一種基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器及其制備方法，其特征在于：是在硅基底的表面通過銀輔助的化學刻蝕法形成有硅納米線陣列；在硅納米線的外表面通過液相還原反應均勻包覆有金屬銅膜；金屬銅膜與硅納米線形成肖特基結；在硅基底的背面刷涂有In/Ga導電膠層，與硅基底形成歐姆接觸。本發明專利技術的肖特基結近紅外光電探測器，制備過程簡單易行，器件性能優越。

【技術實現步驟摘要】
一種基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器及其制備方法一、
本專利技術涉及一種納米光電探測器及其制備方法，具體地說是基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器及其制備方法。二、
技術介紹
光電探測器是將接收到的光信號轉化為電信號的器件，由于光譜響應范圍寬、靈敏度高等特點，亦是人眼的一個有效延伸。其中，近紅外光電探測器在信息、醫學、工業、農業、環境、安全、科研等領域均有廣泛的應用，如用在成像技術、光通訊、生化分析、工業自動控制、定量分析(不破壞樣品)、環境監測、火險報警、光譜分析等。因而，高性能、低成本的近紅外光電探測器一直是人們的研究熱點。硅是現代半導體技術的基礎，目前仍處于不可取代的位置。體相硅室溫禁帶寬度為1.12eV，對近紅外光有著很好的靈敏度，盡管其是一類間接帶隙半導體，人們仍在不斷探索基于其的近紅外光電探測的研究。人們在Si基底上外延生長，形成了GexSi1-x/Si(Appl.Phys.Lett.1992,61,1122)、HgCdTe/Si(Appl.Phys.Lett.2004,85,2113)等異質結光電探測器或利用金屬硅化物，形成了PtSi/Si(IEEETMicrowTheroy.1998,46,641)、IrSi3/Si(Appl.Phys.Lett.1990,56,2013)等肖特基結探測器，Farag等通過液相外延的方法制備了Cu/Si肖特基結，發現在高頻率情況下，器件性能保持良好(J.AlloysCompd.,2010,495,116)。蘇州大學揭建勝等也曾利用CVD生長的單層石墨烯，構筑了響應速度快、響應度高的MLG/Si肖特基結探測器(IEEETrans.ElectronDevices,2013,34,1337)。然而器件制備過程多采用高成本的高真空制備工藝，穩定、高效低成本Si基近紅外光電探測器的研究仍有待于進一步深入。與傳統硅材料相比，硅納米線陣列由于具有良好的陷光效應，可以提高對光的吸收并有利于光生載流子的產生，因而基于硅納米線陣列的近紅外光電探測器有望獲得更高的器件性能。Cheng等通過電化學方式制備了Ge/Si納米線陣列核殼結構的光電探測器，發現該器件性能較平面硅或黑硅更為優越(Chem.Phys.Lett.,2012,538,102)。人們將液相合成的氧化銅納米片或碳量子點等旋涂在硅納米線陣列上，也獲得了性能優良的光電探測器(ACSAppl.Mat.Interfaces,2014,6,20887；Acsnano,2014,8,4015)。自驅動式光電探測器，由于無需外加電源而可自我供電，具有節能環保、便攜等優點，一直是人們的研究熱點。自驅動式光電探測器一般基于PN結或者肖特基結。肖特基結是由金屬和半導體接觸形成的，該種光電探測器有很多優勢，比如暗電流小、響應速度快、結電容小等，是高性能光電探測器的最佳選擇。傳統肖特基結的構建是采用電子束蒸發、磁控濺射等傳統的高真空鍍膜方式，其需要高真空環境，成本較高，而且很難實現高縱深比如納米陣列結構表面的均勻鍍膜。三、
技術實現思路
在現有技術存在的基礎之上，本專利技術旨在構建基于Si納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器，在納米光電探測器發展領域有著重要的意義，所要解決的技術問題是在硅納米線陣列上生長均勻包覆的銅膜，形成較大面積的肖特基接觸，并實現載流子的有效分離和收集。本專利技術解決技術問題，采用如下技術方案：本專利技術基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器，其特點在于：是在硅基底的表面通過銀輔助的化學刻蝕法形成有硅納米線陣列；在硅納米線的外表面通過液相還原反應均勻包覆有金屬銅膜；所述金屬銅膜與所述硅納米線形成肖特基結；在所述硅基底的背面刷涂有In/Ga導電膠層，與硅基底形成歐姆接觸。金屬銅膜是通過液相還原形成的，除硅納米線的外表面之外，在硅基底表面未形成硅納米線的位置也都形成有金屬銅膜，也即金屬銅膜均勻包覆了硅基底表面和硅納米線。本專利技術自驅動肖特基結近紅外光電探測器的特點也在于：所述硅基底的導電類型為n型，(100)取向，電阻率為1-10Ω·cm；所述硅納米線陣列中硅納米線的直徑為50-400nm、長度為5-10μm。所述金屬銅膜的厚度為10-100nm。