CN117855312A - 一种用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件及其制备方法。该方法包括：选取Si为基底；利用直流掠射角磁控溅射技术沉积SnSe薄膜；在SnSe薄膜表面沉积Pd电极；该技术利用掠射角沉积薄膜时的阴影效应，成功制备出了SnSe纳米棒阵列薄膜，得益于其低的面内电导率，建立出载流子快速扩散的通道(反型层)，实现了大的横向光伏性能。本发明的位置探测器件，具有超高的位置灵敏度与极低的检测极限功率。其制备工艺简单、无毒无污染，产品质量较高，适于大规模化工业生产，在高性能微弱光信号位置探测领域具有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件及其制备方法，尤其涉及一种Si/SnSe异质结结构位置探测器件及其制备方法，属于半导体光电子器件领域。
背景技术
位置探测器，简称PSD，它是一种能检测光电位置的器件，常与光源组合，构成位置传感器。与传统位置探测器相比，自驱动位置探测器在工作过程中不需要加偏置电压，因此这使得自驱动位置探测器有着能耗低、方便操作、增加器件功能的集成度等优点。
在现在已有的自驱动位置探测器件中，结构如金属/半导体异质结、过渡金属硫化物/半导体异质结等存在着噪声较大、光激发电压较小等缺点。大的噪声水平限制了器件对微弱激光的探测能力，小的光激发电压使得其位置灵敏度难以提高。
例如：
中国专利申请CN104465844A公开了一种二硫化钼/硅p-n结太阳能电池器件及其制备方法，该方法利用磁控溅射技术在Si半导体表面直接沉积了一层MoS2薄膜，并在该p-n结器件中观测到了明显的光伏效应。
中国专利申请CN107256899A公开了一种石墨烯/硅p-n结无源位置探测器件及其制备方法，并在该p-n结器件中也观测到了明显的光伏效应。
虽然上述探测器件都可以观测到明显的光伏效应，但其位置灵敏度较低，且难以实现对微弱光信号的检测。研发出具有良好的光伏响应且具有检测微弱光信号能力的新型高效自驱动位置探测器件，已成为当前半导体材料与器件领域的一个研究热点和亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一是，提供一种用于微弱光信号检测的高灵敏度Si/SnSe异质结位置探测器件。
本发明为实现上述目的所需要解决的技术问题是，如何改进位置探测器件所用材料内部结构，以提高其横向光伏效应，降低其检测极限功率；即通过制备SnSe纳米棒阵列形成Si/SnSe/Pd器件结构，利用纳米棒阵列结构，提高器件的光吸收和抑制界面光生载流子的复合，实现器件的高灵敏度；利用与Si耦合的势垒界面抑制异质结的暗电流，实现器件对微弱光信号的检测。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件及其制备方法，其特征在于，由下至上依次包括n型Si单晶基片、SnSe纳米棒阵列薄膜层和Pd上电极层；其中：
所述Si单晶基片为镀膜基底；
所述SnSe纳米棒阵列薄膜层通过直流掠射角磁控溅射技术沉积于上述基底表面上，其厚度为～75-100nm；
所述Pd上电极层通过直流磁控溅射技术沉积于上述SnSe纳米棒阵列薄膜层的表面，其厚度为～0.9-9nm；
上述技术方案直接带来的技术效果是，从制备材料和结构两方面着手，即通过在Si基底上制备SnSe薄膜产生大的内建电场，从而在界面处形成反型层；具有纳米棒阵列结构的SnSe薄膜低的面内电导率使绝大部分光生载流子在反型层中快速移动；同时，薄膜高的面外电导率提高了Pd电极对载流子的收集效率；并且，纳米棒阵列结构能大幅提高了器件光吸收性能。以上优点使得位置探测器件在微弱光信号检测和灵敏度等综合性能方面取得了突破性的改善和显著的提升；
所使用的入射光为520nm时，经检测，上述技术方案的Si/SnSe/Pd位置探测器件，具有极大的横向光伏效应，灵敏度达到了1059.0mV/mm；在低功率检测展现出非凡的能力，最低检测限低至100nW；
为更好地理解上述技术方案，现从原理上进行详细说明：
1、SnSe纳米棒阵列薄膜层的使用达到的技术效果有四个方面：(1)具有比表面积的结构特征，增强了光与物质的相互作用；(2)与Si基底形成大的内建电场，并在界面处形成高电导率的反型层，充当载流子移动的快速通道；(3)纳米棒之间的大量晶界抑制了面内的载流子扩散，增加了面内的电导率，使绝大部分载流子在反型层中移动；(4)界面势垒的形成有效地减少了暗电流，提高了器件对低激光功率的检测能力；
2、上述技术方案中，采用～0.9-9nm的Pd金属作为电极的主要原因：(1)超薄的Pd金属电极具有超强的导电性质与高的透过率，能够在空气环境中保持较好的电子收集能力且透光能力强；(2)Pd金属电极与薄膜之间形成欧姆接触，促进光生载流子的运输。
实验证明，上述技术方案的高灵敏度微弱光信号检测位置探测器件，具有自驱动、光响应波段广、灵敏度高、响应速度快、微弱光信号检测能力强、稳定性高等优点。
本发明的目的之二是，提供一种上述的用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其工艺简单、成品率高、节能环保，满足高灵敏度微弱光信号检测的需求，适于规模化工业生产。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，Si单晶基片的预处理步骤：
