CN106653929A - 半导体性碳纳米管红外光探测成像器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体性碳纳米管红外探测成像器，其包含含有碳纳米管级联光电压探测器的像元模块，所述碳纳米管级联光电压探测器设有作为导电通道和吸光材料的半导体性碳纳米管薄膜，所述半导体性碳纳米管薄膜上设有非对称接触电极以及虚电极对，本发明还提供其制备方法；本发明的半导体性碳纳米管薄膜红外探测成像器提高了输出光电压，并且有效的提高信噪比探测率，加工工艺简单，可以极大的降低传统红外探测器连接中由复杂工艺带来的高成本，特别适用于是制备小尺寸高性能低成本的室温工作的红外光探测成像器。
Description
技术领域
本发明涉及红外光探测成像器，尤其是基于半导体性碳纳米管制备的红外光探测成像器。
背景技术
红外探测成像器具有广阔的应用前景，诸如红外夜视，汽车自动驾驶，产品检测以及军事应用等方面。现有的红外探测成像器主要是基于传统体材料比如铟镓砷、HgCdTe等材料探测器，需要制冷才能够换取高性能。此外，上述材料制备工艺复杂，通常需要MOCVD或者MBE外延生长，与现有的主流CMOS加工技术不兼容，且上述材料对于外延生长的衬底具有严格的要求，导致其价格昂贵，难以大规模制备。因此，对于制备室温工作的红外高性能光探测器成为国内外研究人员的研究热点课题。
碳纳米管具有构建高性能红外光探测器的优异特性。首先，半导体型碳纳米管是直接带隙的材料，具有对称的能带结构，通过调节碳纳米管的手性和直径可以调节碳纳米管的能隙，使得碳纳米管的波长响应范围可以覆盖1μm-12μm,远远超过了一般的红外光探测器的探测范围。其次，碳纳米管的光吸收系数可以高达105cm-1。第三，溶液法制备高半导体纯度的碳纳米管技术的发展使得半导体性碳纳米管的纯度可以达到>99.9％，使得在晶圆量级规模化制备碳纳米管红外探测器件成为可能。【Yang Liu,Nan Wei,QingshengZeng,Jie Han,Huixin Huang,DonglaiZhong,Fanglin Wang,Li Ding,Jiye Xia,HaitaoXu,Ze Ma,Song Qiu,Qingwen Li,Xuelei Liang,Zhiyong Zhang,Sheng Wang,Lian-MaoPeng,Advanced Optical Materials 4(2016)238-245】。第四，碳纳米管完美的晶格结构使其表面不存在悬挂键，对称的能带结构使其同时具有金属接触主导的n型和p型欧姆接触。电子型接触金属钪(Sc)【Z.Y.Zhang,X.L.Liang,S.Wang,K.Yao,Y.F.Hu,Y.Z.Zhu,Q.Chen,W.W.Zhou,Y.Li,Y.G.Yao,J.Zhang,and L.-M.Peng,Nano Letters 7(12)(2007)3603】和金属钇(Y)【L.Ding,S.Wang,Z.Y.Zhang,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,T.Pei,L.J.Yang,X.L.Liang,J.Shen,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li,and L.-M.Peng,Nano Letters 9(2009)4209】，以及空穴型接触金属Pd【A.Javey,J.Guo,Q.Wang,M.Lundstrom,H.J.Dai,Nature 424(2003)654】。我们先前在单根半导体碳纳米管两端分别采用Pd和Sc接触电极已经成功制备出高性能的光电二极管【S.Wang,L.H.Zhang,Z.Y.Zhang,L.Ding,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,X.L.Liang,M.Gao,J.Shen,H.L.Xu,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li and Lian-Mao Peng,J.Phys.Chem.C 113(2009)6891】，这种结构的光电二极管具有较好的光电转换特性。对于红外探测的实际应用，基于单根碳纳米管的红外探测器对于入射光的吸收少，导致探测器的响应度和探测率低，无法满足实际的弱光探测需要。最后，碳纳米管器件的加工工艺与现有的CMOS加工工艺兼容，使其规模化制备成为可能。此外，碳纳米管对于基片衬底没有选择性，可以在各种沉底上制备，使其加工工艺难度下降，应用领域扩大。传统的红外光伏探测器通过级联几十甚至几百个光电二极管来提高探测器总的信噪比【Edson Gomes Camargo,Koichiro Ueno,Yoshifumi Kawakami,Yoshitaka Moriyasu,Kazuhiro Nagase,Masayuki Satou,Hidetoshi Endo,KazutoshiIshibashi,NaohiroKuze,Optical Engineering 47(2008)014402】。在传统的多结级联的红外光探测器中，通常利用重掺杂的方式制备隧穿结分立探测器单元进行连接，隧穿结的制备工艺复杂，需要考虑晶格匹配，带隙等多种因素，导致其单个像素一般为几十平方微米甚至更大。
