CN105702774A - 一种基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器及其制备方法，其特征在于：是在硅基底的表面通过银辅助的化学刻蚀法形成有硅纳米线阵列；在硅纳米线的外表面通过液相还原反应均匀包覆有金属铜膜；金属铜膜与硅纳米线形成肖特基结；在硅基底的背面刷涂有In/Ga导电胶层，与硅基底形成欧姆接触。本发明的肖特基结近红外光电探测器，制备过程简单易行，器件性能优越。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种纳米光电探测器及其制备方法，具体地说是基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器及其制备方法。
二、背景技术
光电探测器是将接收到的光信号转化为电信号的器件，由于光谱响应范围宽、灵敏度高等特点，亦是人眼的一个有效延伸。其中，近红外光电探测器在信息、医学、工业、农业、环境、安全、科研等领域均有广泛的应用，如用在成像技术、光通讯、生化分析、工业自动控制、定量分析(不破坏样品)、环境监测、火险报警、光谱分析等。因而，高性能、低成本的近红外光电探测器一直是人们的研究热点。
硅是现代半导体技术的基础，目前仍处于不可取代的位置。体相硅室温禁带宽度为1.12eV，对近红外光有着很好的灵敏度，尽管其是一类间接带隙半导体，人们仍在不断探索基于其的近红外光电探测的研究。人们在Si基底上外延生长，形成了GexSi1-x/Si(Appl.Phys.Lett.1992,61,1122)、HgCdTe/Si(Appl.Phys.Lett.2004,85,2113)等异质结光电探测器或利用金属硅化物，形成了PtSi/Si(IEEETMicrowTheroy.1998,46,641)、IrSi3/Si(Appl.Phys.Lett.1990,56,2013)等肖特基结探测器，Farag等通过液相外延的方法制备了Cu/Si肖特基结，发现在高频率情况下，器件性能保持良好(J.AlloysCompd.,2010,495,116)。苏州大学揭建胜等也曾利用CVD生长的单层石墨烯，构筑了响应速度快、响应度高的MLG/Si肖特基结探测器(IEEETrans.ElectronDevices,2013,34,1337)。然而器件制备过程多采用高成本的高真空制备工艺，稳定、高效低成本Si基近红外光电探测器的研究仍有待于进一步深入。
与传统硅材料相比，硅纳米线阵列由于具有良好的陷光效应，可以提高对光的吸收并有利于光生载流子的产生，因而基于硅纳米线阵列的近红外光电探测器有望获得更高的器件性能。Cheng等通过电化学方式制备了Ge/Si纳米线阵列核壳结构的光电探测器，发现该器件性能较平面硅或黑硅更为优越(Chem.Phys.Lett.,2012,538,102)。人们将液相合成的氧化铜纳米片或碳量子点等旋涂在硅纳米线阵列上，也获得了性能优良的光电探测器(ACSAppl.Mat.Interfaces,2014,6,20887；Acsnano,2014,8,4015)。
自驱动式光电探测器，由于无需外加电源而可自我供电，具有节能环保、便携等优点，一直是人们的研究热点。自驱动式光电探测器一般基于PN结或者肖特基结。肖特基结是由金属和半导体接触形成的，该种光电探测器有很多优势，比如暗电流小、响应速度快、结电容小等，是高性能光电探测器的最佳选择。传统肖特基结的构建是采用电子束蒸发、磁控溅射等传统的高真空镀膜方式，其需要高真空环境，成本较高，而且很难实现高纵深比如纳米阵列结构表面的均匀镀膜。
三、发明内容
在现有技术存在的基础之上，本发明旨在构建基于Si纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器，在纳米光电探测器发展领域有着重要的意义，所要解决的技术问题是在硅纳米线阵列上生长均匀包覆的铜膜，形成较大面积的肖特基接触，并实现载流子的有效分离和收集。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器，其特点在于：是在硅基底的表面通过银辅助的化学刻蚀法形成有硅纳米线阵列；在硅纳米线的外表面通过液相还原反应均匀包覆有金属铜膜；所述金属铜膜与所述硅纳米线形成肖特基结；在所述硅基底的背面刷涂有In/Ga导电胶层，与硅基底形成欧姆接触。
金属铜膜是通过液相还原形成的，除硅纳米线的外表面之外，在硅基底表面未形成硅纳米线的位置也都形成有金属铜膜，也即金属铜膜均匀包覆了硅基底表面和硅纳米线。
本发明自驱动肖特基结近红外光电探测器的特点也在于：所述硅基底的导电类型为n型，(100)取向，电阻率为1-10Ω·cm；所述硅纳米线阵列中硅纳米线的直径为50-400nm、长度为5-10μm。
