。保温结束后，待炉体自然冷却至室温，可在硅基底上见到棕黄色绒状产物，即为I掺杂n-型ZnSe纳米线。
3、将生长有ZnSe纳米线的硅基底在绝缘层衬底上定向刮蹭，根据合成的ZnSe纳米线的茂密程度，调整硅基底同绝缘衬底间的距离以及刮蹭次数，控制绝缘衬底上ZnSe纳米线的数量，得到平行排布的ZnSe纳米线。
4、利用光刻工艺在排布ZnSe纳米线的绝缘层衬底上制备电极图形，然后采用激光脉冲沉积方法室温沉积ITO薄膜，ITO薄膜厚度为70nm，去除光刻胶后，可得到ITO材质的电极，完成ZnSe纳米光电探测器的制备。
本实施例制备的ZnSe纳米光电探测器示意图如图1所示，其结构层自下而上依次为绝缘衬底1、平行排布的I-型掺杂的ZnSe纳米线2和叉指电极3。ZnSe纳米线的扫描电镜图片和X射线衍射图谱分别见图2(a)和图2(b)。纳米光电探测器的光谱响应图谱和光响应图谱分别见图3和图4。本实施例中采用叉指电极可以增加纳米线同电极间的接触几率，实际应用中也可以采用普通的方块电极；
实施例2：
以表面有SiO2层Si片作为衬底，掺杂元素为I，掺杂浓度为25％，采用与实施例1相同的制备方式，经制备所得ZnSe纳米光电探测器的光响应图谱见图5。
实施例3：
以表面有SiO2层Si片作为衬底，掺杂元素为I，掺杂浓度为50％，采用与实施例1相同的制备方式，经制备所得ZnSe纳米光电探测器的光响应图谱见图6。
实施例4：
以表面有Si3N4层Si片作为衬底，掺杂元素为I和In，掺杂浓度分别为15％和10％，采用与实施1相同的制备方式，经制备所得的ZnSe纳米光电探测器光响应图谱见图7。
由上述实例可以看出，ZnSe纳米光电探测器对于可见光，尤其是蓝绿光反应敏感。随着掺杂浓度的增加，n-型掺杂的纳米光电探测器的电信号明显增大，光响应速度变小，掺杂材料种类以及绝缘衬底的材料对于器件性能影响较小。
实际使用中，可以根据需求对掺杂量、掺杂元素、绝缘衬底、电极形状进行调整，得到合适的纳米光电探测器。

Claims (6)

1.一种ZnSe纳米光电探测器，其结构层自下而上依次为绝缘衬底(3)、感光层(2)和电极(1)，其特征是所述感光层为n-型掺杂的ZnSe纳米线。
2.根据权利要求1所述的ZnSe纳米光电探测器，其特征是所述n-型掺杂的ZnSe纳米线为平行排布，并且在电极间有多根n-型掺杂ZnSe纳米线形成并联结构。
3.根据权利要求1或2所述的ZnSe纳米光电探测器，其特征是所述n-型掺杂的ZnSe纳米线，其掺杂元素为Ga、In、Cl和I中的一种或多种的组合；掺杂浓度为1％-50％原子百分含量。
4.根据权利要求1或2所述的ZnSe纳米光电探测器，其特征是所述电极为叉指电极。
5.根据权利要求1或2所述的ZnSe纳米光电探测器，其特征是所述绝缘衬底(3)是以SiO2、Al2O3、Si3N4、HfO2或PET为材质。
6.一种ZnSe纳米光电探测器的制备方法，其特征是按如下步骤进行：
a、依次分别采用丙酮、酒精和纯净水对绝缘衬底(3)进行超声清洗，然后利用纯度不低于99％的氮气将绝缘衬底(3)吹干备用；
b、按照原子比为1％-50％将纯度不低于99.9％的掺杂材料与纯度不低于99.9％的ZnSe粉末混合研磨后为原料；称量0.5-1g原料放入纯度不低于的99.9％Al2O3瓷舟中，将瓷舟放入水平管式炉中心位置；在载气下游距瓷舟10-15cm处放置蒸金硅片；所述蒸金硅片上的金膜厚度为1-100nm；将水平管式炉中的本底真空抽至10-3Pa后通入纯度不低于99.99％的氩氢气，所述氩氢气是指氩气和氢气按体积比为95∶5的混合气体；保持水平管式炉中的气压为400-1.6×104Pa，氩氢气混合气体流量保持为100-200SCCM；经过40分钟使水平管式炉内升温至1000-1100℃，气压保持不变在400-1.6×104Pa，氩氢气的气流量保持为100-200SCCM，保温2小时；保温结束后，待水平管式炉自然冷却至室温，在硅基底上可见的棕黄色绒状产物即为n-型掺杂ZnSe纳米线；
c、将生长有ZnSe纳米线的硅基底在绝缘衬底上进行定向刮蹭，根据合成的ZnSe纳米线的茂密程度，调整硅基底同绝缘衬底间的距离以及刮蹭次数，控制绝缘衬底上ZnSe纳米线的数量，得到平行排布的ZnSe纳米线；
d、利用光刻工艺在排布有ZnSe纳米线的绝缘衬底上首先制备电极图形，然后采用激光脉冲沉积法在室温下沉积ITO薄膜，所述ITO薄膜的厚度为50-100nm，最后去除光刻胶得到ITO材质的电极，完成ZnSe纳米光电探测器的制备。
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