上述自驅動肖特基結近紅外光電探測器的制備方法，包括如下步驟：(1)將硅基底依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗后，吹干備用；(2)將硅基底放入金屬化溶液中1min，使硅基底表面沉積上Ag顆粒；所述金屬化溶液中含4.8mol/L的HF和5mmol/L的AgNO3；然后將表面沉積有Ag顆粒的硅基底放入刻蝕溶液中刻蝕20～30min，形成硅納米線陣列，所述刻蝕溶液中含4.8mol/L的HF和0.4mol/L的H2O2；待刻蝕完成后，將表面形成有硅納米線陣列的硅基底放入由濃HNO3和去離子水按體積比1:1構成的清洗溶液中2h，去除表面的Ag顆粒；最后取出硅基底，去離子水沖洗干凈后放入50℃的恒溫干燥箱中烘干，即完成硅納米線陣列的制備；(3)在聚四氟乙烯的反應釜中加入15mL去離子水、0.05gCu(NO3)2·3H2O，磁力攪拌均勻，再依次加入2mL乙二醇和1mL水合肼，并放入硅基底；把反應釜放入預熱至100℃的恒溫干燥箱中反應30～45min，使硅納米線的外表面均勻包覆上金屬銅膜；(4)將硅基底清洗、干燥，在硅基底背面打磨、刷涂一層In/Ga導電膠層，即獲得基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器。與已有技術相比，本專利技術的有益效果體現在：1、本專利技術構筑的光電探測器與現行半導體工藝具有良好的工藝兼容性，有利于實現產業化生產。2、本專利技術采用液相法沉積金屬薄膜，較傳統的電子束、氣相外延等高真空蒸鍍金屬薄膜的方法相比，簡化了操作工藝、大大降低了成本；此外溶液的均勻性更容易實現在不規則結構(如陣列結構、多孔結構等)表面的均勻鍍膜。3、本專利技術構筑的光電探測器具有陣列結構的陷光效應和較大的肖特基接觸面積，有利于光生載流子的產生與有效分離，因而是一類性能優越的自驅動器件，響應度R為272mA/W，比探測率為3×1012Jones,上升時間3.6μs、下降時間14.2μs。四、附圖說明圖1是本專利技術基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器的器件結構示意圖；其中1為硅基底，2為硅納米線陣列，3為金屬銅膜，4為In/Ga導電膠層。圖2是本專利技術實施例1中硅納米線陣列的SEM照片。圖3是本專利技術實施例1中硅納米線陣列/Cu肖特基結的XRD圖譜。圖4是本專利技術實施例1中單根硅納米線/Cu肖特基結的TEM照片和元素分布圖。圖5是本專利技術實施例1中硅納米線陣列/Cu肖特基結的光譜響應圖譜。圖6是本專利技術實施例1中硅納米線陣列/Cu肖特基結980nm光照下的電流-電壓特性曲線，圖中可以看出器件具有顯著的光伏特性，開路電壓為0.35V、短路電流為163μA、響應度為272mA/W。圖7是本專利技術實施例1中硅納米線陣列/Cu肖特基結近紅外光電探測器的響應速度。圖8是本專利技術實施例2中硅納米線陣列/Cu肖特基結980nm光照下的電流-電壓特性曲線，圖中可以看出器件開路電壓為0.35V、短路電流為23μA、響應度38.4mA/W。圖9是本專利技術實施例3中硅納米線陣列/Cu肖特基結980nm本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器，其特征在于：是在硅基底(1)的表面通過銀輔助的化學刻蝕法形成有硅納米線陣列(2)；在硅納米線的外表面通過液相還原反應均勻包覆有金屬銅膜(3)；所述金屬銅膜與所述硅納米線形成肖特基結；在所述硅基底(1)的背面刷涂有In/Ga導電膠層(4)，與硅基底形成歐姆接觸。

【技術特征摘要】
1.一種基于硅納米線陣列的自驅動肖特基結近紅外光電探測器，其特征在于：是在硅基底(1)的表面通過銀輔助的化學刻蝕法形成有硅納米線陣列(2)；在硅納米線的外表面通過液相還原反應均勻包覆有金屬銅膜(3)；所述金屬銅膜與所述硅納米線形成肖特基結；在所述硅基底(1)的背面刷涂有In/Ga導電膠層(4)，與硅基底形成歐姆接觸；所述自驅動肖特基結近紅外光電探測器的制備方法，包括如下步驟：(1)將硅基底依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗后，吹干備用；(2)將硅基底放入金屬化溶液中1min，使硅基底表面沉積上Ag顆粒；所述金屬化溶液中含4.8mol/L的HF和5mmol/L的AgNO3；然后將表面沉積有Ag顆粒的硅基底放入刻蝕溶液中刻蝕20～30min，形成硅納米線陣列，所述刻蝕溶液中含4.8mol/L的HF和0.4mol/L的H2O2；待刻蝕完成后，將表面形成有硅納米線陣列的硅基底放入由濃HNO3和去離子水按體積比1:1構成的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳春艷，潘志強，王友義，羅林保，于永強，王莉，
申請(專利權)人：合肥工業大學，
類型：發明
國別省市：安徽;34