现有的碳纳米管红外光探测成像器均工作在电流模式的条件下。然而，碳纳米管有限的吸收面积以及限制其产生的光电流通常在纳安量级，导致其响应度和探测率较低，无法和现有的商用探测器相比拟。
鉴于单根碳管入射光吸收面积相对较小以及传统半导体制备工艺的复杂性，以及工作在光电流模式下的探测器的低性能。因此，基于一维的碳管材料制备室温高性能光电压模式的级联红外光探测成像器具有极为重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纯度>99.9％的半导体性碳纳米管薄膜利用非对称虚电极结构来有效增加输出光电压大小，提高器件的信噪比，给出与现有CMOS加工工艺相兼容的无衬底选择性的红光光探测成像器设计方案，获得一种高灵敏度、高信噪比的级联红外光探测器。
本发明提供的半导体性碳纳米管红外探测成像器，其包含有n×n个包含有碳纳米管级联光电压探测器的像元模块，所述碳纳米管级联光电压探测器设有作为导电通道和吸光材料的半导体性碳纳米管薄膜，所述半导体性碳纳米管薄膜上设有非对称接触电极以及虚电极对，数目为m-1对。
其中所述非对称接触电极由第一金属和第二金属制成，所述第一金属电极和第二金属电极之间插入虚电极对，第一和第二金属电极相间排布，其中一种金属电极共地连接，另一种金属电极连接测量电路进行测量，优选第一金属为钯而第二金属为钪、钇，或者第一金属为钪、钇而第二金属为钯。
所述半导体性碳纳米管的纯度>99.9％。
所述像元模块进一步包括放大器以及与外部读取电路连接的开关。
其中所述并联红外光探测器的导电通道长度不大于0.5微米，优选为0.05～0.5微米。
本发明还提供所述的并联红外探测成像器的制备方法，其包括如下步骤：
1)制备硅基信号处理模块；
2)将半导体性碳纳米管沉积或者转移到硅基信号处理模块上；
3)在所得硅基信号处理模块的一维半导体碳纳米管或半导体性碳纳米管薄膜条带上形成第一金属电极和第一金属连接线图形，蒸镀金属后剥离多余金属层；
4)在所得硅基信号处理模块的一维半导体碳纳米管或半导体性碳纳米管薄膜条带上形成第二金属电极和第二金属连接线图形，蒸镀金属后剥离多余金属层；
5)封装。
其中所述第一金属为钯而第二金属为钪、钇，或者第一金属为钪、钇而第二金属为钯，所述金属连接线可由惰性金属替代所述第一和第二金属制得，所述惰性金属选自金、银、铂、铱、锇、铼、铑、钌和/或其合金。
其中所述封装步骤是形成封装层图形后生长一层能透过红外光的氧化物作为封装层包裹器件，或由能透过红外光的有机封装材料进行包覆。
其中所述作为封装层的氧化物选自氧化铪、氧化硅，所述有机封装材料选自聚甲基丙烯酸甲酯。
其中通过光刻或电子束曝光形成需要刻蚀的图形，然后利用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀刻蚀掉沟道之外的碳纳米管薄膜。
其中蒸镀的金属层的厚度大于20纳米，优选50纳米到100纳米。
本发明所涉及的级联红外光探测器的通过在半导体性碳纳米管薄膜条带上引入虚电极对来实现增加光电压提高信噪比的目的。其原理如下：
探测器的信噪比定义为S/N(光信号/噪声信号)，对于光电压探测器，光电压与噪声电压的比值即为信噪比。其中，光电压与虚电极对数成线性关系，引入(m-1)对虚电极，器件的的光电压变为mVoc(Voc为碳纳米管二极管光电压)。级联探测器的结电阻变为mRd(Rd为碳纳米管二极管结电阻)。器件的噪声与结电阻的平方根成正比最后器件的信噪比与级联级数的平方根成正比，图4显示十级级联的碳纳米管红外光级联探测器的信噪比相对于单节器件提升了约为倍。器件的信噪比得到显著的提升，使得器件的电压响应度可以超过108V/W，器件的室温探测率可以超过1011Jones，如图5所示。
进一步，采用基于纯度>99.9％的半导体性碳纳米管薄膜取代单根的半导体碳纳米管，以高密度碳纳米管薄膜作为吸光材料和导电通道,可以保证器件的均一性和灵敏度。
本发明的核心在于提出了一种基于纯度为>99.9％的半导体性碳纳米管薄膜红外探测成像器阵列的制备方法，以及通过引入虚电极的方式提高输出光电压，并且有效的提高信噪比和探测率。由于加工工艺简单，可以极大的降低传统红外探测器连接中由复杂工艺带来的高成本。本发明的优点是特别适用于制备小尺寸高性能低成本的室温工作的红外光探测成像器。
附图说明
图1是基于本发明的红外光级联光伏外探测成像器，其包含有n×n个像元模块；
图2图1中是单一像元的电路示意图；
图3是引入m-1对虚电极的本发明红外级联光伏外探测成像器；
图4是基于本发明的级联红外探测器信噪比提升数据对比图；
图5是基于本发明的级联红外探测器的电压响应度和探测率数据图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
本发明的实施例1显示了一种半导体性碳纳米管红外探测成像器，其包含含有碳纳米管级联光电压探测器的像元模块，所述碳纳米管级联光电压探测器设有作为导电通道和吸光材料的半导体性碳纳米管薄膜，所述半导体性碳纳米管薄膜上设有非对称接触电极以及虚电极对。
如图1所示，图1是本发明碳纳米管-硅混合集成红外级联探测成像器的一种实施方式的示意图，包含有碳纳米管探测器，和如图2所示的硅基信号处理电路。
