全耗盡鐵電側柵單根納米線近紅外光電探測器及製備方法與流程
2023-10-05 07:18:29 2
本發明涉及鐵電聚合物材料及其與納米線相結合的側柵結構探測器的設計與測試，具體是指利用這種獨特的側柵器件結構，並通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產生的本徵載流子，從而大大降低探測器在無柵壓下的暗電流，提高器件的信噪比和探測能力。
背景技術：
一維半導體納米線由於具有特殊的光、電、磁等物理化學性能及納米結構的奇特性能，引起了科學家們的廣泛關注，被公認為是發展下一代納米光電器件和集成系統的基礎，成為當今納米材料研究領域的前沿。磷化銦(InP)作為重要的III-V族化合物半導體材料，具有閃鋅礦結構，是一種直接帶隙半導體，常溫下禁帶寬度為1.35eV。InP納米線具有諸多優越的物理性能，如豐富的表面態、大的比表面積和高載流子遷移率，具備半導體、光電、熱電、壓電、氣敏和透明導電等特性，作為光電子器件可以在納米雷射器、發光二極體、光纖通訊、高速電子器件、光電子器件、生物傳感器、光電探測器和通訊衛星以及太陽能電池等諸多技術領域有著廣闊的應用價值。近年來，對於製備InP納米線及其異質材料以及相關性能的研究已成為半導體材料領域的熱點。基於InP納米線的光電探測器因其具有可調光波長靈敏度、響應快以及高效的光電轉換特性而備受關注。此外，硫化鎘(CdS)作為一種重要的直接帶隙II-VI族化合物半導體材料，常溫下禁帶寬度為2.4eV，被廣泛應用於信號檢測、液晶顯示器和太陽能電池等高科技領域。然而，基於這些半導體納米線的光電探測器因其大的比表面積、表面態和晶格缺陷會產生高的本徵載流子濃度，在一定程度上導致器件具有較大的暗電流，從而嚴重影響了器件的光探測性能。因此，迫切需要研究一種獨特的器件結構來耗盡這些因缺陷或陷阱所產生的本徵載流子以降低暗電流，從而提高器件的信噪比和探測能力。
為了解決上述問題，本發明提出了一種全耗盡鐵電側柵單根納米線近紅外光電探測器及其製備方法。該方法是結合P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料和納米線製備成具有側柵結構的納米線光電探測器。利用側柵施加一瞬間負向電壓，並通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產生的本徵載流子，從而大大降低了探測器在無柵壓下的暗電流，提高了器件的信噪比和探測能力。
技術實現要素：
本發明提供了一種全耗盡鐵電側柵單根納米線近紅外光電探測器及其製備方法。該探測器利用獨特的側柵結構，並通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中的本徵載流子，顯著抑制了探測器的暗電流，大幅提高了探測器的靈敏度。
所述的探測器的結構為：在P型Si襯底1上是SiO2氧化層2、在SiO2氧化層2上製備有InP或CdS納米線3，在InP或CdS納米線3納米線兩端是源或漏電極4、在其兩側有側柵電極5，鐵電聚合物薄膜6覆蓋在InP或CdS納米線3及電極上，並且保證每個電極有部分裸露在外；
所述的的P型Si襯底1是硼重摻雜，電阻率小於0.05Ω·cm；
所述的SiO2氧化層2厚度是110nm；
所述的InP或CdS納米線3長度是5μm到20μm，直徑是50nm到300nm；
所述的源或漏電極4是金屬Cr和Au，厚度分別是15和50nm；
所述的側柵電極5是金屬Cr和Au，厚度分別是15和50nm，與納米線距離是100nm到1μm；