所述金属铜膜的厚度为10-100nm。
上述自驱动肖特基结近红外光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将硅基底依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗后，吹干备用；
(2)将硅基底放入金属化溶液中1min，使硅基底表面沉积上Ag颗粒；所述金属化溶液中含4.8mol/L的HF和5mmol/L的AgNO3；
然后将表面沉积有Ag颗粒的硅基底放入刻蚀溶液中刻蚀20～30min，形成硅纳米线阵列，所述刻蚀溶液中含4.8mol/L的HF和0.4mol/L的H2O2；
待刻蚀完成后，将表面形成有硅纳米线阵列的硅基底放入由浓HNO3和去离子水按体积比1:1构成的清洗溶液中2h，去除表面的Ag颗粒；
最后取出硅基底，去离子水冲洗干净后放入50℃的恒温干燥箱中烘干，即完成硅纳米线阵列的制备；
(3)在聚四氟乙烯的反应釜中加入15mL去离子水、0.05gCu(NO3)2·3H2O，磁力搅拌均匀，再依次加入2mL乙二醇和1mL水合肼，并放入硅基底；把反应釜放入预热至100℃的恒温干燥箱中反应30～45min，使硅纳米线的外表面均匀包覆上金属铜膜；
(4)将硅基底清洗、干燥，在硅基底背面打磨、刷涂一层In/Ga导电胶层，即获得基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明构筑的光电探测器与现行半导体工艺具有良好的工艺兼容性，有利于实现产业化生产。
2、本发明采用液相法沉积金属薄膜，较传统的电子束、气相外延等高真空蒸镀金属薄膜的方法相比，简化了操作工艺、大大降低了成本；此外溶液的均匀性更容易实现在不规则结构(如阵列结构、多孔结构等)表面的均匀镀膜。
3、本发明构筑的光电探测器具有阵列结构的陷光效应和较大的肖特基接触面积，有利于光生载流子的产生与有效分离，因而是一类性能优越的自驱动器件，响应度R为272mA/W，比探测率为3×1012Jones,上升时间3.6μs、下降时间14.2μs。
四、附图说明
图1是本发明基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器的器件结构示意图；其中1为硅基底，2为硅纳米线阵列，3为金属铜膜，4为In/Ga导电胶层。
图2是本发明实施例1中硅纳米线阵列的SEM照片。
图3是本发明实施例1中硅纳米线阵列/Cu肖特基结的XRD图谱。
图4是本发明实施例1中单根硅纳米线/Cu肖特基结的TEM照片和元素分布图。
图5是本发明实施例1中硅纳米线阵列/Cu肖特基结的光谱响应图谱。
图6是本发明实施例1中硅纳米线阵列/Cu肖特基结980nm光照下的电流-电压特性曲线，图中可以看出器件具有显著的光伏特性，开路电压为0.35V、短路电流为163μA、响应度为272mA/W。
图7是本发明实施例1中硅纳米线阵列/Cu肖特基结近红外光电探测器的响应速度。
图8是本发明实施例2中硅纳米线阵列/Cu肖特基结980nm光照下的电流-电压特性曲线，图中可以看出器件开路电压为0.35V、短路电流为23μA、响应度38.4mA/W。
图9是本发明实施例3中硅纳米线阵列/Cu肖特基结980nm光照下的电流-电压特性曲线，图中可以看出器件开路电压为0.32V、短路电流为51μA、响应度85mA/W。
五、具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明基于Si纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器的制备方法，非限定实施例如下。
实施例1：
参见图1，本实施例的自驱动肖特基结近红外光电探测器，是在硅基底1的表面通过银辅助的化学刻蚀法形成有硅纳米线阵列2；在硅纳米线的外表面通过液相还原反应均匀包覆有金属铜膜3；金属铜膜与硅纳米线形成肖特基结；在硅基底1的背面刷涂有In/Ga导电胶层4，与硅基底形成欧姆接触。
具体的，本实施例所用的硅基底导电类型为n型、(100)取向、电阻率为1-10Ω·cm、尺寸为0.5cm×0.5cm，硅纳米线直径为50-200nm、长度约5μm，金属铜膜厚度为30-40nm。
本实施例近红外光电探测器的制备方法如下：
(1)将硅基底依次用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗1分钟，最后用N2吹干。
