CN109950359A - 一种利用二氧化铪钝化增强型低维纳米探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用二氧化铪钝化增强型低维纳米探测器及制备方法。器件结构衬底自下而上依次为氧化物层、纳米半导体层、源电极，漏电极分别在纳米半导体层两侧，纳米半导体层其余部分被钝化介质层覆盖。器件制备步骤是将用CVD方法生长出的超薄硫化镉纳米带转移到具有氧化物层的硅衬底上，利用电子束曝光和热蒸发等工艺制作源、漏电极，然后再利用电子束曝光和原子层沉积等工艺制作二氧化铪钝化介质层，制备成低维纳米光电探测器。该探测器具有高灵敏、暗电流小、稳定性好、低功耗及宽光谱探测等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种低维纳米光电探测器件，具体指一种利用二氧化铪钝化增强型低维纳米探测器及制备方法。
背景技术
准一维半导体纳米带由于具有特殊的光、电、磁等物理化学性能及纳米结构的奇特性能逐渐成为了全球各国研究人员关注的焦点。关于低维纳米结构材料的研究，无论是材料的可控合成、器件的制备，还是与尺寸直接关联的低维物理的研究等，各个环节都还存在许多有待解决的问题。其中硫化镉(CdS)作为典型的准一维材料，典型的直接带隙(2.4eV)II-VI族化合物半导体材料，它们具有比较特殊的光电转换性质，同时也被称为第三代光电子半导体材料，被广泛应用于信号检测、液晶显示器和太阳能电池等高科技领域。基于这些半导体纳米带的光电探测器因其大的比表面积、表面态和晶格缺陷会产生高的本征载流子浓度，在一定程度上导致器件具有较大的暗电流，从而严重影响了器件的光探测性能。因此，迫切需要研究一种独特的器件结构来解决硫化镉缺陷带来的本征载流子以降低暗电流，从而提高器件的信噪比和探测能力。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于CdS的利用二氧化铪(HfO2)钝化增强型的单根纳米带低维纳米探测器及制备方法。该方法是在CdS沟道的上全部覆盖一层很薄的HfO2，利用二氧化铪对钝化，减少材料表面的缺陷，抑制缺陷态产生的电子浓度，从而来调控器件阈值电压，成功的抑制了暗电流，具有较高的整流比，较高的探测率和响应率。
发明内容
本发明提供了一种基于CdS的低维纳米光电探测器件，具体指一种利用二氧化铪钝化增强型低维纳米探测器及制备方法。
上述发明利用在CdS纳米带表面沉积氧化铪，对纳米带的表面缺陷进行了钝化，大部分表面缺陷得到修复，不能作为载流子供体，降低了本征载流子，从而大大降低了探测器在无栅压下的暗电流，光电探测器实现了低暗电流，探测率高，低功耗等目的。
所述的探测器的结构为：在P型Si衬底1上有SiO2氧化层2，在SiO2氧化层上有CdS纳米带3，在CdS纳米带上左右两端制作源极4和漏极5，在源极和漏极中间CdS纳米带上沉积钝化介质层6；
所述的P型Si衬底1是硼重掺杂；
所述的SiO2氧化层2的厚度是280纳米；
所述的CdS纳米带3的厚度是50～80纳米,长宽分别是10～20微米，2微米；
所述的源极4和漏极5为Cr和Au电极，下层Cr厚度为15纳米，上层Au厚度为45纳米。
所述的顶部钝化介质层6是HfO2，厚度是20纳米。
器件制备方法包括以下步骤：
1).采用化学气相沉积(CVD)方法在纯Si片上利用Au颗粒催化生长CdS纳米带，通过物理转移的方法将CdS纳米带转移到SiO2/Si衬底上；
2).利用电子束曝光EBL技术，热蒸发和剥离等技术在预先转移的CdS纳米带的上方准确定位沉积铬和金电极，用来做源、漏极；
3).利用电子束曝光EBL技术，原子层沉积和剥离等技术在预先转移CdS纳米带的正上方沟道的全部沉积二氧化铪介质层，从而对CdS纳米带表面进行钝化，制备成增强型单根纳米带低维光电探测器。
