CN115000231B - 一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种PS纳米球辅助的4H‑SiC基热载流子型光电探测器及其制备方法，探测器包括自上而下依次设置的顶电极层、PS:TiN‑NPs层、半导体层、底电极层，所述顶电极层为半透明金属电极，PS:TiN‑NPs层包括单层排布在半导体层上的PS纳米球阵列和溅射在PS纳米球阵列表面的TiN纳米颗粒层，所述PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒在半导体层表面呈周期性排布形成，所述半导体层为4H‑SiC基底，底电极层为不透光金属电极。本发明提供了器件在可见‑近红外宽谱范围内的亮电流，提升了探测器的探测性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器在图像传感、光通信、安全监测等领域应用广泛。传统光电探测器主要基于半导体感光原理，这类器件只能吸收能量高于半导体带隙的光子，导致其响应波段受到了限制。为了拓宽其工作带宽，可利用金属作感光材料。较之平直型金属薄膜结构，引入微纳结构之后的金属所激发表面等离激元共振效应能够增强光吸收。当金属吸收光子后，会产生大量的高能载流子，即热载流子，包含热电子与热空穴两类。当这些热电子或热空穴越过金属-半导体界面，进入半导体中后经传输被电极，便形成了光电流。其中，由金属与n型半导体构成的热载流子型光电探测器中收集的是热电子，可称之为热电子光电探测器，较之由金属与p型半导体构成的热空穴型光电探测器更为常见。需要指出的是，基于热载流子的光电探测器通常具有比较低的外量子效率，只有当器件的暗电流足够低时，才能表现出相对可观的亮暗电流比。通常情况下，对于金属-半导体-金属结构，只有形成肖特基接触才能有效地抑制暗电流，达到热载流子信号不被背景噪声淹没的目的。然而，半绝缘型4H-SiC的本征载流子浓度极低，室温下达10-9cm-3量级，基于此，所制成的金属-半导体-金属型光电探测器具有极低的暗电流。相比而言，Si在室温下的本征载流子浓度为1010cm-3，所制成的光电探测器普遍暗电流较高。因此，与Si相比，4H-SiC在开发高性能热载流子光电探测器表现出明显优势。
已经报道的有关热电子光电探测器的工作中，所采用的金属微纳结构多数具有相对单一的形式，它们所激发的表面等离激元共振效应表现出相对较弱的强度，光吸收范围较窄，限制了热载流子光电探测器性能的进一步提高。在4H-SiC热载流子光电探测器方面，2021年，崔艳霞等人公开了一项名称为《一种碳化硅基全谱响应光电探测器及其制备方法》的专利(公开号:CN 113013278 A)，该光电探测器在金属-半导体-金属型4H-SiC光电探测器中，引入了经退火形成的金属纳米颗粒结构，实现宽谱范围内的热载流子型光电探测性能。然而，上述经退火形成的金属纳米颗粒结构虽然制备方式简单，但其结构形式十分单一，相应地，表面等离激元增强型光吸收效率不高，无法实现高性能的热载流子光电探测器。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器及制备方法，以实现可见-近红外宽谱范围的高性能响应。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，包括自上而下依次设置的顶电极层、PS:TiN-NPs层、半导体层、底电极层，所述顶电极层为半透明金属电极，PS:TiN-NPs层包括单层排布在半导体层上的PS纳米球阵列和溅射在PS纳米球阵列表面的TiN纳米颗粒层，所述PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒在半导体层表面呈周期性排布形成，所述半导体层为4H-SiC基底，底电极层为不透光金属电极。
PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒在半导体层表面呈等边三角形的周期性排布形成。
所述PS纳米球颗粒的直径为80±5nm，相邻两个PS纳米球颗粒球心之间的距离为100nm±10nm。
所述TiN纳米颗粒层的厚度为40nm±5nm。
所述半导体层的厚度为100～1000μm，顶电极层的厚度为15nm±5nm，底电极层的厚度为100nm±20nm。
