CN117881261A - 一种自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法。该方法包括：选用Si为基底；利用射频磁控溅射技术沉积VO2半导体薄膜；在VO2薄膜表面沉积ITO顶电极层；在Si基底背面旋涂In电极；基于高效能量转换的光热电效应，器件对355nm‑1550nm波长范围有明显的自驱动光响应，并且表现出出色的探测人体热辐射的能力。本发明的光电探测器件具有宽光谱响应、响应速度快、周期稳定性好等优点；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，在高性能光电探测器件领域具有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，尤其涉及一种VO2/Si异质结结构光电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
近年来宽波段光电探测器，尤其是长波红外探测器的研制引起了人们的广泛关注，主要原因在于：相较于单一光谱波段的数据收集，宽波段光电探测器可以有效避免外界恶劣环境的影响，大幅提高器件光信号传播和接收的准确性，在成像、目标探测、环境监测等方面发挥着重要作用。
现有技术中，受到半导体材料带隙的限制，薄膜的光收集和光热转换效率较低，此外由于声子传输特性导致器件响应速度较慢，外部噪声导致探测率较低，严重限制了光电探测器在室温下用于探测低功率人体辐射的实际应用。
例如：
中国发明专利CN113564522 A公开了二氧化钒薄膜及其制备方法及应用，该方法是利用磁控溅射技术制备了二氧化钒薄膜，通过结构优化导致二氧化钒相变温度降低，同时太阳光利用效率得到大幅提升。
中国发明专利CN113054050 B公开了一种V2O5-Ga2O3异质结自供电日盲光电探测器及制备方法，实现了日盲紫外探测的自供电工作模式。
中国发明专利CN110455419 B公开了一种基于氧化钒单晶片的悬空式光电探测器及其制备方法，该方法采用悬空式的光电探测器件结构，利用氧化钒单晶片与基底的悬空，极大的减少了氧化钒与基底之间发热导，提高了探测器的信噪比和光电性能。
但是，上述公开的光电探测器件，对微弱光信号的探测率较低，响应速度多在毫秒级别，大都无法实现从紫外-可见-红外宽波段范围的光电探测，且无法实现低功率人体辐射探测。
如何研发出高性能宽波段光响应的半导体材料，进而在此基础上，进一步地，研制出一种新型人体热辐射检测光电探测器件，已成为当前半导体材料与器件领域技术人员的一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一是，提供一种具有宽光谱响应特征的探测低功率人体辐射的VO2/Si异质结构的光电探测器件。
本发明为实现上述目的所需要解决的技术问题是，如何改进光探测器件的内部结构，突破半导体材料带隙限制，以拓宽器件的响应波长范围；即通过制备VO2薄膜并形成ITO-VO2/Si-In器件结构，利用独特的纳米棒结构和优异的光热电效应，在器件内形成光-热-电之间的高效转换，产生温度梯度，使器件中的电流发生改变，实现器件对宽波段光谱的探测；进而利用光热电效应实现器件在低功率人体辐射方面的探测。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其特征为垂直结构，由下至上依次是In底电极层、Si单晶基片、VO2半导体薄膜层和ITO顶电极层；其中：
所述In底电极层利用电烙铁旋涂在Si基底背面；
所述Si单晶基片为镀膜基底；
所述VO2半导体薄膜层通过射频磁控溅射技术沉积于上述Si基底表面上，为纳米棒结构，厚度为100-300nm；；
所述ITO底电极层通过直流磁控溅射沉积于上述VO2半导体薄膜层的表面；
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，在VO2薄膜中形成了不同于传统半导体材料的光-热-电转换，这种转换不依赖材料的半导体带隙宽度，使得光电探测器件在响应波长范围方面取得了突破性的提升；
经检测，上述技术方案的ITO-VO2/Si-In光电探测器件，在355nm-1550nm超宽波长范围内具有较强的光探测能力，λ＝980nm、P＝2.0μW/cm2时，响应度为780.0mA/W，探测率为1.6×1013Jones；
并且，与传统半导体光电探测器件不同，该器件的光探测过程不需要任何外部偏置电压来驱动操作，在零偏压下，具有自供电特征。很大程度上降低了能源成本，增强电路设计的简并化，提高器件的集成度；此外，当人的手指远离器件表面高达10.0厘米时，该器件仍表现出出色的探测人体辐射的能力。