将晶面取向为(100)面n型Si单晶基片，依次置于酒精、丙酮和酒精中超声清洗3min；取出后，用高纯氮气吹干；
第二步，SnSe纳米棒阵列薄膜层的沉积步骤：
将上述清洗干净并经高纯氮气吹干后的Si单晶基片装入托盘，并放入真空腔室，将真空腔室抽到第一高真空，氩气气压调至第一压力为0.1-1.0Pa，将Si单晶基片调至第一温度400-450℃，采用直流掠射角磁控溅射技术，利用电离出的粒子轰击SnSe靶材，在所述Si单晶基片的表面上，沉积一层SnSe纳米棒阵列薄膜层；
第三步，Pd上电极的沉积步骤：
从真空腔室中取出样品后，在表面覆盖掩模片。然后将样品放置于托盘，并放入真空腔室，将真空腔室抽为第二高真空；将上述已经覆盖有掩模片的样品的温度调至第二温度20-25℃，氩气气压调至第二压力0.1-1.0Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的10W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击Pd靶材，在上述SnSe纳米棒阵列薄膜层的表面上，沉积一层Pd电极层，即得
3、根据权利要求2所述的用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其特征在于，
所述氩气的纯度在99.999％以上；
所述高纯氮气是指纯度为99.95％以上的干燥氮气；
所述SnSe靶材的纯度为99.9％；
所述Pd靶材的纯度为99.99％；
所述的SnSe靶材和所述的Pd靶材的靶基距均为35mm。
4、根据权利要求2所述的用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其特征在于，所述第一温度为400-450℃，所述第一高真空为1×10-4-5×10-4Pa，所述第一压力为0.1-1.0Pa。
5、根据权利要求2所述的用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其特征在于，所述的第二温度为20-25℃，所述的第二高真空为1×10-4-5×10-4Pa，所述第二压力为0.1-1.0Pa。
优选为，所述氩气的纯度在99.999％以上；
所述SnSe靶材的纯度为99.9％；
所述Pd靶材的纯度为99.99％；
所述的SnSe靶材和所述的Pd靶材的靶基距均为35mm；
该技术方案直接带来的技术效果是，该距离既能满足离子在运动过程中与工作气体充分碰撞降低动能，又能保证离子在成膜过程中具有足够的附着力；
进一步优选，所述第一温度为400℃，所述的第一高真空为5×10-4Pa，所述第一压力为1.0Pa。
该技术方案直接带来的技术效果是，既能使SnSe薄膜的晶体质量和纯度提高，又能满足离子在成膜过程中具有足够的附着力，生长高质量纳米棒结构；
进一步优选，所述的第二温度为25℃，所述的第二高真空为5×10-4Pa，第二压力为1.0Pa；
该技术方案直接带来的技术效果是，进一步提高Pd电极的成膜质量，提高薄膜的结晶度，保证Pd在成膜过程中有足够的附着力。
上述技术方案直接带来的技术效果是，工艺简单、成品率高，适于大规模的工业生产，并且上述制备方法无有毒有害原料使用、无有毒有害废物产生或废气排放，整个工艺流程绿色节能环保、无污染。
综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明的Si/SnSe/Pd结构的位置探测器件，具有自驱动、光响应波段广、灵敏度高、响应速度快、微弱光信号检测能力强、稳定性高等优点。可用于微弱光信号检测。
本发明的Si/SnSe/Pd位置探测器件，在施加零偏压下，在405nm-980nm波长范围内有明显的光响应特征：所使用的入射光为520nm时，具有极大的横向光伏效应，灵敏度达到了1059.0mV/mm；在低功率检测展现出非凡的能力，最低检测限低至100nW；
2、位置探测器件的制备方法具有工艺简单、参数控制简便，成品率高，适于规模化工业生产，以及制造成本低、节能绿色环保、产品质量稳定等特点。
附图说明
图1为实施例中所制得Si/SnSe/Pd位置探测器件结构示意图；
图2为实施例中所制得SnSe薄膜的X射线衍射图谱；
图3为实施例中所制得Si/SnSe/Pd位置探测器件的测量示意图与与位置相关的LPV曲线；
图4为实施例中所制得Si/SnSe/Pd位置探测器件在无偏置电压下，520nm激光照射下，不同功率对应的LPV曲线；
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明进行详细说明。
制备方法如下：
(1)Si基底的预处理步骤：
将晶面取向为(100)面n型Si单晶基片，依次置于酒精、丙酮和酒精中超声清洗3min；取出后，用高纯氮气吹干；
(2)SnSe纳米棒阵列薄膜层的制备步骤：
将上述清洗干净并经高纯氮气吹干后的Si单晶基片装入托盘，并放入真空腔室，将真空腔室抽到5×10-4Pa，氩气气压调至1.0Pa，将Si单晶基片调至第一温度400℃，采用直流掠射角磁控溅射技术，利用电离出的粒子轰击SnSe靶材，在所述Si单晶基片的表面上，沉积一层SnSe纳米棒阵列薄膜层；
