CN108183138A - 一种基于二维微米带的光电器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维微米带的光电器件及其制备方法。所述基于二维微米带的光电器件由微米带和插指电极构成，所述插指电极利用光刻法成对安装于二维微米带上，所述插指电极的指间距为5‑20 um。所述光电器件通过以下步骤通过以下方法制备而得：S1.二维微米带制备；S2.将S1所得的微米带固装在衬底上，得微米带‑衬底组合物；S3.将S2所得的微米带‑衬底组合物装有微米带的表面利用光刻法安装插指电极，得微米带‑衬底‑插指电极组合物；S4.在步骤S3所得的微米带‑衬底‑插指电极组合物表面镀金属电极，得上述光电器件。上述光电器件上述器件在探测中在同时兼具高响应度和高相应速率方面表现出优越的性能，为实现光电器件双光子探测打下了坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及光电元器件制造技术领域,具体涉及一种基于二维微米带的光电器件及其制备方法。
背景技术
随着纳米技术的发展，纳米材料渐渐进入到了人类的生产与生活，给人类的发展带来了极大的便利。尤其在光电领域，纳米激光器，纳米发电机，以及纳米探测器都相继出现在了人们的视野中。但纳米材料发展至今，仍然存在许多问题致我们去研究和挖掘。许多研究成果虽然报道了，但是没有给出一个理想的解释，也有一些器件的性能远远没有达到实际的应用等诸多问题的存在。尤其的纳米结构的光电探测领域，普遍存在探测器的性能一直都上不去，比如响应速率普遍都不高（在毫秒甚至在微妙量级），响应度也不太理想（只能达到10^5量级一下），或是两者只能择其一，不可兼得的这样一种窘境。
在现有的研究报道中，人们更多的把眼光集中在了纳米线上。而纳米线本身就存在一些缺陷，比如，表面态密度较大，载流子的弛豫时间很长，受光照面积有限等。所以针对这些缺陷，导致纳米带的探测一直处于具有较高的响应度，而在响应速率上却慢到几百上千秒这么一个量级，这对于实际的应用带来了极大的困难。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中微纳米级光电探测器不能兼具高响应速率和高相应度的功能，提供一种结构简单、能兼具高响应速率和高响应度、可以通过双光子吸收探测来实现多波段探测的基于二维微米带的光电器件；
本发明的另一目的在于提供一种上述基于二维微米带的光电器件的制备方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于二维微米带的光电器件由微米带和插指电极构成，所述插指电极利用光刻法成对安装于二维微米带上，所述插指电极的指间距为5-20 um。
与传统的微米线，纳米线这种一维的材料相比，上述光电器件所使用的二维微米带具有他独特天然的优势，比如，在维度上，二维的带状比一维的线具有更高的结晶质量，更小的表面态密度，有效减少器件在光电探测时缺陷态发光的现象；在尺寸上，微米量级的二维带给后续器件的制备带了极大的便利，在光电探测时，器件的受光面积上也比一维的线大。
另外，上述器件使用了光刻的方法，在微米带上制作插指电极。在现有的工艺中，一维的微纳米线，微米带很难实现用光刻法在其上制作插指电极，必须要达到一定的尺寸才可以。插指电极的制作极大的提高了器件的响应度，并为实现双光子探测打下了坚实的基础。
在微米带上通过光刻技术制作插指电极，插指电极的指间距可以控制在5-20um。这中密排的插指电极大大提高了器件的光响应，和响应速率，从而使器件的总体性能得到了大大的提升。
其中，上述基于二维微米带的光电器件通过以下方法制备而得：
S1.二维微米带制备；
S2.将S1所得的二维微米带固装在衬底上，得微米带-衬底组合物；
S3.将S2所得的二维微米带-衬底组合物装有微米带的表面利用光刻法安装插指电极，得所述光电器件；