所述半导体层选用半绝缘型4H-SiC基底，其电阻率在1e13 ohm·cm至1e15ohm·cm之间；所述顶电极层的材料为TiN，所述底电极层材料的材质为Al。
此外，本发明还提供了所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器的制备方法，包括以下几个步骤：
S1、对4H-SiC基底进行清洗；
S2、利用PS纳米球悬浊液，在4H-SiC基底的一面自组装制备单层密排的PS纳米球阵列，然后利用反应离子刻蚀法，对PS纳米球阵列中的PS纳米球颗粒进行刻蚀，使得PS纳米球阵列中PS纳米球颗粒的直径减小；
S3、利用磁控溅射法，在4H-SiC基底上制备了PS纳米球阵列的一面上制备TiN纳米颗粒层，获得PS:TiN-NPs层；
S4、继续利用磁控溅射法在PS:TiN-NPs层上制备半透明顶电极层；
S5、使用磁控溅射工艺在制作好TiN膜层的器件基础上，将样品翻转，在4H-SiC的另一侧使用Al制作不透光底电极；
所述步骤S2中，采用的PS纳米球悬浊液中，PS纳米球的直径为100nm，其采用甲醇作溶剂，浓度2.5wt％。
所述步骤S2中，对PS纳米球阵列中的PS纳米球颗粒进行刻蚀时，得到的PS纳米球颗粒为80±10nm。
所述步骤S3中，TiN纳米颗粒层的厚度为40nm±5nm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器及制备方法，在半绝缘型4H-SiC基底的两侧分别制作顶电极TiN和底电极Al，形成垂直型光电探测器，而且通过在4H-SiC半导体层与底部电极层的界面处引入PS纳米球和TiN纳米颗粒的复合结构(PS:TiN-NPs)，使得器件在可见-近红外宽谱范围内的亮电流显著提升。这是由于PS:TiN-NPs层在400nm-900nm的波段范围内具有宽谱光吸收能力，辅助实现了热载流子的高效产生。特别地，在波长为660nm、光功率为0.4mW的入射光照射下，本发明的亮电流为652nA，比对照器件高4个数量级左右。虽然添加了PS:TiN-NPs层导致器件的暗电流有所上升，然而，由于亮电流提升的效应更为显著，综合下来，本发明在660nm波长下实现了高达21900的亮暗电流比，是对照器件的46倍。因此，本发明可以实现PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，提高了器件可见-近红外宽谱范围的亮电流响应性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器(TiN/PS:TiN-NPs/4H-SiC/Al)的结构示意图；图中：1-4H-SiC；2-PS纳米球颗粒，3-TiN纳米颗粒层，4-空隙，5-顶电极层，6-底电极层，7-PS:TiN-NPs层；
图2为本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器中4H-SiC基底上排布好的PS纳米球的结构示意图(a)及PS:TiN-NPs复合结构的SEM表面形貌图(b)；
图3为本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器的基底在引入PS:TiN-NPs前后的光吸收谱对比图；
图4为本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器与对照器件(TiN/4H-SiC/Al)在375nm、660nm、850nm光源下的电流柱状图对比，器件有效面积区域接收的光功率均为0.4mW，所加的偏置电压均为20V；
图5为本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器与对照器件(TiN/4H-SiC/Al)在660nm的光源下电流-电压曲线对比。器件有效面积区域接收的光功率均为0.4mW；
