CN102270673A

CN102270673A - 多波段光电探测器

Info

Publication number: CN102270673A
Application number: CN2011102070077A
Authority: CN
Inventors: 吴英; 江永清; 黄绍春; 欧益宏; 柏俊杰; 向毅; 周兆英
Original assignee: Chongqing University of Science and Technology
Current assignee: Chongqing University of Science and Technology
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2011-12-07

Abstract

本发明公开了一种多波段光电探测器，包括硅衬底、衬底之上的隔离层，其特征在于：所述隔离层表面设置有至少二组光电探测单元；每组所述光电探测单元由两个电极和纳米管构成，三者固定在所述隔离层上，纳米管搭接在第一电极和第二电极之间，第一电极和第二电极分别与各自对应的输出管脚相连；两组光电探测单元的纳米管直径不同。其显著效果是：体积小、结构简单，能在多个光谱段上获取目标信息，很好地满足了特征光谱识别的要求。

Description

多波段光电探测器

技术领域

本发明涉及一种光电探测技术，具体而言是一种多波段光电探测器。

背景技术

物体的光谱辐射特征能提供丰富的信息，如车辆、树林、道路的光谱特征曲线就存在显著的差异：树林在700～740nm波段反射率急剧增大，而740nm以后反射率逐步降低，表现出绿色植被光谱反射特性的基本特征；而道路则不同，光谱曲线的峰值出现在500nm波段附近，随着波长的增加，反射逐步降低。因此，利用某一物体反射或辐射到探测器上的各种不同波长能量分布构成的光谱特征在理论上唯一可确定物体性质。对于感兴趣的目标，只要能够获取其两个或多个特征谱段上的信息，就能将目标从背景中甄别出来。显然，上述光谱特征探测识别技术具有十分重要的民用价值，可广泛应用于地理、污染物遥感监测、医疗光谱诊断等多个领域。

20世纪90年代初出现的纳米管材料,具有多方面独特的性能，引起了各国的关注。特别是其能带带隙同纳米管的直径线性相关，改变管径就能方便地调制其光电响应的波长特征。同时纳米管还具有准一维特征，载流子在其中的传输几乎是无缺陷复合的，理论上，以它制作的器件可以实现极低噪声。为制作用于光谱特征探测识别的、微型多波段光电探测器提供了一种极佳的材料。

现有技术的显著缺点是：现有光谱探测技术需附加复杂的光学系统，集成度低，尺寸很大，难以实现多波段探测，难以满足小型化使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、集成度高的多波段光电探测器，直接利用不同直径纳米材料对光的响应波段不同，形成多个波段的探测，很好地满足目标多波段信息获取的要求。

为达到上述目的，本发明提供了一种多波段光电探测器，包括硅衬底、隔离层，其关键在于：所述隔离层表面设置有至少二组光电探测单元；

每组所述光电探测单元由两个电极和纳米管构成，三者固定在所述隔离层上，纳米管搭接在第一电极和第二电极之间，所述第一电极上连接有第一输出管脚，第二电极上连接有第二输出管脚；

其中第一组光电探测单元的纳米管的直径大于第二组探测单元的纳米管直径。

低维纳米材料，如碳纳米管、碳化硅纳米管等，与相应的体材料不同，是一类直接带隙的准一维半导体材料，其光吸收峰对应于其带隙值。同时纳米管材料的的禁带宽度E_g(单位：eV)与直径d(单位：nm)及其空间螺旋特征显著相关；以碳纳米管为例，具有下面的线性关系：

(1)

因此，改变碳纳米管直径，就可以线性地调整其禁带宽度，实现对特定波长的响应，是一种极具潜力的多波段光敏感材料。

如直径8～150nm的单壁碳纳米管，对波长1～12μm的红外光都有显著响应，具有制备红外探测器的潜在可能。而且，碳纳米管对载流子的复合几乎是无缺陷的，因此它对太阳光谱有一个范围非常宽的带隙匹配，即对从红外到紫外波段的光谱都有较强的光敏特性，并且呈现出较高的载流子传递速率和较小的传输散射损耗，可构筑新型的纳米尺度的光电子器件，如宽谱段的微型光谱仪和高效太阳能电池等。同时利用纳米管材料独特的光电效应，还可以改善传统紫外光电探测器和红外光电探测器的性能。

基片上布置若干组光电探测单元，每组探测单元因为纳米管的直径不同，其光谱响应曲线也不同，当某一组光电探测单元产生光响应时，对应管脚输出相应的电信号，这些输出管脚连接在同一阵列处理芯片上，阵列处理芯片按照一定的算法处理输入的电信号，由各组探测单元输出信号的强弱差异，读出相应的光谱信息。