为更好地理解上述技术方案，现从原理上进行详细说明：
1、VO2/Si异质结的使用达到的技术效果有三个方面：(1)VO2纳米棒阵列的大比表面积极大地增加了薄膜与入射光之间的相互作用，提高了光热转换效率；(2)明显的晶界有效地抑制了沿面内方向的热扩散，沿面外方向形成了较高的温度梯度，基于热电塞贝克效应导致输出光电流增大；(3)靠近异质界面的内置电场在很大程度上促进了载流子分离，抑制了暗电流，从而产生了显著的光电流和光响应速率，提升器件的光电探测能力。
2、上述技术方案中，采用ITO作为上电极的主要原因：(1)ITO电极具有较强的导电导热性质，能够在空气环境中保持较好的电子收集能力和热输导能力强；(2)ITO电极透明，透光性好，利于收集光源。
实验证明，上述技术方案的自供电型人体热辐射检测光电探测器件，具有自驱动、光响应波段广、响应度高、响应速度快、稳定性高、低功率人体辐射探测等优点。
本发明的目的之二是，提供一种上述的自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其工艺简单、成品率高、节能环保，满足宽光谱光信号探测的需求，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，一种自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，Si基底的预处理步骤：
将Si单晶基片，依次置于无水乙醇、丙酮和无水乙醇中超声清洗3min，以去除表面杂质；
取出后，用高纯氮气吹干；
第二步，VO2半导体薄膜层的沉积步骤：
将上述清洗干净的Si单晶基片放置在样品盘内，并放入真空腔中，将真空腔抽到第一高真空，即1×10-4-5×10-4Pa及以下，将基底温度调至第一温度400-600℃，氩氧比为4.0，工作气压调至第一压力为0.5-1.0Pa，采用射频磁控溅射技术，利用电离出的氩离子轰击VO2靶材，在所述Si基底的表面沉积一层VO2半导体薄膜层；
第三步，ITO顶电极的沉积步骤：
从真空腔中取出样品后，在表面覆盖圆孔形结构的掩模片。然后将样品放置于托盘，并放入真空腔中，将真空腔抽为第二高真空，将基底温度调至第二温度25-300℃，工作气压调至第二压力0.5-1.0Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的20W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击ITO靶材，在上述VO2半导体薄膜层的表面，沉积一层ITO电极层。
第四步，In电极的旋涂步骤：
利用电烙铁加热到200℃，融化金属铟丝，再将其均匀涂抹在上述Si单晶基片的背面，即得。
3、根据权利要求2所述的自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，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99.5％以上的干燥氮气；
所述薄膜生长基底为(100)晶面取向的Si单晶基片；
所述VO2靶材的纯度为99.9％；
所述ITO靶材的纯度为99.99％。
所述的VO2靶材和所述的ITO靶材的靶基距均为35mm；
4、根据权利要求2所述的自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其特征在于，所述第一高真空为1×10-4-5×10-4Pa，所述第一温度为400-600℃，所述第一压力为0.5-1.0Pa。
5、根据权利要求2所述的自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其特征在于，所述第二高真空为1×10-4-5×10-4Pa，第二温度为25-300℃，所述第二压力0.5-1.0Pa。
优选为，所述氩气的纯度在99.999％以上；
所述高纯氮气是指纯度为99.5％以上的干燥氮气；
所述薄膜生长基底为(100)晶面取向的Si单晶基片；
所述VO2靶材的纯度为99.9％；
所述ITO靶材的纯度为99.99％。
所述的VO2靶材和所述的ITO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500℃，所述的第一高真空为5×10-4Pa，所述第一压力为0.6Pa。
该技术方案直接带来的技术效果是，既能使VO2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，生长高质量的纳米棒结构；
