CN107863412A - 光探测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及光探测及其制造方法。一种光探测器，包括：第一电极；第二电极；以及位于所述第一电极和第二电极之间的六硼化钐纳米线。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器及其制造方法。
背景技术
光探测器是一种将光信号转化为电信号的装置，能够将发光物体进行探测和成像，广泛运用于军事侦探、森林防火、生物成像、卫星遥感和远程通信等领域。光探测器一般利用半导体材料的光电导效应制成的光电转换器件。所谓光电导效应，是指半导体材料在吸收光辐射后材料的电导发生改变的一种物理现象。半导体材料的禁带宽度决定了光探测器的光探测波长范围。光子的能量只有大于半导体的禁带宽度时，半导体才会吸收光子产生电子空穴对，从而改变半导体材料的电导，产生光响应。所以半导体探测器只对某一特定波段的光信号有探测能力。
石墨烯是一种零带隙二维材料，由于其优异的电学和光学性能，如高导电率、高电子迁移率、高导热率、高硬度等特点，使得石墨烯成为一种常见的宽光谱光探测器材料。但是，由于石墨烯低光吸收率及极短的光生载流子寿命，限制了它在光探测方面的应用。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种光探测器，包括：第一电极；第二电极；以及位于所述第一电极和第二电极之间的六硼化钐纳米线。
根据本公开的另一个方面，提供了一种制造光探测器的方法，包括以下步骤：在基底上布置六硼化钐纳米线；在所述六硼化钐纳米线的一端形成第一电极；以及在所述六硼化钐纳米线的另一端形成第二电极。
本公开提供了一种新型的光探测器及其制造方法。该种光探测器的优点将在下面接合实施例具体描述。
附图说明
图1示出了一种制备六硼化钐纳米线的示例性设备的示意图。
图2示出了根据本公开的一个实施例的光探测器的示意图。
图3示出了形成图2所示的光探测器的示意性方法的流程图。
图4示出了经过等离子体刻蚀和未经过等离子体刻蚀的光探测器的I-V曲线。
图5示出了根据本公开的一些实施例的光探测器的示意图。
图6示出了本公开的光探测器进行光探测实验的光电流的示意图。
图7示出了使用根据本公开的光探测器对可见光波段中不同波长的入射光进行探测的电流图。
图8示出了根据本公开的光探测器进行光探测实验的光电流的示意图。
图9示出了根据本公开的光探测器进行光探测实验的光电流的示意图。
图10示出了根据本公开的光探测器在不同功率的入射光照射的情况下产生的光电流的示意图。
图11示出了光电流与入射光功率的关系的曲线。
图12示出了根据本公开的另一种制备六硼化钐纳米线光探测器的方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
图1示出了一种制备六硼化钐纳米线的示例性设备的示意图。如图1所示，该示例性设备为管式炉3。在一个示例性实施例中，通过化学气相沉积方式制备六硼化钐纳米线。具体制备过程如下：
(1)将用于沉积六硼化钐纳米线的硅片7放置在石英管2内；
(2)把氯化钐(SmCl3)粉末6放置在陶瓷舟5中，然后把陶瓷舟5放置在石英管2内，并且位于硅片7的上游；
上面所述的上游和下游是相对于石英管2内的气流而言的。在图1所示的示例中，石英管2内的气流从质量流量计1向泵8流动。因此，当陶瓷舟5位于硅片7的上游时，陶瓷舟5比硅片7更加接近质量流量计1；
(3)通过泵8对石英管2抽真空，并用惰性气体(例如氩气)清洗一段时间(例如5-20分钟)；
(4)通过加热器4将管式炉3内的石英管2加热到预定温度(例如600-1500℃)，在一个示例性实施例中，该温度可以为例如1070℃。
(5)在对石英管2进行加热的同时，通过质量流量计1向石英管2内通入50SCCM的氩气(Ar)和50SCCM的氢气(H2)；
(6)当石英管2的温度达到上述预定温度(例如1070℃)时，在保持氩气和氢气流量的同时，通过质量流量计1向石英管2内通入含硼气体(例如氯化硼BCl3气体)。在一些实施例中，氯化硼的流量可以为例如2-20SCCM，其中在一个具体实施例中，可以为例如5SCCM。
(7)经过例如10-30分钟的预定反应时间后(在一些实施例中为20分钟)，停止通入氯化硼气体，停止加热，石英管2自然冷却至室温。
在硅片7上就可以收集到六硼化钐纳米线。上述六硼化钐纳米线的制备方法在例如发明人的一篇文章中进行了详细描述(Large-scale synthesis and electricaltransport properties of single-crystalline SmB6 nanowires,Y Zhou etal.Journal of Physiscs D:Applied Physics 49(2016)265302(7pp))，本文就不再赘述。
图2示出了根据本公开的一个实施例的光探测器的示意图。如图2所示，基底包括高掺杂硅导电层9和绝缘层10。绝缘层10可以例如由二氧化硅(SiO2)构成。高掺杂硅导电层9可以采用例如P型掺杂或N型掺杂。
在绝缘层10上设置有第一电极11、第二电极14以及一个或多个六硼化钐纳米线13。如图2所示，六硼化钐纳米线13的一端与第一电极11电接触，另一端与第二电极14电接触。当入射光12照射到六硼化钐纳米线13时，将在六硼化钐纳米线13的两端产生电势差。当检流器15的两端分别电连接到第一电极11和第二电极14时，该电势差能在检流器15中产生电流。
第一电极11和第二电极14可以是金属电极，例如Au、Al、Cu等导电性好的金属。此外，在一些实施例中，第一电极11和第二电极14还可以是多层电极。例如每个电极可以包括两层，直接与二氧化硅层接触的金属层是例如Ti层(例如5-10nm厚度)，在Ti层上形成有例如Au层(例如100-300nm厚度)。Ti层可以起到过渡层和晶格适配的作用，可以使得Au层更牢固的粘在二氧化硅层上。
图3示出了形成图2所示的光探测器的示意性方法的流程图。如图3所示，该方法包括以下主要步骤：
(1)在基底上布置六硼化钐纳米线；
(2)在六硼化钐纳米线的一端形成第一电极；以及
(3)在六硼化钐纳米线的另一端形成第二电极。
下面结合具体实施例详细描述制造光探测的方法。
为了布置六硼化钐纳米线，首先要准备表面洁净无尘的基底。在例如图2所示的一些实施例中，基底包括下层的高掺杂硅导电层9和上层的二氧化硅绝缘层10。例如，基底的高掺杂硅导电层9采用高浓度p型掺杂的硅，二氧化硅绝缘层10的厚度为例如285纳米。在根据本公开的一些实施例中，在基底上表面可以带有坐标标记，方便后续六硼化钐纳米线定位和电子束(或光刻)曝光。
为了保证基底清洁，可以将基底依次用丙酮、乙醇进行超声清洗，再用氮气枪或洗耳球快速吹干。若硅片表面仍然残留灰尘，需要比较完全地去除硅片表面附着的有机物，应当参考标准的硅片清洗工艺进行处理。
然后，在步骤301中，通过显微操纵台将六硼化钐纳米线从硅片7转移到基底上。在基底上形成有坐标标记的情况下，还可以记录纳米线的坐标。例如，可以通过纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖对六硼化钐纳米线进行转移。
接下来，采用例如电子束曝光或光刻曝光制备第一电极的图案(步骤302)和第二电极的图案(步骤303)。
在一些实施例中，采用电子束曝光来制备第一电极和第二电极。例如，在基底上用例如旋涂的方法覆盖一层保护层，用来对六硼化钐纳米线进行保护。例如，当后续步骤采用电子束曝光的情况下，可以采用电子束抗蚀剂，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在一些实施例中，可以采用如下具体步骤和参数条件：以1000-5000r/min旋涂5-16％(质量浓度)PMMA溶液，旋涂时间为30-80s；旋涂后，将基底放在例如120-240摄氏度的加热板上烘烤1-10分钟。