图6为本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器与对照器件(TiN/4H-SiC/Al)在暗态下的电流-电压特性曲线对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，包括自上而下依次设置的顶电极层1、PS:TiN-NPs层7、半导体层5、底电极层6，所述顶电极层1为半透明金属电极，PS:TiN-NPs层7包括单层排布在半导体层上的PS纳米球阵列和溅射在PS纳米球阵列表面的TiN纳米颗粒层3，所述PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒2在半导体层5表面呈周期性排布形成，所述半导体层5为4H-SiC基底，底电极层6为不透光金属电极。
具体地，所述PS纳米球颗粒2在半导体层5表面呈等边三角形的周期性排布。
具体地，本实施例中，所述PS纳米球颗粒2的直径为80±10nm，相邻两个PS纳米球颗粒2球心之间的距离为100nm±10nm。
优选地，所述PS纳米球颗粒2的直径为80±5nm。PS:TiN-NPs层7中，相邻PS纳米球颗粒2的两球心之间的距离为100nm±2nm。
具体地，本实施例中，PS:TiN-NPs层7通过自组装方式结合磁控溅射镀膜方法获得。其通过在4H-SiC半导体层上先制备一层直径为100nm的PS纳米球阵列结构，PS纳米球阵列为PS纳米球颗粒在二维平面内呈等边三角形的周期性密排结构，接着，对PS纳米颗粒球进行刻蚀，使其直径减小为80±5nm，得到如图2中(a)所述的PS纳米球颗粒2。然后，再在PS纳米球颗粒2的表面磁控溅射一层厚度为40nm±5nm的TiN材料，使得TiN材料分布在刻蚀后的PS纳米球间隙中，完成了PS:TiN-NPs层的制备，其SEM表面形貌如图2中(b)所示，所获得的PS:TiN-NPs复合结构从表面看，复合纳米球的最高处厚度为刻蚀后PS球的直径与所溅射TiN层厚度的和，大约为120±10nm。需要指出的是，由于制备时PS纳米球的遮挡阴影效应，所以PS纳米球的球心正下方区域存在一定的空隙4，如图1中所示。
具体地，本实施例中，所述TiN纳米颗粒层3的厚度为40nm±5nm。PS:TiN-NPs层7最高处，即PS纳米球颗粒最顶部的TiN纳米颗粒层上表面与4H-SiC上表面的距离为120±10nm，PS:TiN-NPs层7的最低处，即PS纳米球颗粒2之间低凹区域与4H-SiC上表面的距离为40nm±1nm。
具体地，本实施例中，所述半导体层5的厚度为100～1000μm，顶电极层1的厚度为15nm±5nm，底电极层6的厚度为100nm±20nm。
具体地，本实施例中，所述半导体层5选用半绝缘型4H-SiC基底，其电阻率在1e13ohm·cm至1e15 ohm·cm之间；所述顶电极层1的材料为TiN，所述底电极层6材料的材质为Al，器件整体结构为TiN/PS:TiN-NPs/4H-SiC/Al。
本发明实施例提供了一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，通过在顶电极、半导体层和底电极构成的紫外光电探测器中引入PS:TiN-NPs层，增强了在400nm-900nm宽谱范围内的光电流。在波长为660nm(光功率为0.4mW)的入射光照射下，本发明的亮电流为652nA，比对照器件高4个数量级左右。虽然添加了PS:TiN-NPs层导致器件的暗电流有所上升，然而，由于亮电流提升的效应更为显著，综合下来，本发明在660nm波长(光功率为0.4mW,20V偏压)下实现了高达21900的亮暗电流比，是对照器件的46倍。
实施例二
本发明实施例二提供了一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器的制备方法，本实施例中，所使用的材料有：
4H-SiC基底、TiN靶材、Al靶材、氨水、双氧水、去离子水、硫酸、硝酸、洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、三甲基铝、PS纳米球悬浊液(2.5wt％水溶液)、甲醇、金属掩膜版。其组合用量及筛选标准如下：
4H-SiC基底：半绝缘型，呈弱n型，其电阻率在1e14 ohm·cm，20mm×20mm，厚度500μm；
TiN靶材：固体，铜背板绑定，99.9％纯度；
Al靶材：固体，99.999％纯度；
氨水：NH4OH，25％
双氧水：H2O2，3％；
去离子水：H2O 8000mL±50mL；
硫酸：H2SO4，98％；
硝酸：HNO3，68％
洗洁精：2±0.5mL；
丙酮：CH3COCH3 250mL±5mL；
无水乙醇：C2H5OH 500mL±5mL；
