專利名稱：基于p-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種納米光電探測器的制備方法，更具體地說是一種基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的納米光電探測器的制備方法。
背景技術：
光電探測器件可以將感應到的光信號轉換為電信號，具有重要的軍用價值和廣闊的民用市場。納米光電探測器是采用納米材料作為感光層的光電探測器，其具有易于集成、低功耗、低成本的特點。更為重要的是，納米光電探測器與同種材質的薄膜光電探測器相t匕，具有更高靈敏度和反應速度。ZnSe為重要的II-VI族半導體材料，室溫禁帶寬度為2. 7eV，對于藍綠光非常敏感。但是現(xiàn)有的ZnSe納米光電探測器是將ZnSe納米線通過刮蹭的方法隨機排布在絕緣襯底上，然后通過復雜的光刻、鍍電極過程來實現(xiàn)，工藝復雜且性能不穩(wěn)定。所完成的ZnSe納米光電探測器多存在電信號、開關比以及感光層面積小的問題。Si在現(xiàn)代半導體產業(yè)中起著主導作用，但是其間接帶隙結構限制了它的光電子應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種基于P-型ZnSe納米 線/n-型Si異質結的光電探測器及其制備方法，以期有效增強納米光電探測器的電信號，提高其開關比，增大光電探測器感光層面積。本發(fā)明解決技術問題采用如下技術方案本發(fā)明基于p-型ZnSe納米線n_型Si異質結的光電探測器的結構特點是所述光電探測器的結構層自下而上依次為n_型摻雜Si片、感光層和石墨烯電極，所述感光層為p-型ZnSe納米線,所述感光層與石墨烯電極之間為歐姆接觸,在所述感光層的外圍、位于n-型摻雜Si片與石墨烯電極之間設置有絕緣層，以所述絕緣層在n-型摻雜Si片與石墨烯電極之間進行絕緣。本發(fā)明基于p-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器的結構特點也在于所述n-型摻雜Si片采用電阻率為0. 005、. 02 Q /cm的n_型重摻雜Si片。所述P-型ZnSe納米線的摻雜元素為N、Ag、P和Bi中的任意一種，摻雜濃度為1%-50%原子百分含量，摻雜源分別米用氨氣、Ag2S粉末、氣態(tài)磷燒和秘粉。所述石墨烯電極采用石墨烯薄膜。本發(fā)明基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器的制備方法的特點是按如下步驟進行a、通過熱蒸發(fā)的方法在三溫區(qū)管式爐中合成制備P-型ZnSe納米線采用質量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末為原材料，取所述原材料ZnSe粉末0. 25g和作為摻雜源的純度不低于99. 9%的Ag2S粉末0. 05g，或純度不低于99. 9%的鉍粉0. 05g充分研磨后放入氧化鋁瓷舟，以蒸鍍有IOnm金的硅片作為襯底，將氧化鋁瓷舟和襯底放入石英管中并將石英管轉移在管式爐中，所述管式爐以溫度為1050°C，氣壓為100托的反應條件保持兩個小時結束反應，待爐腔溫度自然冷卻到室溫時取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產物即為制備所得的P-型ZnSe納米線；或采用質量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末為原材料，以蒸鍍有IOnm金的硅片作為襯底，管式爐以溫度為1050°C，氣壓為100托的反應條件保持兩個小時；對于N摻雜ZnSe納米線，在保持階段持續(xù)通入NH3氣體，氣體流量恒定為15sCCm ;對于P摻雜ZnSe納米線，在保持階段持續(xù)通入PH5氣體，氣體流量恒定為12Sccm ;待爐腔溫度自然冷卻到室溫時取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產物即為制備所得的P-型ZnSe納米線；b、n-型重摻雜Si片預處理將n-型重摻雜Si片置于質量濃度為5%_10%的氫氟酸溶液中刻蝕2-3分鐘，去除n-型重摻雜硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預處理后的備用重摻雜Si片； C、用鑷子將步驟a制備所得的P-型ZnSe納米線呈片狀揭下，揭下的片狀p_型ZnSe納米線平鋪于備用重摻雜Si片上；所述片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重摻雜Si片的面積；d、在所述片狀P-型ZnSe納米線的四周平輔絕緣層，再在片狀p_型ZnSe納米線上鋪石墨烯電極，以使在所述感光層與石墨烯電極之間為歐姆接觸，并且在n-型摻雜Si片與石墨烯電極之間為絕緣。