在后续步骤采用光刻曝光形成第一电极和第二电极的情况下，也可以选用其它的光致抗蚀剂或硬掩膜来形成六硼化钐纳米线的保护层。
然后，在一些实施例中，使用扫描电镜对电子束抗蚀剂进行曝光、显影、镀膜和去胶处理。例如，在加装ELPHY Quantum图形发生器的FEI NanoSEM 430的扫描电镜下对基底上的预定区域(即后续将形成第一和第二电极的区域)进行电子束曝光，然后使用例如MIBK：IPA＝1：1的显影液进行显影，去除曝光区域中的PMMA。
接下来，在一些实施例中，采用例如电子束蒸镀的方式在基底上形成金属层，例如上面结合图2描述的单层金属电极或者多层结构。然后把形成有金属层的基底放入例如丙酮溶液中浸泡预定时间(例如3-20小时)，从而剥离基底上剩余的PMMA涂层及其上附着的金属，从而形成如图2所示的第一电极和第二电极。
此外，在一些实施例中，还可以采用氩等离子体对显影后的器件进行刻蚀。刻蚀的目的是去除六硼化钐纳米线表面约5纳米厚的氧化层，使得六硼化钐与第一和第二电极有良好的欧姆接触。在一些实施例中，示例性的刻蚀过程如下：把经过显影的器件放置在离子刻蚀室内，将离子刻蚀室抽真空，当达到例如5x10-5Torr时,往离子刻蚀室内通入例如氩气，使气压保持在2x10-4Torr。当气压稳定后开始刻蚀，刻蚀的离子束流为例如44安培，刻蚀时间7分钟。
图4示出了经过上述等离子体刻蚀和未经过等离子体刻蚀的光探测器的电流-电压(I-V)曲线。如图4所示，刻蚀过的纳米线镀膜后，六硼化钐和金属电极(第一电极和第二电极)形成良好的欧姆接触，其I-V为线性，其电阻大约为1100欧姆。而未刻蚀的纳米线，由于其表面有一层氧化层，阻碍了六硼化钐和金属电极的接触，在加偏压后，电流非常小，不利于光探测。
图5示出了根据本公开的一些实施例的光探测器的示意图。如图5所示，该光探测器具有高掺杂的硅导电层507、二氧化硅层511、第一电极509、第二电极510、六硼化钐纳米线508。这些结构与图2所示的光探测的对应结构类似，这里就不再重复描述。
此外，图5所示的光探测器中还设置有光学斩波器501、前置放大器502、锁相放大器503和电流计504。光学斩波器501用于对入射光505进行控制，使得光506按照预定频率(例如372Hz)入射到六硼化钐纳米线上。当光506照射到六硼化钐纳米线508上时，在六硼化钐纳米线508的两端产生电动势，通过连接第一电极509和第二电极510，形成回路，从而产生光电流。但是，由于光电流较小，直接检测光电流具有一定困难。因此，在图5所示的光探测器中，采用了放大器对光电流进行放大。首先，通过前置放大器502对光电流进行放大，然后，锁相放大器503基于光学斩波器的频率对经过前置放大器502放大的光电流进行进一步地放大。最后，通过电流计504检测锁相放大器503输出的放大电流。这样，能够更准确地测量光电流。因此，图5中的前置放大器502、锁相放大器503、电流计504和光学斩波器501共同构成了本申请中的检流器。本领域技术人员应当理解，检流器的结构不限于此。例如，当在第一电极和第二电极上产生的电势差较大时，光电流仅经过前置放大器放大后就能够被电流计检测到。这样，可以省去锁相放大器和光学斩波器。
图6示出了本公开的光探测器进行光探测实验的光电流的示意图。在图6的光探测实验中，使用例如波长为488nm波长的激光对光探测器进行照射，激光功率为20微瓦。如图6所示，当激光处于关闭状态时，此时光探测器的电流很小；当激光处于开启状态时，此时光探测器中的检流器检测到的电流约为0.7纳安(nA)。通过图6可以看出，采用本公开的光电探测器可以实现对入射光的探测。
图7示出了使用根据本公开的光探测器对可见光波段中不同波长的入射光进行探测的电流图。如图7所示，四种入射光的波长分别为488纳米(功率20微瓦)、532纳米(功率30微瓦)、600纳米(功率26微瓦)和633纳米(功率50微瓦)。当激光关闭时，探测器的电流基本为零；当激光开启时，探测器的电流迅速增大。在图7的光探测实验中所用激光功率为10微瓦量级，而光电流有明显的增大。说明六硼化钐纳米线光探测器适合可见光波段，并且其灵敏度高。
图8示出了根据本公开的光探测器进行光探测实验的光电流的示意图。如图8所示，采用波长为4微米的激光照射光探测器，激光功率为0.9毫瓦。当激光处于关闭状态时，此时测得的光探测器的电流几乎为零；当激光处于开启状态时，此时测得的光探测器的电流约为0.15纳安。
图9示出了根据本公开的光探测器进行光探测实验的光电流的示意图。如图9所示，采用波长为10.6微米的激光照射光探测器，激光功率为0.82毫瓦。当激光处于关闭状态时，此时测得的光探测器的电流几乎为零；当激光处于开启状态时，此时测得的光探测器的电流约为1.0纳安。
根据图8和图9可以看出，根据本公开的光探测器在4微米和10.6微米的激光辐照下，电流迅速增加，说明该探测器适合中红外波段光探测。
图10示出了根据本公开的光探测器在不同功率的入射光照射的情况下产生的光电流的示意图。图11示出了光电流与入射光功率的关系的曲线。
如图10和图11所示，光探测器在波长为10.6微米的激光照射下，光探测器的光电流随着激光功率的增加而增大。值得指出的是，人体正常体温约为310K，人体发射的红外线波长在9.6微米附近，该波长和该示例性实验中采用的激光波长非常接近。这说明根据本公开的六硼化钐纳米线探测器可用于红外成像、军事侦察、夜视镜等领域，在军用设备方面有着广阔的应用前景。
图12示出了根据本公开的另一种制备六硼化钐纳米线光探测器的方式的示意图。如图12所示，在该示例性实施例中，六硼化钐纳米线被分散沉积在清洗干净的基底上。纳米线的分散沉积可以通过例如以下方式实现：在挥发性溶剂中加入六硼化钐纳米线，形成六硼化钐纳米线的悬浊液；然后把该悬浊液滴到基底上。这样，当溶剂挥发后，就在基底上形成了分散沉积的六硼化钐纳米线。
然后，通过电子束曝光或者光刻工艺针对每个分散沉积的六硼化钐纳米线制作第一电极和第二电极，从而形成例如图2或图5所示的光探测器。
最后，进行切片、测试、封装等一系列流程，可以得到根据本公开的光探测器。
采用图12所示的方式，能够与现有的微电子制造技术的流程结合，更加适于商业化大规模生产。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种光探测器，包括：
第一电极；
第二电极；以及
位于所述第一电极和第二电极之间的六硼化钐纳米线。
2.根据权利要求1所述的光探测器，还包括检流器，用于检测流过所述六硼化钐纳米线的电流。
3.根据权利要求2所述的光探测器，其中所述检流器包括前置放大器，用于放大所述电流。
4.根据权利要求3所述的光探测器，其中所述检流器还包括：
光学斩波器，用于按照预定频率对入射到所述六硼化钐纳米线上的光进行调制；以及
与所述前置放大器串联的锁相放大器，用于根据所述预定频率放大所述前置放大器输出的信号。
5.一种制造光探测器的方法，包括以下步骤：
在基底上布置六硼化钐纳米线；
在所述六硼化钐纳米线的一端形成第一电极；以及
在所述六硼化钐纳米线的另一端形成第二电极。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在基底上布置六硼化钐纳米线的步骤包括：通过显微操纵台将六硼化钐纳米线放置到基底上。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过光刻技术在六硼化钐纳米线的两端分别形成第一电极和第二电极。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括：
对六硼化钐纳米线进行刻蚀处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其中采用氩等离子体进行所述刻蚀处理。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，在形成所述第一电极和第二电极之前进行所述刻蚀处理。
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