图3是本发明碳纳米管红外光级联光伏探测器的基本形式。在半导体性碳纳米管薄膜条带上的两种非对称电极的宽度为0.5微米，两种非对称电极之间的距离为0.5微米，其中电极1、3、5、7、9、11、13为钪(或钇)电极，电极2、4、6、8、10、12、14为钯电极，具体的工艺步骤如下：
1)采用现有CMOS加工技术制备Si基放大电路等信号处理模块；
2)获得位于Si电路衬底上的本征高密度半导体性碳纳米管薄膜；
3)在半导体性碳纳米管薄膜条带a上通过光刻或电子束刻蚀的方法形成钪电极1、3、5、7、9、11、13和钪金属连接线的图案形状，然后蒸镀一层金属钪，厚度优选为20纳米以上，再剥离去除不需要的钪金属层；
4)在半导体性碳纳米管薄膜条带a上通过光刻或电子束刻蚀的方法形成钯电极2、4、6、8、10、12、14和钯金属连接线的图案形状，然后蒸镀一层金属钯，厚度优选为20纳米以上，再剥离去除不需要的钯金属层；
5)光刻或者电子束刻蚀形成封装层的图形；
6)通过原子层沉积(ALD)方式生长一层氧化物包裹碳管，形成封装层。
图4显示本发明的级联红外探测器信噪比提升数据。
图5显示本发明的级联红外探测器的电压响应度和探测率数据图。
如图4所示，本发明的器件的信噪比得到显著的提升，这使得器件的电压响应度可以超过108V/W，器件的室温探测率可以超过1011Jones，如图5所示。
上面通过实施例对本发明的原理进行了阐述，但本领域的技术人员应当理解，本发明的技术方案并不局限于目前给出的碳纳米管并联器件实施例。因此，在不偏离本发明精神和实质的基础上所做的任何修改或改进，都属于本发明的范畴，本发明的保护范围视所附权利要求书而定。
Claims (10)
1.一种半导体性碳纳米管红外探测成像器，其特征在于：其包含含有碳纳米管级联光电压探测器的像元模块，所述碳纳米管级联光电压探测器设有作为导电通道和吸光材料的半导体性碳纳米管薄膜，所述半导体性碳纳米管薄膜上设有非对称接触电极以及虚电极对。
2.根据权利要求1所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器，其特征在于：所述非对称接触电极由第一金属和第二金属制成，所述第一金属电极和第二金属电极之间插入虚电极对，第一和第二金属电极相间排布，其中一种金属电极共地连接，另一种金属电极连接测量电路进行测量，优选第一金属为钯而第二金属为钪、钇，或者第一金属为钪、钇而第二金属为钯。
3.根据权利要求1所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器，其特征在于：所述半导体性碳纳米管的纯度>99.9％，所述像元模块进一步包括放大器以及与外部读取电路连接的开关。
4.根据权利要求1所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器，其特征在于：所述红外光探测器的导电通道长度不大于0.5微米，优选为0.05～0.5微米。
5.根据权利要求1-4所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)制备硅基信号处理模块；
2)将半导体性碳纳米管沉积或者转移到硅基信号处理模块上；
3)在所得硅基信号处理模块的一维半导体碳纳米管或半导体性碳纳米管薄膜条带上形成第一金属电极和第一金属连接线图形，蒸镀第一金属后剥离多余第一金属层；
4)在所得硅基信号处理模块的一维半导体碳纳米管或半导体性碳纳米管薄膜条带上形成第二金属电极和第二金属连接线图形，蒸镀第二金属后剥离多余第二金属层；
5)封装。
6.根据权利要求5所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器的制备方法，其特征在于所述第一金属为钯而第二金属为钪、钇，或者第一金属为钪、钇而第二金属为钯，所述金属连接线可由惰性金属替代所述第一和第二金属制得,所述惰性金属选自金、银、铂、铱、锇、铼、铑、钌和/或其合金。
7.根据权利要求5所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器的制备方法，其特征在于所述封装步骤是形成封装层图形后生长一层能透过红外光的氧化物作为封装层包裹器件，或由能透过红外光的有机封装材料进行包覆。
8.根据权利要求7所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器的制备方法，其特征在于所述作为封装层的氧化物选自氧化铪、氧化硅，所述有机封装材料选自聚甲基丙烯酸甲酯。
9.根据权利要求5所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器的制备方法，其特征在于通过光刻或电子束曝光形成需要刻蚀的图形，然后利用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀刻蚀掉沟道之外的碳纳米管薄膜。
10.根据权利要求5所述的半导体性碳纳米管红外探测成像器的制备方法，其特征在于蒸镀的金属层的厚度大于20纳米，优选50纳米到100纳米。
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