(2)将硅基底放入50mL的金属化溶液(4.8mol/LHF，5mmol/LAgNO3)中1min，在硅基底表面沉积上Ag颗粒，然后取出表面沉积有Ag颗粒的硅基底，放入50mL的刻蚀溶液(4.8mol/LHF，0.4mol/LH2O2)中，刻蚀20min，形成硅纳米线阵列。待刻蚀完成后，把表面已经获得硅纳米线阵列的硅基底放入50mL清洗溶液(浓HNO3体积:去离子水体积＝1:1)中2h，去除表面的Ag颗粒。最后，取出硅基底，去离子水冲洗干净后放入50℃的恒温干燥箱中烘干。
(3)在100mL聚四氟乙烯的反应釜中加入15mL去离子水、0.05gCu(NO3)2·3H2O，磁力搅拌使之形成均匀的溶液，再依次加入2mL乙二醇和1mL水合肼，放入已清洗干净的硅基底，把反应釜放入预热至100℃的恒温干燥箱中反应30min，使硅纳米线的外表面均匀包覆上金属铜膜。
(4)反应结束后，取出已经沉积过金属铜膜的硅基底，先依次用去离子水和酒精清洗；然后，放入真空干燥箱中干燥；最后，背面打磨、刷涂上一层In/Ga导电胶层，用作底接触电极，即获得基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器。
本实施例中所刻蚀的硅纳米线阵列的SEM图如图2所示。
本实施例所制备的Si纳米线阵列/Cu肖特基结的XRD图谱如图3所示；其中单根纳米线的TEM照片以及对应元素如图4所示，表明Si纳米线表面均匀包覆了一层Cu铜膜。
图5所示为本实施例所制备器件的光谱响应图谱，表明器件在360nm～1200nm区域具有显著的光谱响应，可用作近红外光电探测器。
本实施例所制备器件在980nm光照下具有显著的光伏特性，开路电压为0.35V、短路电流为163μA、响应度达272mA/W(如图6所示)；上升时间为3.6μs、下降时间为14.2μs(如图7所示)。
实施例2
本实施例近红外光电探测器的制备方法与实施例1相同，区别仅在于本实施例中反应釜在100℃恒温干燥箱中的反应时间为45min。本实施例所制备器件在980nm光照下，开路电压为0.35V，短路电流为23μA，响应度为38.4mA/W。
实施例3
本实施例近红外光电探测器的制备方法与实施例1相同，区别仅在于硅纳米线阵列的刻蚀时间为30min。本实施例所制备器件在980nm光照下，开路电压为0.32V，短路电流为51μA，响应度为85mA/W。
Claims (4)
1.一种基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：是在硅基底(1)的表面通过银辅助的化学刻蚀法形成有硅纳米线阵列(2)；在硅纳米线的外表面通过液相还原反应均匀包覆有金属铜膜(3)；所述金属铜膜与所述硅纳米线形成肖特基结；在所述硅基底(1)的背面刷涂有In/Ga导电胶层(4)，与硅基底形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的自驱动肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：所述硅基底的导电类型为n型，(100)取向，电阻率为1-10Ω·cm；
所述硅纳米线阵列中硅纳米线的直径为50-400nm、长度为5-10μm。
3.根据权利要求1所述的自驱动肖特基结近红外光电探测器，其特征在于：所述金属铜膜的厚度为10-100nm。
4.一种权利要求1～3中任意一项所述自驱动肖特基结近红外光电探测器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将硅基底依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗后，吹干备用；
(2)将硅基底放入金属化溶液中1min，使硅基底表面沉积上Ag颗粒；所述金属化溶液中含4.8mol/L的HF和5mmol/L的AgNO3；
然后将表面沉积有Ag颗粒的硅基底放入刻蚀溶液中刻蚀20～30min，形成硅纳米线阵列，所述刻蚀溶液中含4.8mol/L的HF和0.4mol/L的H2O2；
待刻蚀完成后，将表面形成有硅纳米线阵列的硅基底放入由浓HNO3和去离子水按体积比1:1构成的清洗溶液中2h，去除表面的Ag颗粒；
最后取出硅基底，去离子水冲洗干净后放入50℃的恒温干燥箱中烘干，即完成硅纳米线阵列的制备；
(3)在聚四氟乙烯的反应釜中加入15mL去离子水、0.05gCu(NO3)2·3H2O，磁力搅拌均匀，再依次加入2mL乙二醇和1mL水合肼，并放入硅基底；把反应釜放入预热至100℃的恒温干燥箱中反应30～45min，使硅纳米线的外表面均匀包覆上金属铜膜；
(4)将硅基底清洗、干燥，在硅基底背面打磨、刷涂一层In/Ga导电胶层，即获得基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器。
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