甲醇：CH3OH 500mL±5mL；
三甲基铝：C3H9Al 1.0M己烷溶液100mL±5mL；
PS纳米球悬浊液：直径100nm，甲醇作溶剂，浓度2.5wt％；
金属掩膜版：不锈钢；条形图形，镂空宽度2mm、间距5mm。
本发明实施例二提供的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器的制备方法，包括以下几个步骤：
S1、对4H-SiC基底进行清洗。
所述步骤1中的4H-SiC基底的清洗包括以下几个步骤：
S101、使用量筒将双氧水、氨水和去离子水以10:10:1的体积比加入至聚四氟乙烯烧杯中，随后将4H-SiC基底放入至该聚四氟乙烯烧杯中，用铝箔纸盖住烧杯口，浸泡20min以上，随后将4H-SiC基底取出，并用清水冲净以去除残留的溶液。
S102、在另一个聚四氟乙烯烧杯中加入用去离子水以体积比4:1稀释的硝酸溶液，将4H-SiC基底放入其中，随后用铝箔纸盖住烧杯口，超声处理30min，随后将4H-SiC基底取出，并用清水冲净以去除残留的溶液。
S103、在薄片表面上涂敷洗洁精，在水流下反复揉搓清洗4H-SiC基底，直至用清水冲洗4H-SiC基底表面能形成均匀的水膜。
S104、随后，将4H-SiC基底垂直放置在烧杯架上，置于玻璃烧杯中，依次加入去离子水、丙酮，无水乙醇溶剂各超声15min。至此，4H-SiC基底清洗完毕，将洗净的4H-SiC基底放入装有异丙醇溶剂的烧杯中，用铝箔纸盖住烧杯口以备用。
S2、利用PS纳米球悬浊液，在4H-SiC基底的一面自组装制备单层密排的PS纳米球阵列，然后利用反应离子刻蚀法，对PS纳米球阵列中的PS纳米球颗粒进行刻蚀，使得PS纳米球颗粒的直径减小。
所述步骤S2具体包括以下步骤：
S201、使用量筒在玻璃烧杯中配置体积比等于10:10:1的NH3(aq):H2O2:去离子水混合溶液加入玻璃烧杯中，随后将4H-SiC基底放入，利用PS烧杯架使基底充分接触溶液，用铝箔纸盖住烧杯口，常温下静置10分钟。
S202、使用量筒在玻璃烧杯中配置体积比等于4:1的H2SO4(98％):H2O2混合溶液，将放有经过步骤S203处理的4H-SiC基底放入，利用PS烧杯架使基底充分接触溶液，用铝箔纸盖住烧杯口，在常温下静置20分钟。
S203、将直径100nm、质量比2.5wt％的PS纳米球悬浊液与甲醇溶液混合(以1:2的体积比)放入棕色玻璃瓶中，在超声波清洗机中超声5分钟，取出备用。
S204、将经过表面处理后的4H-SiC基底处理使用去离子水清洗，使用氮气将其吹干，置于倒扣的培养皿上，在衬底上滴适量的去离子水。
S205、使用注射器从玻璃瓶中抽取适量的溶液，把注射器固定到泵注射器上，调整泵注射器的高度，使得注射器的注射头与4H-SiC基底等高，设置泵的注射速率为0.5mL/min，把配置好的PS悬浊液从基底的一角缓慢地注射到衬底上，肉眼可观察到由于张力水膜被推到对角，而PS纳米球也优先在对角自组装成单层薄膜，随着注射的悬浊液的增多，组装好的PS纳米球阵列不断向注射器的角落扩展，到最后调整泵的注射速率为0.25mL/min，使得注射的悬浊液的量变少，以保证PS纳米球单层排布的区域尽可能大；
S206、待整个水膜基本都被单层PS纳米球阵列覆盖后，将倒扣的培养皿连同样品放到60℃的热盘上隔空对样品加热约2h，控制挥发和对流速度，水膜完全蒸干，在4H-SiC基底上就留下呈周期性等边三角形密排的PS纳米球层；
S207、将排布好PS纳米球阵列的4H-SiC基底从热台上取下放入培养皿备用；
S208、打开反应离子刻蚀机的流量计与氧气流量开关，把氧气流量大小调节到合适的流量大小，打开反应离子刻蚀机的舱门，将排布好PS纳米球阵列的4H-SiC放入刻蚀机舱门中，关闭舱门，打开真空泵。
S209、当舱内压力达到5pa时，打开反应离子刻蚀机的刻蚀电源，将刻蚀功率旋钮调到30W，观察舱内出现辉光，开始刻蚀。刻蚀过程持续到PS纳米球颗粒的尺寸达到所需的大小。
S210、刻蚀过程完成后，将功率调为off状态，关闭刻蚀电源，关闭真空泵，打开舱门放气开关，等到舱内压力升到大气压时，打开舱门，取出刻蚀好的4H-SiC基底。将加载了PS纳米球阵列模板的4H-SiC基底放在培养皿中备用。
S3、利用磁控溅射技术方法，在4H-SiC基底上制备了PS纳米球颗粒的一面上制备TiN纳米颗粒层3，获得PS:TiN-NPs层7。