與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在I、本發(fā)明采用p-型ZnSe納米線作為感光層，摻雜可以有效提高ZnSe納米線中載流子的濃度，改善ZnSe納米線與電極間的接觸,優(yōu)化p-型ZnSe納米線/n-型Si異質結性能，大幅提聞電彳目號和提聞開關比。2、本發(fā)明采用直接用鑷子將納米線成塊剝離的方法，將其轉移到n-型重摻雜Si襯底上，方法簡單且通過調制納米線面積可以有效提高探測器性能。3、本發(fā)明采用石墨烯作為P-型ZnSe納米線的電極，無需復雜的光刻、蒸鍍電極過程且導電性能好。


圖I為本發(fā)明基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器的俯視圖；圖2a為本發(fā)明實施例I所合成p-型ZnSe納米線掃描電子顯微鏡圖，插圖為X射線能譜；圖2b為本發(fā)明實施例I所合成P-型ZnSe納米線的X射線衍射圖；圖3為本發(fā)明實施例I制備的P-型ZnSe納米線n_型Si異質結典型I_V曲線圖；圖4為本發(fā)明實施例I制備的基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質結在反向偏壓為-5V時的光響應的圖譜；圖5為本發(fā)明實施例2制備的基于P-型ZnSe納米線n_型Si異質結在反向偏壓為-5V時的光響應的圖譜。
具體實施例方式參見圖1，具體實施中，基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器的結構層自下而上依次為n_型摻雜Si片4、感光層3和石墨烯電極1，感光層3采用P-型ZnSe納米線，感光層3與石墨烯電極I之間為歐姆接觸,在感光層3的外圍，位于n_型摻雜Si片4與石墨烯電極I之間設置有絕緣層2，以絕緣層2在n-型摻雜Si片4與石墨烯電極I之間進行絕緣。 具體實施中，n-型摻雜Si片4采用電阻率為0. 005、. 02 Q /cm的n_型重摻雜Si片；p_型ZnSe納米線的摻雜元素為N、Ag、P和Bi中的任意一種，摻雜濃度為1%_50%原子百分含量，摻雜源分別采用氨氣、Ag2S粉末、氣態(tài)磷烷和鉍粉；石墨烯電極I采用石墨烯薄膜。制備步驟a、通過熱蒸發(fā)的方法在三溫區(qū)管式爐中合成制備P-型ZnSe納米線采用質量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末為原材料，取所述原材料ZnSe粉末0. 25g和作為摻雜源的純度不低于99. 9%的Ag2S粉末0. 05g，或純度不低于99. 9%的鉍粉0. 05g充分研磨后放入氧化鋁瓷舟，以蒸鍍有IOnm金的硅片作為襯底，將氧化鋁瓷舟和襯底放入石英管中并將石英管轉移在管式爐中，所述管式爐以溫度為1050°C，氣壓為100托的反應條件保持兩個小時結束反應，待爐腔溫度自然冷卻到室溫時取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產物即為制備所得的P-型ZnSe納米線；或采用質量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末為原材料，以蒸鍍有IOnm金的硅片作為襯底，管式爐以溫度為1050°C，氣壓為100托的反應條件保持兩個小時；對于N摻雜ZnSe納米線，在保持階段持續(xù)通入NH3氣體，氣體流量恒定為15sCCm ;對于P摻雜ZnSe納米線，在保持階段持續(xù)通入PH5氣體，氣體流量恒定為12Sccm ;待爐腔溫度自然冷卻到室溫時取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產物即為制備所得的P-型ZnSe納米線；b、n-型重摻雜Si片預處理將n-型重摻雜Si片置于質量濃度為5%_10%的氫氟酸溶液中刻蝕2_3分鐘，去除n-型重摻雜硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預處理后的備用重摻雜Si片；C、用鑷子將步驟a制備所得的P-型ZnSe納米線呈片狀揭下，揭下的片狀p_型ZnSe納米線平鋪于備用重摻雜Si片上；片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重摻雜Si片的面積；d、在片狀P-型ZnSe納米線的四周平輔絕緣層，再在片狀p_型ZnSe納米線上鋪石墨烯電極1，以使在感光層3與石墨烯電極I之間為歐姆接觸，并且在n-型摻雜Si片4與石墨烯電極I之間為絕緣。實施例I :a、制備p-型ZnSe納米線P-型ZnSe納米線是通過熱蒸發(fā)的方法在三溫區(qū)管式爐中合成的，本實施例采用Ag作為摻雜元素。首先將質量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末0. 25g和質量純度不低于99. 9%的Ag2S粉末0. 05g充分研磨后放入氧化鋁瓷舟里，將作為襯底的硅片用酒精和丙酮清洗干凈，并用電子束在襯底上蒸鍍IOnm金作為催化劑。然后把氧化鋁瓷舟和襯底放入到管式爐中，襯底位于氧化鋁瓷舟下游IOcm處。對管式爐抽真空至10_3帕斯卡，接著對爐腔加熱一個半小時，使溫度達到1050° C，保持此溫度2個小時后關閉反應程序，整個過程中持續(xù)通入50sCCm的氬氫混合氣體，按體積比的氬氣氫氣為95 5，爐腔壓強恒定在IOOTon■。待管式爐溫度冷卻到室溫時，取出樣品可看到襯底上沉積了一層黃褐色絨狀產物，即為P-型ZnSe納米線；b、n-型重摻雜Si片預處理將n-型重摻雜Si片置于質量濃度為5%_10%的氫氟酸溶液中刻蝕2_3分鐘，去除n-型重摻雜硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預處理后的備用重摻雜Si片；C、用鑷子將步驟a制備所得的P-型ZnSe納米線呈片狀揭下，揭下的片狀p_型ZnSe納米線平鋪于備用重摻雜Si片上；所述片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重摻雜Si 片的面積；d、在片狀P-型ZnSe納米線的四周平輔絕緣層，再在片狀p_型ZnSe納米線上鋪石墨烯電極(1)，以使在所述感光層(3)與石墨烯電極(I)之間為歐姆接觸，并且在n-型摻雜Si片⑷與石墨烯電極⑴之間為絕緣。本實施例制備的基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器示意圖如圖
I所示。所合成的Ag摻雜P-型ZnSe納米線的掃描電子顯微鏡圖、X射線能譜圖、X射線衍射圖如圖2所示。圖3所示為p-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的性能測試,其中插圖為其半對數(shù)坐標。從中可以看出所制備異質結具有較高的整流特性，電壓在-5疒5V整流比達到103，開啟電壓為0. 5V，且從明暗電流曲線對比中可以看出在光照下電流明顯上升，開關比約I. 2X IO3 ;圖4是異質結光電探測器在反向偏壓為-5V時的光響應的圖譜，從圖中可以看出這種異質結探測器具有較高的響應速度。有光照射下，電流會迅速上升，撤去入射光，光電流迅速消失，光暗電流的開關比達到IO3左右，這種高的響應速度對于制備高性能的光電探測器具有很好的使用價值。實施例2 a、制備p-型ZnSe納米線P-型ZnSe納米線是通過熱蒸發(fā)的方法在三溫區(qū)管式爐中合成的，本實施例采用P作為摻雜元素。首先將質量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末0. 25g充分研磨后放入氧化鋁瓷舟里，將作為襯底的硅片用酒精和丙酮清洗干凈，并用電子束在襯底上蒸鍍IOnm金作為催化劑。然后把氧化鋁瓷舟和襯底放入到管式爐中，襯底位于氧化鋁瓷舟下游IOcm處。對管式爐抽真空至10_3帕斯卡，接著對爐腔進行加熱一個半小時，使溫度達到1050° C，保持此溫度2個小時后關閉反應程序，整個過程中持續(xù)通入50sCCm的氬氫混合氣體(按體積比氬氣氫氣為95 : 5)與IOsccm的磷烷，保持爐腔壓強在lOOTorr。待管式爐溫度冷卻到室溫時，取出樣品可看到襯底上沉積了一層黃褐色絨狀產物，即P-型ZnSe納米線；b、n-型重摻雜Si片預處理將n-型重摻雜Si片置于質量濃度為5%_10%的氫氟酸溶液中刻蝕2_3分鐘，去除n-型重摻雜硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預處理后的備用重摻雜Si片；C、用鑷子將步驟a制備所得的P-型ZnSe納米線呈片狀揭下，揭下的片狀p_型ZnSe納米線平鋪于備用重摻雜Si片上；所述片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重摻雜Si片的面積；d、在所述片狀P-型ZnSe納米線的四周平輔絕緣層，再在片狀p_型ZnSe納米線上鋪石墨烯電極(I)，以使在所述感光層(3)與石墨烯電極(I)之間為歐姆接觸，并且在n-型摻雜Si片⑷與石墨烯電極⑴之間為絕緣。
經制備所得基于p_型ZnSe納米線/n-型Si異質結的納米光電探測器光響應圖譜見圖5。說明摻雜材料種類對于器件性能影響較小。
權利要求
1.基于p-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器，其特征是所述光電探測器的結構層自下而上依次為n_型摻雜Si片(4)、感光層(3)和石墨烯電極(I)，所述感光層(3)為P-型ZnSe納米線，所述感光層(3)與石墨烯電極(I)之間為歐姆接觸，在所述感光層⑶的外圍、位于n-型摻雜Si片⑷與石墨烯電極⑴之間設置有絕緣層(2)，以所述絕緣層⑵在n-型摻雜Si片⑷與石墨烯電極⑴之間進行絕緣。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器，其特征是所述n-型摻雜Si片(4)采用電阻率為0. 005、. 02 Q /cm的n_型重摻雜Si片。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于P-型ZnSe納米線n_型Si異質結的光電探測器，其特征是所述P-型ZnSe納米線的摻雜元素為N、Ag、P和Bi中的任意一種，摻雜濃度為1%_50%原子百分含量，摻雜源分別采用氨氣、Ag2S粉末、氣態(tài)磷烷和鉍粉。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器，其特征是所述石墨烯電極(I)采用石墨烯薄膜。
5.—種權利要求I所述的基于p-型ZnSe納米線n_型Si異質結的光電探測器的制備方法，其特征是按如下步驟進行 a、通過熱蒸發(fā)的方法在三溫區(qū)管式爐中合成制備P-型ZnSe納米線 采用質量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末為原材料，取所述原材料ZnSe粉末0. 25g和作為摻雜源的純度不低于99. 9%的Ag2S粉末0. 05g，或純度不低于99. 9%的鉍粉0. 05g充分研磨后放入氧化鋁瓷舟，以蒸鍍有IOnm金的硅片作為襯底，將氧化鋁瓷舟和襯底放入石英管中并將石英管轉移在管式爐中，所述管式爐以溫度為1050°C，氣壓為100托的反應條件保持兩個小時結束反應，待爐腔溫度自然冷卻到室溫時取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產物即為制備所得的P-型ZnSe納米線； 或米用質量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末為原材料，以蒸鍍有IOnm金的娃片作為襯底，管式爐以溫度為1050°C，氣壓為100托的反應條件保持兩個小時；對于N摻雜ZnSe納米線，在保持階段持續(xù)通入NH3氣體，氣體流量恒定為15sCCm ;對于P摻雜ZnSe納米線，在保持階段持續(xù)通入PH5氣體，氣體流量恒定為12Sccm ;待爐腔溫度自然冷卻到室溫時取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產物即為制備所得的P-型ZnSe納米線； b、n-型重摻雜Si片預處理 將n-型重摻雜Si片置于質量濃度為5%-10%的氫氟酸溶液中刻蝕2-3分鐘，去除n-型重摻雜硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預處理后的備用重摻雜Si片； C、用鑷子將步驟a制備所得的P-型ZnSe納米線呈片狀揭下，揭下的片狀p_型ZnSe納米線平鋪于備用重摻雜Si片上；所述片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重摻雜Si片的面積； d、在所述片狀P-型ZnSe納米線的四周平輔絕緣層，再在片狀P-型ZnSe納米線上鋪石墨烯電極(1)，以使在所述感光層(3)與石墨烯電極(I)之間為歐姆接觸，并且在n-型摻雜Si片⑷與石墨烯電極⑴之間為絕緣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于p-型ZnSe納米線/n-型Si異質結的光電探測器，其特征是光電探測器的結構層自下而上依次為n-型摻雜Si片、感光層和石墨烯電極，感光層為p-型ZnSe納米線，感光層與石墨烯電極之間為歐姆接觸，在感光層的外圍、位于n-型摻雜Si片與石墨烯電極之間設置有絕緣層，以絕緣層在n-型摻雜Si片與石墨烯電極之間進行絕緣。本發(fā)明能有效增強納米光電探測器的電信號，提高其開關比，增大光電探測器感光層面積。
文檔編號H01L31/18GK102751374SQ201210243428
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權日2012年7月13日
發(fā)明者盧敏, 吳春艷, 王莉, 羅林寶, 胡繼剛 申請人:合肥工業(yè)大學