上述二维微米带由金属氧化物或金属氮化物组成；上述衬底可选用蓝宝石等绝缘材料制成的绝缘衬底。
其中，上述步骤S1中的二维微米带经过以下方法制备而成：在960℃的环境下，在镀Au的石英坩埚中利用金属进行氧化反应，得所述金属氧化物微米带。
上述步骤S3中的二维微米带-衬底-插指电极组合物通过以下方法制得：
S31.将光刻胶甩在了二维微米带-衬底组合物表面后，将微米带-衬底组合物去边，并前烘；
S32.将S31所得的前烘后的二维微米带-衬底组合物的表面覆盖光刻掩膜板后，曝光，并进行后烘；
S33.将S32所得的后烘后的二维微米带-衬底组合物显影，并镀金属电极后，超声剥离光刻掩膜板，洗净，即得所述光电器件。
优选地，上述二维微米带由ZnO或GaN制备而成。
优选地，上述插指电极由Au，Al,Pt,Ni或Ti制备而成。
优选地，上述插指电极的数量为11对或11对以上。
优选地，上述光电器件应用于双光子探测。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
（1）上述器件结构简单，制备方法简易，制作插指电极过程中可以使电极的指间距控制在5-20微米之间，在实际的单光子吸收探测上，由于器件具有较高结晶质量的微米带和较小的插指电极指间距，上述器件在紫外的响应度高达10^5数量级，响应速率也达到了24us；上述器件在探测中在同时兼具高响应度和高相应速率方面表现出优越的性能，可以在实际光电探测领域大面积推广，为实现光电器件双光子探测打下了坚实的基础。
（2）另外，上述器件可作为双光子的具有多波段探测性能的探测器。通过双光子吸收上转换来实现探测小于半导体带隙的光，为后续光电器件多波段探测提供了技术基础。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的ZnO微米带生长情况的SEM图；
图2为本发明实施例1所述的ZnO微米带-蓝宝石衬底组合物的SEM图；
图3为本发明实施例1所述基于二维微米带的光电器件的SEM图；
图4为本发明实施例1所述基于二维微米带的光电器件的光学显微影像图；
图5为本发明实施例1所述ZnO微米带的PL谱图；
图6为本发明实施例1所述ZnO微米带低温77K条件下测试得到的PL谱图；
图7为本发明实施例1所述ZnO微米带的拉曼光谱图；
图8为本发明实施例1所述基于二维微米带的光电器件的立体结构示意图；
图9为本发明实施例1所述基于二维微米带的光电器件的I-V特性曲线图；
图10为本发明实施例1所述基于二维微米带的光电器件的光响应度性能曲线图；
图11为本发明实施例1所述基于二维微米带的光电器件的光响应效率性能曲线图；
图12为本发明实施例1所述基于二维微米带的光电器件的双光子探测曲线图（Ⅰ）；
图13为本发明实施例1所述基于二维微米带的光电器件的双光子探测曲线图（Ⅱ）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的作进一步的说明。但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例1
图1所示的是一种基于二维微米带的光电器件的结构示意图，该光电器件由ZnO微米带和插指电极构成，上述插指电极利用光刻法安装于ZnO微米带上，插指电极的数量为11对或11对以上，指间距为5-20 um。在光照下，光电器件的表面产生光生载流子，然后在外加电场下，被密排的插指电极收集形成电信号。
与传统的微米线，纳米线这种一维的材料相比，上述光电器件所使用的二维微米带具有他独特天然的优势，比如，在维度上，二维的带状比一维的线具有更高的结晶质量，更小的表面态密度，有效减少器件在光电探测时缺陷态发光的现象；在尺寸上，微米量级的二维带给后续器件的制备带了极大的便利，在光电探测时，器件的受光面积上也比一维的线大。