所述步骤S3中，具体包括以下步骤：
S301、将所需溅射的TiN靶材安装在磁控溅射镀膜机的射频溅射靶头上。
S302、将加载了PS纳米球阵列模板的4H-SiC基底一侧朝下装载在磁控溅射镀膜机的样品托上，此时的薄膜生长面为加载了PS纳米球阵列模板的一侧，此面朝下，调节样品托盘，使4H-SiC基底位于靶材正上方。
S303、关闭磁控溅射舱门，真空计打开并调零，在显示屏打开机械泵和预抽阀，待压强下降至30Pa时关闭预抽阀，打开插板阀与分子泵，舱体压强达到10-4Pa量级时，打开氩气电离阀和氩气通道电源。
S304、依次打开氩气磁控阀、机械阀、流量计，选择合适的氩气流量，随后调节分子泵的插板阀将腔体压强维持在2Pa。
S305、打开溅射电源，调节溅射所需功率，在启辉后，进一步通过插板阀调节压强，使得溅射速率达到成膜要求。先预溅射10分钟，再进行正式溅射。达到需要的膜厚时，先关闭大挡板，再关闭溅射电源，从镀膜室取出样品，放入培养皿中备用。
S4、继续利用磁控溅射法在PS:TiN-NPs层7制备半透明顶电极层。
本实施例中，半透明顶电极层的材料为TiN，因此，制备过程中，只需要延长步骤S3中的TiN溅射时间，使其达到PS:TiN-NPs层7和半透明顶电极层所要的厚度即可。需要指出的是，在溅射TiN膜时，其初始制备的40nm是制备用于与PS层复合的TiN-NPs层，后续蒸镀的15nm对应的TiN为连通膜，实现了电极的功能。
S5、使用磁控溅射工艺在制作好TiN的基础上，将样品翻转，在4H-SiC的另一侧使用Al制作不透光底电极。
制作底电极的方法为：
S401、将所需溅射的Al靶材安装在磁控溅射镀膜机的直流溅射靶头上。
S402、将4H-SiC基底装载在磁控溅射镀膜机的样品托上，此时的薄膜生长面为添加4H-SiC基底的另一面，此面朝下，调节样品托盘，使4H-SiC基底位于靶材正上方。
S403、关闭磁控溅射舱门，真空计打开并调零，在显示屏打开机械泵和预抽阀，待压强下降至30Pa时关闭预抽阀，打开插板阀与分子泵，舱体压强达到10-4Pa量级时，打开氩气电离阀和氩气通道电源。
S404、依次打开氩气磁控阀、机械阀、流量计，选择合适的氩气流量，随后调节分子泵的插板阀将腔体压强维持在2Pa。
S405、打开直流溅射电源，调节溅射所需要的功率，在启辉后，进一步通过插板阀调节压强，使得溅射速率达到成膜要求，并预溅射10min。最后，进行正式溅射，到达需要的膜厚，先关闭大挡板再关闭溅射电源，从镀膜室取出样品，卸除金属掩膜版，收集样品。
检测、分析和表征：对制备的4H-SiC光电探测器性能进行检测、分析、表征。
用高精度数字源表AglientB1500测量器件在暗态下的电流密度-电压曲线；用Thorlabs 375nm LED、Thorlabs 660nm LED、Thorlabs 850nm LED以及AglientB1500来测量4H-SiC光电探测器在亮态下的电流密度-电压曲线。用复享积分球光谱测试系统测试基底在添加PS:TiN-NPs层前后的透射与反射光谱，换算得到各样品的吸收光谱。
结论：分析了PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器(结构为TiN/PS:TiN-NPs/4H-SiC/Al)和对照器件(结构为TiN/4H-SiC/Al)的暗态电流-电压特性曲线以及在不同波段的亮态电流-电压特性曲线。
图3给出了本发明实施例提供的添加与未添加PS:TiN-NPs层的4H-SiC基底的吸收曲线对比。单纯的4H-SiC仅在紫外波段有吸收，在360nm左右吸收达到峰值后，器件的吸收急剧下降，在380nm后吸收近乎为0。使用PS纳米球阵列制备的PS:TiN-NPs层与4H-SiC结合后，样品表现出了在380nm至1100nm的宽谱吸收增强，平均光吸收效率超过了55％。这表明，使用PS纳米球阵列制备的PS:TiN-NPs结构所激发的复合型表面等离激元模式在有效拓宽吸收光谱范围的同时，大幅度提高了吸收效率，为后续热载流子的产生提供了一个良好的平台。
图4为本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器(TiN/PS:TiN-NPs/4H-SiC/Al)和对照器件(TiN/4H-SiC/Al)在20V的偏置电压下，当入射光为375nm、660nm、850nm波长时，器件的亮电流随波长变化的电流柱状图。从图中可以看出在添加了PS:TiN-NPs层后，器件的亮电流在三个波长下均高于对照器件，在4H-SiC吸光的375nm波长下亮电流提升因子较低，在4H-SiC不吸光的660nm、850nm波长下亮电流提升因子非常高。具体地，当照射波长为375nm时，器件的亮电流从1.4μA提高到6.5μA，提升了仅3.6倍；在660nm波长下，器件的亮电流从63pA提升至652nA，提升了4个数量级以上；在850nm波长下，器件的亮电流从55pA提升至23nA，提升了约414倍。图5给出本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器(TiN/PS:TiN-NPs/4H-SiC/Al)和对照器件(TiN/4H-SiC/Al)在光功率为0.4mW的660nm光源下的光电流随电压变化的曲线，从图中可以看出，不同偏压下，添加PS:TiN-NPs的器件均高于对照器件。该结果表明，所制备的4H-SiC基热载流子型光电探测器的亮电流在4H-SiC不吸光的波段获得了显著提升，其原因在于PS:TiN-NPs结构的引入使得器件能高效激发表面等离激元模式，在宽谱范围内增强了光吸收，显著提升了热载流子产生率，这些热载流子进入回路，产生了增强的亮电流信号。
图6为本发明实施例提供的PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器(TiN/PS:TiN-NPs/4H-SiC/Al)和对照器件(TiN/4H-SiC/Al)在暗态下的电流-电压特性曲线对比。从图中看出，本发明的暗电流高于对照器件的，在20V的偏置电压下，比对照器件的高出两个数量级左右。这说明，在PS:TiN-NPs结构的制作过程中，造成了4H-SiC界面性质的退化，额外产生了过多的界面电荷，造成了器件暗电流的升高。然而，由于亮电流提升的效应更为显著，综合下来，本发明在660nm波长(0.4mW光功率)、20V偏压条件下实现了高达21900的亮暗电流比，是对照器件的46倍。
综上所述，本发明直接将PS:TiN-NPs层引入到半绝缘型4H-SiC基底的一侧，并且分别制作了半透明顶电极TiN与不透光底电极Al，最终获得了一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器。PS:TiN-NPs层的引入使得器件在可见-近红外宽谱范围内的亮电流均获得提升，其中660nm波长下的提升因子高达104，这是由于PS:TiN-NPs层在400-900nm的波段范围内具有宽谱光吸收能力，辅助实现了热载流子的高效产生，最终实现了高性能4H-SiC基热载流子型光电探测器。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，包括自上而下依次设置的顶电极层（5）、PS:TiN-NPs层（7）、半导体层（1）、底电极层（6），所述顶电极层（5）为半透明金属电极，PS:TiN-NPs层（7）包括单层排布在半导体层上的PS纳米球阵列和溅射在PS纳米球阵列表面的TiN纳米颗粒层（3），所述PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒（2）在半导体层（1）表面呈周期性排布形成，所述半导体层（1）为4H-SiC基底，底电极层（6）为不透光金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒（2）在半导体层（1）表面呈等边三角形的周期性排布形成。
3.根据权利要求2所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，所述PS纳米球颗粒（2）的直径为80±5 nm，相邻两个PS纳米球颗粒（2）球心之间的距离为100 nm±10 nm。
4.根据权利要求1所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，所述TiN纳米颗粒层（3）的厚度为40nm±5 nm。
5.根据权利要求1所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，所述半导体层（1）的厚度为100~1000μm，顶电极层（5）的厚度为15 nm±5 nm，底电极层（6）的厚度为100 nm±20 nm。