进一步优选，所述的第二温度为200℃，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ITO电极的成膜质量，提高薄膜的结晶度，保证ITO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，适于规模化工业生产，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ITO-VO2/Si-In结构的光电探测器件，具有自驱动、响应波长范围广、响应度高、响应速度快、稳定性好、探测低功率人体辐射等优点，可用于宽光谱光信号检测。
本发明的ITO-VO2/Si-In光电探测器件，在施加零偏压下，在355nm-1550nm波长范围内有明显的光响应特征：其中，λ＝980nm、P＝2.0μW/cm2时，响应度为780.0mA/W，探测率为1.6×1013Jones，响应速度为65.0μs。当人的手指远离器件表面高达10.0厘米时，该器件有明显电流响应，表现出出色的探测人体辐射的能力。
2、光探测器件的制备方法具有工艺简单、参数控制简便，适于规模化工业生产，以及制造成本低、成品率高、产品质量稳定等特点。
附图说明
图1为实施例中所制得ITO-VO2/Si-In薄膜的光电探测器件结构示意图；
图2为实施例中所制得VO2薄膜的Raman光谱图；
图3为实施例中所制得VO2薄膜的X射线光电子能谱图；
图4为实施例中所制得ITO-VO2/Si-In光电探测器件在980nm激光照射下与黑暗条件下的I-V曲线；
图5为实施例中所制得ITO-VO2/Si-In光电探测器件在不同波长激光入射下动态响应曲线；
图6为实施例中所制得ITO-VO2/Si-In光电探测器件在无外加电压下对人体手指的动态响应曲线，其中手指分别放置于器件上方～1.0cm、5.0cm和10.0cm。
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Si单晶基片，依次置于无水乙醇、丙酮和无水乙醇中超声清洗3min，以去除表面杂质；
取出后，用高纯氮气吹干；
(2)VO2半导体薄膜层的沉积步骤：
将上述清洗干净的Si单晶基片放置在样品盘内，并放入真空腔中，将真空腔抽到5×10-4Pa，将基底温度调至500℃，氩氧比为4.0，工作气压调至第一压力为0.6Pa，采用射频磁控溅射技术，利用电离出的氩离子轰击VO2靶材，在所述Si基底的表面沉积一层VO2半导体薄膜层；
第三步，ITO顶电极的沉积步骤：
从真空腔中取出样品后，在表面覆盖圆孔形结构的掩模片。然后将样品放置于托盘，并放入真空腔中，将真空腔抽到5×10-4Pa，基底温度调至200℃，工作气压调至1.0Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的20W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击ITO靶材，在上述VO2半导体薄膜层的表面，沉积一层ITO电极层。
第四步，In电极的旋涂步骤：
利用电烙铁加热到200℃，融化金属铟丝，再将其均匀涂抹在上述Si单晶基片的背面，即得。
经检测，所制得的ITO-VO2/Si-In光电探测器件在施加零偏压下，在355nm-1550nm波长范围内有明显的光响应特征：其中，λ＝980nm、P＝2.0μW/cm2时，响应度为780.0mA/W，探测率为1.6×1013Jones，响应速度为65.0μs。当人的手指远离器件表面高达10.0厘米时，该器件有明显电流响应，表现出出色的探测人体辐射的能力。
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ITO-VO2/Si-In薄膜的光电探测器件结构示意图；
如图所示，以Si作基底，VO2薄膜层沉积于基底表面，ITO作为顶电极沉积于VO2薄膜层表面。In作为底电极旋涂于Si基底下表面。
图2为实施例中所制得VO2薄膜的Raman光谱图；
如图所示，VO2薄膜表现出多个特征峰。101.8和145.6cm-1处的特征峰归因于V-O-V弯曲振动模式。283.0和404.2cm-1处的特征峰分别是由O3-V＝O弯曲振动模式和V-O3-V拉伸振动模式引起的。703.5cm-1处的峰属于V2-O拉伸振动。这些拉曼特征峰都可以和VO2的Wadsley相相匹配。
图3为实施例中所制得VO2薄膜的X射线光电子能谱图；