直接利用不同直径的纳米材料对光的响应波段不同来实现多波段探测。

利用本发明设计的多波段光电探测器，附加相应的阵列处理芯片电路就能实现对若干种不同波段光谱的识别，很好地满足目标多波段信息获取的要求。

所述基片上面还设置有第三组光电探测单元，该第三组光电探测单元的纳米管直径小于所述第二组光电探测单元的纳米管直径。

所述第一电极和第二电极为金属电极，其中第一电极为高功函数金属电极，第二电极为低功函数材料电极。

所述第一电极为高功函数金属Pd电极，第二电极为低功函数材料Ag电极。第一电极也可以是其他高功函数金属电极，如Pt、Au等，第二电极也可以是其他低功函数材料，如Al、Li、Mg等。

为了避免硅衬底同金属电极直接接触，在硅衬底上生长了一层热氧化二氧化硅薄膜作为隔离层。

所述硅衬底可以为N型或P型。

所述纳米管为直线条，或“S”形线条或其它形状。

位于所述纳米管下方的硅基衬底中设置有多晶硅栅极，该多晶硅栅极两端经栅极引脚与外界的电路相连。

在器件结构中，同时还以埋层的形式，设计了一个掺杂多晶硅栅极。在栅极两端通电，优化偏压，就可以调节输出的光电流大小，达到输出光电流最大化的目标。

本发明的显著效果是：提供了一种多波段光电探测器，能直接利用不同直径的纳米材料，在多个光谱段上获取目标信息，具有体积小、结构简单、集成度高的优点，很好地满足了特征光谱识别的要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2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说明。

如图1、2所示：

一种多波段光电探测器，包括硅基衬底1，隔离层2，隔离层2的表面设置有至少二组光电探测单元；

每组所述光电探测单元由第一电极3a、第二电极3b和搭接两电极的纳米管4构成，三者固定在隔离层2上，第一电极3a和第二电极3b分别位于纳米管的两端，所述第一电极3a上连接有第一输出管脚5a，第二电极3b上连接有第二输出管脚5b；

其中第一组光电探测单元的纳米管4a的直径大于第二组光电探测单元的纳米管4b的直径。

低维纳米材料，如碳纳米管、碳化硅纳米管等，与相应的体材料不同，是一类直接带隙的准一维半导体材料，其光吸收峰对应于其带隙值。同时纳米管材料的的禁带宽度与直径具有线性关系，改变纳米管直径，就可以线性地调整其带隙，实现对特定波长的响应，是一种极具潜力的多波段光敏感材料。如直径8～150nm的单壁碳纳米管，对波长1～12μm的红外光都有显著响应，具有制作高性能特种红外探测器的潜在可能。而且，碳纳米管对载流子的复合几乎是无缺陷的，因此它对太阳光谱有一个范围非常宽的带隙匹配，即对从红外到紫外波段的光谱都有较强的光敏特性，并且呈现出较高的载流子传递速率和较小的传输散射损耗，可构筑新型的纳米尺度的光电子器件，如宽谱段的微型光谱仪和高效太阳能电池等。同时利用纳米管材料独特的光电效应，还可以改善传统紫外光电探测器和红外光电探测器的性能。

基片隔离层2上布置若干组光电探测单元，每组探测单元因为纳米管4的直径不同，其光谱响应曲线也不同，当某一组光电探测单元产生光响应时，对应管脚5输出相应的电信号，这些输出管脚连接在同一阵列处理芯片上，阵列处理芯片按照一定的算法处理输入的电信号，由各组探测单元输出信号的强弱差异，读出相应的光谱信息。

所述基片隔离层2上面还设置有第三组光电探测单元，该第三组光电探测单元的纳米管4c直径小于所述第二组光电探测单元的纳米管4b直径。

所述第一电极3a和第二电极3b为金属电极，其中第一电极3a为高功函数金属电极，另一为低功函数材料电极。

所述第一电极3a为高功函数金属Pd电极，第二电极3b为低功函数材料Ag电极。

为了避免硅衬底1同金属电极直接接触，在硅衬底1上生长了一层热氧化二氧化硅薄膜作为隔离层2。

所述硅衬底1可以为N型或P型。

所述纳米管4为直线条，或“S”形线条或其它形状。

纳米管的制备工艺可以是化学气相沉积，也可以是其它合成方法。这里描述其中一种制备方法为：

碳纳米管的生长合成技术：直接水解FeCl₃形成Fe(OH)₃胶体粒子，经600℃退火后，获得了尺寸在1-3 nm的Fe₂0₃纳米粒子。这种纳米粒子是单壁碳纳米管合成的有效催化剂，相对于其他方法，这种方法原料容易获得且操作简单。将分散有催化剂的基底快速转移到已经升温到反应温度900℃的管式炉恒温区，马上通入反应气体CO/H₂，生成的SWNTs可以达到几百微米甚至几毫米的长度。在碳纳米管生长过程中，可用高速气流定向的控制方法，使得碳纳米管沿气流定向。相对于电场定向的方法，气流定向不需要在高温CVD合成炉中引人复杂的电极，因此更便于操作。