6.根据权利要求1所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，所述半导体层（1）选用半绝缘型4H-SiC基底，其电阻率在1e13 ohm·cm至1e15ohm·cm之间；所述顶电极层（5）的材料为TiN，所述底电极层（6）材料的材质为Al。
7.根据权利要求1~6任一项所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1、对4H-SiC基底进行清洗；
S2、利用PS纳米球悬浊液，在4H-SiC基底的一面自组装制备单层密排的PS纳米球阵列，然后利用反应离子刻蚀法，对PS纳米球阵列中的PS纳米球颗粒进行刻蚀，使得PS纳米球阵列中PS纳米球颗粒的直径减小；
S3、利用磁控溅射法，在4H-SiC基底上制备了PS纳米球阵列的一面上制备TiN纳米颗粒层（3），获得PS:TiN-NPs层（7）；
S4、继续利用磁控溅射法在PS:TiN-NPs层（7）上制备半透明顶电极层；
S5、使用磁控溅射工艺在制作好TiN膜层的器件基础上，将样品翻转，在4H-SiC的另一侧使用Al制作不透光底电极。
8.根据权利要求7所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用的PS纳米球悬浊液中，PS纳米球的直径为100nm，其采用甲醇作溶剂，浓度2.5 wt%。
9.根据权利要求8所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，对PS纳米球阵列中的PS纳米球颗粒进行刻蚀时，得到的PS纳米球颗粒为80±10nm。
10.根据权利要求7所述的一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，TiN纳米颗粒层（3）的厚度为40nm±5 nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210668510.0A CN115000231B (zh) | 2022-06-14 | 一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器及制备方法 |
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| CN202210668510.0A CN115000231B (zh) | 2022-06-14 | 一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN115000231A CN115000231A (zh) | 2022-09-02 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160137858A (ko) * | 2015-05-22 | 2016-12-01 | 한국원자력연구원 | 반도체 방사선 검출소자 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160137858A (ko) * | 2015-05-22 | 2016-12-01 | 한국원자력연구원 | 반도체 방사선 검출소자 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Epitaxial growth of TiN on (0001) semi-insulating 4H-SiC substrate by reactive sputtering;Hsueh-I Chen，et.al;《Surface & Coatings Technology》;第 437卷(128357);第4节及附图4 * |
| 铝纳米粒子表面等离激元增强４Ｈ-SIC紫外光电探测器研究;韩山;《中国硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅰ辑）》;第3章 * |
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