VO2的V 2p3/2谱可以拟合分为两个特征峰。其中516.8eV处特征峰主要来自于V4+，515.4eV主要归因于V3+。另外，O元素也可以分解为两个特征峰。其中529.7eV的峰对应于氧与钒的键合，而另一微弱特征峰来源于缺氧产生的氧空位。
图4为实施例中所制得ITO-VO2/Si-In光电探测器件在980nm激光照射下与黑暗条件下的I-V曲线；
如图所示，该器件表现出明显的整流性和自供电特性，开路电压为0.11V，短路电流为0.098μA；
图5为实施例中所制得ITO-VO2/Si-In光电探测器件在不同波长激光入射下动态响应曲线；
如图所示，在无光照条件下，器件电流处于一个较低的关状态，在有光照的条件下，器件电流处于一个较高的开状态；在355nm、405nm、980nm以及1550nm激光照射下具有明显的四阶段光响应特征和稳定的电流开关特性。
图6为实施例中所制得ITO-VO2/Si-In光电探测器件在无外加电压下对人体手指的动态响应曲线，其中手指分别放置于器件上方～1.0cm、5.0cm和10.0cm。
当人体手指放置在器件表面1.0cm时，该器件表现出明显的电流响应，相应的响应电流为0.53nA。响应电流随手指与器件之间距离的增加而减小。此外，当手指连续悬浮在器件表面时，器件显示出稳定的响应电流，表明该器件对低功率人体辐射具有优异的探测性能。
Claims (5)
1.一种自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其特征为垂直结构，由下至上依次是In底电极层、Si单晶基片、VO2半导体薄膜层和ITO顶电极层；其中：
所述In底电极层利用电烙铁旋涂在Si基底背面；
所述Si单晶基片为镀膜基底；
所述VO2半导体薄膜层通过射频磁控溅射技术沉积于上述Si基底表面上，为纳米棒结构，厚度为100-300nm；
所述ITO底电极层通过直流磁控溅射沉积于上述VO2半导体薄膜层的表面。
2.一种如权利要求1所述的自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，Si基底的预处理步骤：
将Si单晶基片，依次置于无水乙醇、丙酮和无水乙醇中超声清洗3min，以去除表面杂质；
取出后，用高纯氮气吹干；
第二步，VO2半导体薄膜层的沉积步骤：
将上述清洗干净的Si单晶基片放置在样品盘内，并放入真空腔中，将真空腔抽到第一高真空，即1×10-4-5×10-4Pa及以下，将基底温度调至第一温度400-600℃，氩氧比为4.0，工作气压调至第一压力为0.5-1.0Pa，采用射频磁控溅射技术，利用电离出的氩离子轰击VO2靶材，在所述Si基底的表面沉积一层VO2半导体薄膜层；
第三步，ITO顶电极的沉积步骤：
从真空腔中取出样品后，在表面覆盖圆孔形结构的掩模片。然后将样品放置于托盘，并放入真空腔中，将真空腔抽为第二高真空，将基底温度调至第二温度25-300℃，工作气压调至第二压力0.5-1.0Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的20W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击ITO靶材，在上述VO2半导体薄膜层的表面，沉积一层ITO电极层。
第四步，In电极的旋涂步骤：
利用电烙铁加热到200℃，融化金属铟丝，再将其均匀涂抹在上述Si单晶基片的背面，即得。
3.根据权利要求2所述的自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，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99.5％以上的干燥氮气；
所述薄膜生长基底为(100)晶面取向的Si单晶基片；
所述VO2靶材的纯度为99.9％；
所述ITO靶材的纯度为99.99％。
所述的VO2靶材和所述的ITO靶材的靶基距均为35mm。
4.根据权利要求2所述的自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其特征在于，所述第一高真空为1×10-4-5×10-4Pa，所述第一温度为400-600℃，所述第一压力为0.5-1.0Pa。
5.根据权利要求2所述的自供电型人体热辐射检测光电探测器件及其制备方法，其特征在于，所述第二高真空为1×10-4-5×10-4Pa，第二温度为25-300℃，所述第二压力0.5-1.0Pa。
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