所述的鐵電聚合物薄膜6是聚偏氟乙烯基[P(VDF-TrFE)]，厚度是200nm。
本發明的一種鐵電側柵單根納米線光電探測器的製備方法步驟如下：
1.採用化學氣相沉積方法在Si襯底上利用Au催化劑生長製備InP及CdS納米線，利用XRD、SEM、TEM、EDS等對納米線的微觀形貌、結構及物性進行表徵；
2.將生長的納米線物理轉移到有SiO2氧化層的Si襯底上，利用電子束曝光EBL技術，對單根納米線利用預先沉積的金屬坐標進行定位，利用熱蒸鍍和剝離等技術沉積鉻和金作為源、漏和側柵電極，形成以納米線為溝道兩端金屬接觸的場效應電晶體。其中溝道長度1μm到5μm，側柵電極距離納米線100nm到1μm；
3.在製備好的背柵器件上旋塗P(VDF-TrFE)鐵電聚合物薄膜，並在130℃溫度下退火2小時，以改善鐵電聚合物薄膜的結晶性，從而製備成具有側柵結構的鐵電側柵單根納米線光電探測器。
因納米線中缺陷或陷阱會產生高的本徵載流子濃度，在一定的源漏偏壓下，這些本徵載流子所產生的熱電子和隧穿電流形成了較大的溝道電流即暗電流。光照下，當入射光子的能量大於納米線的禁帶寬度時，產生的光生電子-空穴對會形成光生電流。此時的溝道電流為暗電流與光生電流的總和。利用鐵電側柵納米線這種獨特的器件結構，在側柵電極上施加一瞬間的負向脈衝，通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產生的本徵載流子，使得探測器的暗電流能降至pA以下，達到抑制暗電流的目的。P(VDF-TrFE)鐵電聚合物具有較強的剩餘極化及穩定的保持特性，可以長時間保持此耗盡狀態。因此，在耗盡後，光照下的溝道電流主要是由光生電子-空穴對所產生的光生電流形成的。由於暗電流得到了有效的抑制，從而大大提高了器件的信噪比和探測能力。
本發明專利的優點在於：
本發明利用鐵電側柵結構，並通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產生的本徵載流子，從而大大降低了探測器在無柵壓下的暗電流，提高了器件的信噪比和探測能力。基於該方法，鐵電材料調控下的單根InP納米線光電探測器在近紅外波段的探測率最高可達9.1×1015Jones，而單根CdS納米線光電探測器在可見光波段則顯示了超高的探測率最高可達1.7×1018Jones。此外，器件還具有低功耗、微弱信號探測、快速響應等特點。
附圖說明
圖1是鐵電側柵單根納米線光電探測器的結構示意圖。
圖2是鐵電側柵納米線光電探測器耗盡態下的剖面圖；
圖1、2中：1Si襯底，2SiO2氧化層，3InP或CdS納米線，4源或漏電極，5金屬側柵電極，6鐵電聚合物薄膜。
圖3是鐵電側柵納米線光電探測器在耗盡前後光照下的能帶圖。
圖4是鐵電側柵納米線光電探測器被耗盡前後分別在無光和有光照下的輸出特性曲線，插圖為相應的對數曲線。其中圖(a)是InP的輸出特性曲線和圖(b)是CdS的輸出特性曲線。
圖5是鐵電側柵納米線光電探測器在不同入射光功率下的響應率和比探測率。其中圖(a)是InP的數據曲線和圖(b)是CdS的數據曲線。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作詳細說明：
本發明研製了全耗盡鐵電側柵單根納米線光電探測器。通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場完全耗盡了納米線溝道中的本徵載流子，從而大大降低了探測器在無柵壓下的暗電流，提高了器件的探測性能。
具體步驟如下：