探测器集成化工艺为：

“电极压管”或“管压电极”工艺方式，都能实现所述多波段光电探测器微纳结合的集成化。

（1）“电极压管”工艺：

聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）技术可以沉积金属在指定的衬底位置上，结合碳纳米管气流定向水平生长技术，两者相结合，先生长碳纳米管，后沉积金属电极，制备可称为“电极压管”结构的碳纳米管微纳探测单元。其主要流程如下：

①备片，4英寸N(100)双抛硅片，厚400μm，电阻率2～4Ωcm，清洗；

②微加工工艺制作栅级

③热氧化SiO₂，厚度3000??；

④划片，微压印方法形成催化剂区域；

⑤化学气相沉积（CVD），水平生长碳纳米管；

⑥FIB制作电极，键合引线，形成微纳结构单元。

（2）“管压电极”工艺：

“管压电极”工艺是在生长碳纳米管之前，先利用微加工技术在硅基片上制作电极阵列，接着在此基片上旋涂催化剂，然后用光刻技术形成催化剂小岛，最后用CVD工艺在预制电极上面生长合成碳纳米管，形成“管压电极”结构。由于碳纳米管CVD合成工艺温度较高，对电极材料提出了特殊的要求。为了微加工工艺与CVD合成工艺的兼容性，可分别采用金属钯、金属银制作第一、第二电极，具体工艺流程如下：

②微加工工艺制作栅极

③热氧化SiO₂，厚度200-5000??；

④旋涂光刻胶；

⑤光刻，在光刻胶上形成第一电极图形窗口；

⑥溅射，在硅基片上形成金属钯薄膜，；

⑦光刻剥离，在硅基片上形成电极；

不同材料的电极需要重复步骤③-⑦（测射不同金属）,制作第二电极

⑧划片，微压印方法形成催化剂区域

⑨生长碳纳米管，键合引线，形成碳纳米管微纳探测结构单元。

高功函数Au电极和低功函数Ag电极分别位于CVD纳米条的两端。由于半导体性碳纳米管的导电性多为p型，Pd（/Au）电极经适当的退火处理后，能同CNT形成较好的欧姆接触；而Ag(Al)-CNT接触则表现为肖特基接触。

在器件结构中，同时还以埋层的形式，设计了一个掺杂多晶硅栅极。通过栅极偏压优化，可以提高光电流值的大小，达到输出光电流最大化的目标。

米管光电探测器的性能。

以上是结合附图对本发明的优选实施例进行的描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，如采用不同的纳米材料，如石墨烯，碳化硅纳米管,硅纳米线等，更改纳米管4的形状，更改第一电极3a和第二电极3b的材质等，更改光电探测单元数目等的变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多波段光电探测器，包括硅基衬底（1），紧邻该衬底（1）的上表面制备有隔离层（2），其特征在于：所述隔离层（2）的表面设置有至少二组光电探测单元；每组所述光电探测单元由第一电极（3a）、第二电极（3b）和搭接两电极的纳米管（4）构成，三者固定在所述隔离层（2）上，所述第一电极（3a）和第二电极（3b）分别位于纳米管的两端，所述第一电极（3a）上连接有第一输出管脚（5a），第二电极（3b）上连接有第二输出管脚（5b）；其中第一组光电探测单元的纳米管（4a）直径大于第二组光电探测单元的纳米管（4b）直径。

2.根据权利要求1所述多波段光电探测器，其特征在于：所述隔离层（2）的表面还设置有第三组光电探测单元，该第三组光电探测单元的纳米管（4c）直径小于所述第二组探测单元纳米管（4b）的直径。

3.根据权利要求1所述多波段光电探测器，其特征在于：所述第一电极（3a）和第二电极（3b）为金属电极，其中第一电极（3a）为高功函数金属电极，第二电极为低功函数材料电极。

4.根据权利要求3所述多波段光电探测器，其特征在于：所述第一电极（3a）为高功函数金属Pd电极，第二电极（3b）为低功函数材料Ag电极。

5.根据权利要求1所述多波段光电探测器，其特征在于：所述隔离层（2）为二氧化硅。

6.根据权利要求1所述多波段光电探测器，其特征在于：所述硅衬底（1）可以为P型硅或N型硅。

7.根据权利要求1所述多波段光电探测器，其特征在于：所述纳米管（4）为直线条，或“S”形线条。

8.根据权利要求1所述多波段光电探测器，其特征在于：位于所述纳米管（4）下方的硅基衬底（1）中设置有多晶硅栅极（6），该多晶硅栅极（6）两端经栅极引脚（7）与外界相连。