(3)Pd上电极的沉积步骤:
从真空腔室中取出样品后，在表面覆盖掩模片。然后将样品放置于托盘，并放入真空腔室，将真空腔室抽为第二高真空；将上述已经覆盖有掩模片的样品的温度调至25℃，氩气气压调至1.0Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的10W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击Pd靶材，在上述SnSe纳米棒阵列薄膜层的表面上，沉积一层Pd电极层，即得。
经检测，所制备的Si/SnSe/Pd位置探测器件，具有极大的横向光伏效应，灵敏度达到了1059.0mV/mm；在低功率检测展现出非凡的能力，最低检测限低至100nW。
下面结合附图，对检测结果详细说明如下：
图1为实施例中所制得Si/SnSe/Pd位置探测器件结构示意图；
如图所示，以Si作基底，SnSe薄膜层置于基底表面，Pd作为上电极置于SnSe薄膜层表面。
图2为实施例中所制得SnSe薄膜的X射线衍射图谱；
如图所示，图中只有一个衍射峰为SnSe(400)晶面。因此，我们制备的SnSe具有C轴择优取向的晶体结构。
图3为实施例中所制得Si/SnSe/Pd位置探测器件的测量示意图与与位置相关的LPV曲线；
如图所示，当激光照射位置变化时，载流子浓度梯度发生变化，LPV也逐渐变化，并与激光的位置成线性关系(-0.1mm＜x＜0.1mm)。
图4为实施例中所制得Si/SnSe/Pd位置探测器件在无偏置电压下，520nm激光照射下，不同功率对应的LPV曲线；
如图所示，在无外加电压下，极小的功率就能激发大的LPE；在8.0μW功率激光下灵敏度达到最大值1059.0mV/mm；器件对100nW微弱光信号仍能表现出明显的线性度良好的LPV曲线，在微弱光信号检测领域表现出非凡的能力。
Claims (5)
1.一种用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件及其制备方法，其特征在于，纵向层状叠加结构，由下至上依次包括n型Si单晶基片、SnSe纳米棒阵列薄膜层和Pd上电极层；其中：
所述Si单晶基片为镀膜基底；
所述SnSe纳米棒阵列薄膜层通过直流掠射角磁控溅射技术沉积于上述基底表面上，其厚度为～75-100nm；
所述Pd上电极层通过直流磁控溅射技术沉积于上述SnSe纳米棒阵列薄膜层的表面，其厚度为～0.9-9nm。
2.一种如权利要求1所述的用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，Si单晶基片的预处理步骤：
将晶面取向为(100)面n型Si单晶基片，依次置于酒精、丙酮和酒精中超声清洗3min；取出后，用高纯氮气吹干；
第二步，SnSe纳米棒阵列薄膜层的沉积步骤：
将上述清洗干净并经高纯氮气吹干后的Si单晶基片装入托盘，并放入真空腔室，将真空腔室抽到第一高真空，氩气气压调至第一压力为0.1-1.0Pa，将Si单晶基片调至第一温度400-450℃，采用直流掠射角磁控溅射技术，利用电离出的粒子轰击SnSe靶材，在所述Si单晶基片的表面上，沉积一层SnSe纳米棒阵列薄膜层；
第三步，Pd上电极的沉积步骤：
从真空腔室中取出样品后，在表面覆盖掩模片。然后将样品放置于托盘，并放入真空腔室，将真空腔室抽为第二高真空；将上述已经覆盖有掩模片的样品的温度调至第二温度20-25℃，氩气气压调至第二压力0.1-1.0Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的10W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击Pd靶材，在上述SnSe纳米棒阵列薄膜层的表面上，沉积一层Pd电极层，即得。
3.根据权利要求2所述的用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其特征在于，
所述氩气的纯度在99.999％以上；
所述高纯氮气是指纯度为99.95％以上的干燥氮气；
所述SnSe靶材的纯度为99.9％；
所述Pd靶材的纯度为99.99％；
所述的SnSe靶材和所述的Pd靶材的靶基距均为35mm。
4.根据权利要求2所述的用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其特征在于，所述第一温度为400-450℃，所述第一高真空为1×10-4-5×10-4Pa，所述第一压力为0.1-1.0Pa。
5.根据权利要求2所述的用于微弱光信号检测的高灵敏度位置探测器件的制备方法，其特征在于，所述的第二温度为20-25℃，所述的第二高真空为1×10-4-5×10-4Pa，所述第二压力为0.1-1.0Pa。
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| CN (1) | CN117855312A (zh) |
-
2023
- 2023-08-01 CN CN202310954704.1A patent/CN117855312A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |