一種異質(zhì)結(jié)近紅外光敏傳感器及其制備方法
【專利說(shuō)明】一種異質(zhì)結(jié)近紅外光敏傳感器及其制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于納米材料制備與應(yīng)用領(lǐng)域，也屬于光電子領(lǐng)域，涉及一種硅/碲鋅氧復(fù)合物異質(zhì)結(jié)近紅外光敏傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]硅材料是當(dāng)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石，在光敏探測(cè)領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用，傳統(tǒng)的Si探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍一般是400-1100 nm。最近這些年來(lái)，Si與其它一些半導(dǎo)體材料如石墨稀(Zhu M, Zhang L, Li X, He Y, Li X, Guo F，Zhang X, Wang K, Xie D,Li X，Wei B and Zhu H 2015 J.Mater.Chem.A 7 8133)、氧化鋅(Tsai D H, Lin C A,Lien ff C, Chang H C, Wang Y L and He J H 2011 ACS Nano 5 7748)、氧化銅(Hong Q,Cao Y, Xu J, Lu H, He J and Sun J L 2014 ACS App1.Mater.1nterfaces 6 20887)、PEDOT:PSS (Lin T, Liu X, Zhou B, Zhan Z, Cartwright A N and Swihart M T 2014Adv.Funct.Mater.24 6016)、硫化錦(Manna S, Das S, Mondal S P, Singha R andRay S K 2012 J.Phys.Chem.C 116 7126)、鍺量子點(diǎn)(Chien C Y, Lai ff T, Chang YJ, Wang C C, Kuo M H and Li P ff 2014 Nanoscale 6 5303)、ITO (Yun J H, Kim J andPark Y C 2014 J.App1.Phys.116 064904)形成的異質(zhì)結(jié)光敏探測(cè)器器件得到了深入的研究。在這些半導(dǎo)體材料中，由于寬禁帶半導(dǎo)體氧化鋅在紫外光敏探測(cè)器方面具有很大的潛力，其與硅形成的異質(zhì)結(jié)光敏探測(cè)器件深受研究人員的青睞。然而由于氧化鋅對(duì)紫外光敏感、硅對(duì)可見(jiàn)-近紅外光敏感，二者形成的異質(zhì)結(jié)光敏探測(cè)器也都受限于此，并沒(méi)有獲得過(guò)比較純凈的只對(duì)近紅外光敏感的探測(cè)器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種異質(zhì)結(jié)近紅外光敏傳感器及其制備方法。
[0005]本發(fā)明為解決上述問(wèn)題，提供一種碲鋅氧新型復(fù)合物材料的制備方法，并制備了一種碲鋅氧復(fù)合物/P-Si異質(zhì)結(jié)光敏探測(cè)器。碲鋅氧復(fù)合物具有良好的襯底附著力，隨著復(fù)合物中各組分相對(duì)含量的變化，器件表現(xiàn)出了波段可調(diào)的穩(wěn)定優(yōu)良的光敏探測(cè)性能。
[0006]本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)近紅外光敏傳感器，是由熱蒸發(fā)氣相沉積法制備的碲鋅氧復(fù)合物與p-Si形成的異質(zhì)結(jié)光敏傳感器，包括P型硅襯底，碲鋅氧復(fù)合物，頂電極和底電極。
[0007]所述頂電極是半透明Au電極，底電極是銦鎵電極。
[0008]所述P型硅襯底電阻率1-10 Ω.cm。
[0009]上述近紅外光敏傳感器的制備方法，采用如下具體步驟:
首先在硅襯底上沉積一層對(duì)氧化鋅具有親和性的薄膜作為種子層，然后將襯底和蒸發(fā)源同時(shí)放入可控氣氛管式爐，二者距離約7-16cm，控制反應(yīng)溫度為1000°C，升溫速度10°C /min，保溫10-30min，通入反應(yīng)氣體為Ar和02，所述蒸發(fā)源是由摩爾比為1:1:(0.05-0.07)的ZnO粉末、碳粉、碲粉組成；
反應(yīng)完成后利用金屬掩模，繼續(xù)用磁控濺射法鍍一層半透明的Au頂電極。最后在襯底底部刮涂銦鎵電極，完成對(duì)器件的封裝。
[0010]所述種子層為金，其厚度為30-100nm。
[0011]反應(yīng)氣體為20 sccm的Ar氣和8 sccm的02。
[0012]本發(fā)明利用氣相法的生長(zhǎng)機(jī)理，首次在蒸發(fā)源中加入碲粉末，實(shí)現(xiàn)了一種碲鋅氧新型復(fù)合物的合成。并且制備出了 P-Si/碲鋅氧復(fù)合物異質(zhì)結(jié)光敏探測(cè)器，隨著復(fù)合物中各組分相對(duì)含量的變化，這種新型的傳感器表現(xiàn)出了波段可調(diào)的穩(wěn)定優(yōu)良的光敏探測(cè)性能，可探測(cè)波長(zhǎng)從紫外-可見(jiàn)-近紅外波段調(diào)節(jié)至限定在1040nm的近紅外波段，進(jìn)而被調(diào)節(jié)至可見(jiàn)-近紅外波段。獲得了一種紫外-可見(jiàn)-近紅外光敏探測(cè)器，探測(cè)波長(zhǎng)為380-1050nm，對(duì)805nm單色光響應(yīng)度為4.10 mA/ff;獲得了一種近紅外光敏探測(cè)器，探測(cè)波長(zhǎng)被限定在1040nm附近，對(duì)1040 nm單色光響應(yīng)度為24.61 mA/ff;獲得了一種可見(jiàn)-近紅外光敏探測(cè)器，探測(cè)波長(zhǎng)為400-1100 nm，對(duì)855 nm單色光響應(yīng)度為102.41 mA/W0
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是氣相法制備TeZnO復(fù)合物的可控氣氛管式爐的裝置示意圖，I為蒸發(fā)源的位置，2、3、4、5、6為襯底的位置，距離蒸發(fā)源以此為7、10、13、16、19cm，7為通入反應(yīng)氣體Ar和02，8為管式爐爐管。
[0014]圖2是p-Si/TeZnO復(fù)合物異質(zhì)結(jié)光敏探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；其中:1為ρ-Si襯底，2為TeZnO復(fù)合物，3為Au電極，4為InGa電極。
[0015]圖3是用光敏測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量實(shí)施例1所制備的光敏探測(cè)器在O伏偏壓下的不同波長(zhǎng)的光響應(yīng)譜，其中，橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是響應(yīng)度。
[0016]圖4是用光敏測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量實(shí)施例2所制備的光敏探測(cè)器在O伏偏壓下的不同波長(zhǎng)的光響應(yīng)譜，其中，橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是響應(yīng)度。
[0017]圖5是用光敏測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量實(shí)施例3所制備的光敏探測(cè)器在O伏偏壓下的不同波長(zhǎng)的光響應(yīng)譜，其中，橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是響應(yīng)度。
[0018]圖6是用光敏測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量實(shí)施例4所制備的光敏探測(cè)器在O伏偏壓下的不同波長(zhǎng)的光響應(yīng)譜，其中，橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是響應(yīng)度。
[0019]圖7是用光敏測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量實(shí)施例5所制備的光敏探測(cè)器在O伏偏壓下的不同波長(zhǎng)的光響應(yīng)譜，其中，橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是響應(yīng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)近紅外光敏傳感器的制備和檢測(cè)流程如下:
1.在干凈的襯底上利用磁控派射鍍膜的方法沉積一層30-100nm厚的Au作為種子層。
[0021]2.將蒸發(fā)源和襯底同時(shí)放入可控氣氛管式爐中，蒸發(fā)源所處的溫度設(shè)為1000°C，襯底以此放置在距離蒸發(fā)源7、10、13、16或19cm的位置，升溫速度10°C /min，保溫10-30min，反應(yīng)氣氛為 Ar 氣 20 sccm 和 O2 8 sccm。蒸發(fā)源是 0.255-0.265g ZnO 粉末、
0.040-0.060g 碳粉、0.020-0.030g 碲粉。
[0022]3.反應(yīng)完成后將襯底取出，旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液填充復(fù)合物表面的孔隙。
[0023]4.利用金屬掩模的方法繼續(xù)沉積半透明的金屬Au頂電極。
[0024]5.然后在襯底底部刮涂InGa電極。
[0025]6.利用銀漿和銅導(dǎo)線將頂電極和底電極引出，并在100°C下烘干。
[0026]7.利用光敏測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試器件的光敏特性。
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步闡述，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之內(nèi)。
[0028]實(shí)施例1:
本例中，襯底放于圖1中2的位置。具體步驟如下:
1.采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝清洗P-Si襯底。
[0029]2.在襯底上沉積一層30nm的Au薄膜作為種子層。
[0030]3.將襯底和蒸發(fā)源放入可控氣氛管式爐，襯底距離蒸發(fā)源7 cm，蒸發(fā)源所處的溫度設(shè)為1000°C，升溫速度10°C /min,保溫lOmin，反應(yīng)氣氛為Ar氣20 sccm和O2 8 sccm。蒸發(fā)源是0.261g ZnO粉末、0.