因为CdS纳米带中缺陷或陷阱会产生高的本征载流子浓度，在一定的源漏偏压下，这些本征载流子所产生的热电子和隧穿电流形成了较大的沟道电流即暗电流。光照下，当入射光子的能量大于硫化镉的禁带宽度时，产生的光生电子-空穴对在外加偏压下分离，从会形成光生电流，此时收集的电流为暗电流与光生电流的总和。利用二氧化铪对CdS纳米带的表面缺陷进行钝化，大部分表面缺陷得到修复，不能作为载流子供体，降低了本征载流子，从而使探测器的暗电流降到pA以下，实现了明显拟制暗电流。同时二氧化铪在硫化镉表面，隔绝了材料与空气中的水氧接触，保持了CdS材料的稳定性。因此这种钝化后的增强型单根纳米带探测器在光照下的沟道电流主要是由光生电子-空穴对所产生的光生电流形成的，由于暗电流得到了有效的抑制，从而大大提高了器件的信噪比和探测能力。
本发明专利的优点在于：
本发明在CdS纳米带沟道的全部覆盖一层很薄的HfO2，利用二氧化铪对材料表面缺陷进行钝化，大部分表面缺陷得到修复，不能提供本征载流子，从而从而大大降低了探测器的暗电流，提高了器件的信噪比和响应速度，很好的解决了CdS纳米带暗电流大的缺点。基于该方法，硫化镉纳米带单根器件探测器件，暗电流可以到10-12A，响应率和探测率可以稳定的保持在～104A/W和～1015Jones。
附图说明
图1是基于CdS二氧化铪钝化增强型的单根纳米带低维光电探测器的结构示意图。
图1中：1P型Si衬底，2SiO2氧化层，3CdS纳米带，4源极，5漏极，6钝化介质层。
图2是CdS的能带示意图，其中(a)图为二氧化铪钝化处理前的能带示意图，(b)图为二氧化铪钝化处理后的能带示意图。
图3是硫化镉纳米带在钝化前后分别在无光照和有光照下的输出特性曲线图。
图4是二氧化铪钝化增强型的单根纳米带低维光电探测器在不同入射光功率下的响应率和探测率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
本发明研制了二氧化铪钝化增强型的单根纳米带低维光电探测器。在CdS沟道上全部覆盖一层很薄的HfO2，用二氧化铪对材料表面缺陷进行钝化，大部分表面缺陷得到修复，不能提供本征载流子，从而从而大大降低了探测器的暗电流，提高了器件的信噪比和响应速度，很好的解决了CdS纳米带暗电流大的缺点，同时具有较高的整流比，较高的探测率和响应率。
具体步骤如下：
1.衬底的选择
选用B重掺杂p型硅做为衬底，电阻率为0.05Ω·cm，SiO2氧化层厚度是280nm；
2.mark标记的制作
利用紫外光刻方法在p型硅衬底上制备mark图形，利用热蒸发技术制备金属mark，铬15纳米，金45纳米，结合传统剥离方法，剥离金属膜，获得金属mark标记。
3.材料的制备与转移
采用化学气相沉积(CVD)方法在纯硅片上制备CdS纳米带，首先在Si衬底上热蒸发1nm厚的Au薄膜，然后将CdS粉末放置在陶瓷舟上并置于石英管中央，石英管外围的管式炉可对系统进行加热。Si片平放在石英舟上，一起放入石英管气流下游距粉末15cm处。抽真空至1×10-1Pa，反应过程中系统保持流量是为100sccm的氩气和氢气(10％)混合气作是载气，从室温开始加热到750℃，气压维持在200Pa，然后保温50分钟，实验完成后，停止加热并持续通入载气，让反应管自然冷却到室温。最后将生长的纳米带物理转移到有SiO2氧化层带mark的p型硅衬底上。
4.制备源、漏电极
通过光学显微镜在材料处拍照，利用DesignCAD21软件设计制备底电极的图形，用匀胶机旋涂PMMA，转速4000转/min，时间40s，170度烘干时间为5分钟；利用电子束曝光，对电极图形进行精准定位曝光，然后用PMMA显影液进行显影；利用热蒸发技术制备金属电极，铬15纳米，金45纳米；结合传统的剥离方法，用丙酮溶液浸泡10分钟，剥离金属膜，获得源、漏电极。
5.制备HfO2介质层