另外，上述器件使用了光刻的方法，在微米带上制作插指电极。在现有的工艺中，一维的微纳米线，微米带很难实现用光刻法在其上制作插指电极，必须要达到一定的尺寸才可以。插指电极的制作极大的提高了器件的响应度，并为实现双光子探测打下了坚实的基础。
在微米带上通过光刻技术制作插指电极，插指电极的指间距可以控制在5-20um。这中密排的插指电极大大提高了器件的光响应，和响应速率，从而使器件的总体性能得到了大大的提升。
上述光电器件通过以下方法制备而得：
S1.ZnO二维微米带制备；
S2.将S1所得的ZnO二维微米带固装在蓝宝石衬底上，得如图2的ZnO微米带-蓝宝石衬底组合物；
S3.将S2所得的ZnO二维微米带-蓝宝石衬底组合物装有微米带的表面利用光刻法安装插指电极，上述插指电极由Au组成，得上述光电器件。
上述衬底除了选用蓝宝石衬底外，还可以选用其他通用的绝缘衬底。
上述步骤S1中的ZnO二维微米带经过以下方法制备而成：在镀Au的石英坩埚中，用Zn粉，利用空气中的氧气作为氧源，进行氧化反应，在960-1050℃的高温下生长出高质量的ZnO二维微米带，其中镀Au的石英坩埚是作为生长ZnO微米带的催化剂，上述ZnO微米带生长情况的SEM图如图1所示。
其中，上述步骤S3中的光电器件通过以下方法制得：
S31.将光刻胶均匀甩在了ZnO二维微米带-蓝宝石衬底组合物表面后，将ZnO微米带-蓝宝石衬底组合物去边，并在110℃的条件下，前烘60秒；
S32.将S31所得的前烘后ZnO二维微米带-蓝宝石衬底组合物的表面覆盖光刻掩膜板后，曝光7秒，所选用的光刻掩膜板为指间距是5-20 um的负版。把曝光后的ZnO二维微米带-蓝宝石衬底组合物在110℃的条件下，后烘60秒。
S33.将S32所得的后烘后的二维微米带-衬底组合物显影，并镀金属电极后，剥离光刻掩膜板，洗净，即得所述光电器件。
上述步骤S33通过以下方法进行：将S32所得的微米带-衬底-插指电极组合物在DPD-230显影液中显影45s。在用去离子水清晰，氮气枪吹干净；然后在组合物上用EB镀10nm镍100nm的金电极；并将镀了金电极的组合物在丙酮溶液中进行超声剥离，至插指电极暴露出来，即得上述基于二维微米带的光电器件，光电器件的SEM图和光学显微影像图分别如图3和图4
在上述器件中，微米带除了可以是ZnO，还可以由GaN制备而成，上述插指电极除了Au，还可以由Al,Pt,Ni或Ti制备而成。
如图5是上述的ZnO微米带的PL谱图，从图中可以看到，在室温下有很强的紫外带边发光，而在可见光区几乎看不到缺陷发光，说明上述步骤制备的ZnO微米带具有较高的结晶质量，较少的缺陷态发光。
为了进一步说明ZnO微米带的高结晶质量，也对微米带做了低温77K的PL测试，得到如图6的PL谱图。这个时候可以明显的看到束缚激子发光，以及它的四阶声子伴线，这也进一步说明了上述制备的ZnO微米带具有很高的结晶质量，为我们之后做器件做高型能器件奠定了坚实的基础。
另外，对上述制备的ZnO微米带做了拉曼光谱表征测试。得到如图7的中可以看到拉曼光谱图，ZnO微米带具有四个拉曼峰。其中A1(TO)这个峰的出现，说明微米带的取向是M面朝上的这么一个晶体取向。
如图8是上述制备的光电器件的结构示意图，可以看到器件是基于ZnO微米带的MSM结构的插指电极探测器，指间距在5-20微米。在光照下，产生光生载流子，然后在外加电场下，被密排的插指电极收集形成电信号。
通过对上述制备的光电器件进行电流和电压的性能测试，得到如图9的I-V特性曲线，从数据中我们可以看到，在没有光照的情况下，暗电流只有几个微安，I-V曲线具有整流特性，说明电极与半导体的接触是肖特基接触，这也促进了器件在高频区间的快速响应速率。在有光照的情况下，器件的光电流达到几个好毫安，这也充分说明器件具有较大的明暗比和信噪比。
对上述制备的器件进行器件响应度性能的测试，得到如图10所示的器件光响应度性能曲线图，从图中可以看到，在20V的偏压下，探测器在近紫外的响应度高达10^5 A/W的数量级，这也充分说明我们的探测器具有较高的外量子效率，在紫外区有较大的光电导增益。