通过光学显微镜在电极处拍照，然后利用DesignCAD21软件设计在图片上HfO2制备的图形，图形要求覆盖CdS纳米带沟道全部区域；利用用匀胶机旋涂PMMA，转速4000转/min，时间40s，170度烘干时间为5分钟；利用电子束曝光，对电极图形进行精准定位曝光，然后用PMMA显影液进行显影；利用原子层沉积技术沉积HfO2，厚度20纳米；结合结合传统的剥离方法，用丙酮溶液浸泡10分钟，剥离获得HfO2介质层。
6.图1是器件结构示意图。
7.图2是二氧化铪钝化处理前(a)和处理后(b)层的CdS的能带示意图。因纳米带中缺陷或陷阱会产生高的本征载流子浓度，会导致较大的暗电流，从而影响器件的探测性能。为了实现对本征载流子的减少，在CdS沟道上全部覆盖一层很薄的HfO2，用二氧化铪对材料表面缺陷进行钝化，大部分表面缺陷得到修复，不能提供本征载流子，从而从而大大降低了探测器的暗电流，提高了器件的信噪比和响应速度，很好的解决了CdS纳米带暗电流大的缺点，同时具有较高的整流比，较高的探测率和响应率。
8.图3硫化镉纳米带在钝化前后分别在无光照和有光照下的输出特性曲线。钝化前，CdS纳米线光探测器的光开关比均小于1。钝化后，纳米带光探测器的暗电流均降至pA以下，光开关比Iph与Idark之比达106到107，信噪比得到大大地提高。
9.图4是二氧化铪钝化增强型的单根纳米带低维光电探测器在不同入射光功率下的响应率和探测率的曲线。对于不同的沟道长度(6μm到12μm)及厚度(50nm到80nm)，器件均显示了超高的光响应性能，响应率和探测率公式分别为
a).二氧化铪钝化增强型的单根纳米带(宽度2μm，厚度50nm，沟道12μm)低维光电探测器(光电探测器在近紫外波段(λ＝450nm)的探测率达3×1013Jones；
b).二氧化铪钝化增强型的单根纳米带(宽度2μm，厚度60nm，沟道9μm)低维光电探测器(光电探测器在近紫外波段(λ＝450nm)的探测率达2×1014Jones；
c).二氧化铪钝化增强型的单根纳米带(宽度2μm，厚度80nm，沟道6μm)低维光电探测器(光电探测器在近紫外波段(λ＝450nm)的探测率达1×1015Jones。
结果说明本发明二氧化铪钝化增强型的单根纳米带低维光电探测器及其制备方法，该结构器件，可有效抑制缺陷态产生的电子浓度，从而来调控器件阈值电压，成功的抑制了暗电流。该探测器具有高灵敏、暗电流小、稳定性好、低功耗及宽光谱探测等特点。
Claims (2)
1.一种利用二氧化铪钝化增强型低维纳米探测器，包括P型Si衬底(1)、SiO2氧化层(2)、源极(4)和漏极(5)，其特征在于：
所述的探测器的结构为：在P型Si衬底(1)上有SiO2氧化层(2)，在SiO2氧化层上有CdS纳米带(3)，在CdS纳米带上左右两端制作源极(4)和漏极(5)，在源极和漏极中间CdS纳米带上沉积钝化介质层(6)；
所述的P型Si衬底(1)是硼重掺杂，电阻率小于0.05Ω·cm；
所述的SiO2氧化层(2)的厚度是280纳米；
所述的CdS纳米带(3)的厚度是50～80纳米,长宽分别是10～20微米、2微米；
所述的金属源极(4)和金属漏极(5)为Cr和Au电极，下层Cr厚度为15纳米，上层Au厚度为45纳米；
所述的钝化介质层(6)是HfO2，厚度是20纳米。
2.一种制备如权利要求1所述的利用二氧化铪钝化增强型的低维纳米探测器的方法，其特征在于方法步骤如下：
1).采用化学气相沉积CVD方法在纯Si片上利用Au颗粒催化生长CdS纳米带，通过物理转移的方法将CdS纳米带转移到SiO2/Si衬底上；
2).利用电子束曝光EBL技术，热蒸发和剥离等技术在预先转移的CdS纳米带的上方准确定位沉积铬和金电极；
3).利用电子束曝光EBL技术，原子层沉积和剥离等技术在预先转移的CdS纳米带的正上方沟道全部沉积氧化铪介质层，从而对CdS纳米带表面进行钝化，制备成增强型单根纳米带低维纳米光电探测器。
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