对上述制备的器件进行器件响应效率性能的测试，得到如图11的器件响应相应效率性能曲线图，从图中可以看出，在响应速率上，器件的上升沿仅仅只有418 ns,下降沿也只有24 us，这充分说明器件具有优越的高频探测能力。而且随着外加偏压的增大，器件的响应速率在不断提高。
对上述制备的器件进行器件相双光子探测的测试，通过同时吸收两个小于材料带隙能量的光子来实现上转换产生光生载流子，从而实现双光子探测，测试结果如图12和图13，从图12可以看到，器件在810nm附近具有最高的双光子吸收光响应。不光如此,从图13可以看到，器件的响应随着入射光功率的增加呈现指数型增长，也充分说明了双光子吸收的非线性效应产生的光生载流子上述制备的器件的测试中可以观察到的。
显然，本专利的上述实施例仅仅是为清楚地说明本专利所作的举例，而并非是对本专利的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于二维微米带的光电器件，其特征在于，所述光电器件由二维微米带和插指电极构成，所述插指电极利用光刻法成对安装于二维微米带上，所述插指电极的指间距为5-20 um。
2.一种制备权利要求1所述光电器件的方法，其特征在于，所述器件通过以下步骤制备而得：
S1.二维微米带制备；
S2.将S1所得的二维微米带固装在衬底上，得二维微米带-衬底组合物；
S3.将S2所得的二维微米带-衬底组合物装有微米带的表面利用光刻法安装插指电极，得所述光电器件；
所述二维微米带由金属氧化物或金属氮化物组成。
3.根据权利要求2所述的基于二维微米带的光电器件，其特征在于，所述步骤S1中的二维微米带经过以下方法制备而成：在960-1050℃的环境下，在镀Au的石英坩埚中利用金属与气源反应，得所述二维微米带；
所述气源为氧气源或氮气源。
4.根据权利要求2所述的基于二维微米带的光电器件，其特征在于，所述步骤S3中的光电器件通过以下方法制得：
S31.将光刻胶甩在了二维微米带-衬底组合物表面后，将微米带-衬底组合物去边，并前烘；
S32.将S31所得的前烘后的二维微米带-衬底组合物的表面覆盖光刻掩膜板后，曝光，并进行后烘；
S33.将S32所得的后烘后的二维微米带-衬底组合物显影，并镀金属电极后，超声剥离光刻掩膜板，洗净，即得所述光电器件。
5.根据权利要求4所述的基于二维微米带的光电器件，其特征在于，所述光刻掩模版是指间距为5-20um的负板。
6.根据权利要求1所述的基于二维微米带的光电器件，其特征在于，所述二维微米带由ZnO或GaN制备而成。
7.根据权利要求1所述的基于二维微米带的光电器件，其特征在于，所述插指电极由Au，Al,Pt,Ni或Ti制备而成。
8.根据权利要求1所述的基于二维微米带的光电器件，其特征在于，所述插指电极的数量为11对或11对以上。
9.根据权利要求1所述的基于二维微米带的光电器件，其特征在于，所述光电器件应用于双光子探测。
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|---|---|---|---|
| CN201711354196.4A CN108183138A (zh) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 一种基于二维微米带的光电器件及其制备方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115117188A (zh) * | 2022-06-22 | 2022-09-27 | 南京航空航天大学 | 基于硒化锑微米带的多面近红外偏振探测器及制备方法 |
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