1.採用化學氣相沉積(CVD)方法在P型Si襯底上製備InP及CdS納米線。首先在Si襯底上熱蒸發1nm厚的Au薄膜，將適量高純InP(或CdS)粉末放在陶瓷舟上並置於石英管中央，石英管外圍的管式爐可對系統進行加熱。Si片平放在石英舟上，一起放入石英管氣流下遊距粉末15cm處。在生長InP納米線之前，先將管內抽真空至1×10-3mbar，反應過程中系統保持流量是為100sccm的氬氣和氫氣(20％)混合氣作是載氣，從室溫開始加熱到800℃，氣壓維持在2mbar，然後保溫50分鐘，InP蒸氣隨載氣流動，在Si襯底上沉積下來生長成InP納米結構。對於CdS納米線的生長，所不同的是粉末源加熱溫度為700℃，混合載氣的流量是50sccm，氣壓是100mbar。實驗完成後，停止加熱並持續通入載氣，讓反應管自然冷卻到室溫。
2.製備所得納米線樣品，利用X射線衍射儀(XRD)對納米線的物性進行了表徵。利用掃描電子顯微鏡(SEM，JEOL6510)、透射電子顯微鏡(TEM，JEOL2010)及能譜儀(EDS)對納米線樣品的微觀形貌進行表徵。
3.將生長的納米線物理轉移到有SiO2氧化層的Si襯底上，利用DesignCAD2000軟體設計出電子束曝光的源、漏及側柵電極圖形；用勻膠機旋塗光刻膠MMA和PMMA並烘乾；利用電子束曝光(掃描電鏡JEOL 6510與微圖形發生系統NPGS的組裝)，對各電極圖形進行精準定位曝光，然後顯影；利用熱蒸鍍沉積鉻和金(15和50nm)；在丙酮中進行金屬的剝離，形成以納米線為溝道兩端金屬接觸的背柵場效應電晶體，其中溝道長度1μm到5μm，側柵電極距離納米線100nm到1μm。
4.在製備好的背柵器件上旋塗P(VDF-TrFE)鐵電聚合物薄膜，並在130℃溫度下退火2小時，以改善鐵電聚合物薄膜的結晶性，最後製備成具有側柵結構的鐵電側柵納米線光電探測器。圖1是器件結構示意圖。
5.圖2是鐵電聚合物在負柵壓作用下耗盡納米線內部載流子的剖面示意圖。因納米線中缺陷或陷阱會產生高的本徵載流子濃度，會導致較大的暗電流，從而影響器件的探測性能。為了實現對本徵載流子的耗盡，在其中一側柵電極上施加時長2s、大小為-20V的負向電壓時，負向電場梯度的作用將使鐵電聚合物的極化方向指向側柵電極。因而，通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產生的本徵載流子，使得探測器的暗電流能降至pA以下，達到抑制暗電流的目的。
6.圖3是探測器在耗盡前後光照下的能帶圖。其中，圖3(a)是耗盡前的能帶圖，納米線中因缺陷或陷阱產生的本徵載流子在一定的源-漏偏壓下，在溝道中形成熱電子和隧穿電流即暗電流；而光照下，當入射光子的能量大於納米線的禁帶寬度時，產生的光生電子空穴對在溝道中形成光生電流，此時的溝道電流為暗電流與光生電流的總和。圖3(b)是耗盡後的能帶圖。耗盡後，導帶底部向上升高，導帶底部與價帶頂部的能級差變大，溝道中的電子被耗盡，暗電流被完全抑制，因而光照下的溝道電流主要由光生電子空穴對所產生的光生電流形成。
7.圖4是探測器被耗盡前後分別在無光和有光照下的輸出特性曲線，插圖為相應的對數曲線。其中，圖4(a)是InP的輸出特性曲線，圖4(b)是CdS的輸出特性曲線。耗盡前，InP和CdS納米線光探測器的光開關比均小於1。耗盡後，兩種納米線光探測器的暗電流均降至pA以下，光開關比Iph與Idark之比達106到107，信噪比得到大大地提高。
8.圖5是光電探測器在不同入射光功率下的響應率和比探測率。其中，圖5(a)是InP鐵電側柵光電探測器的相應曲線，圖5(b)是CdS鐵電側柵光電探測器的相應曲線。對於不同的溝道長度(1μm到5μm)以及不同的側柵距離(100nm到1μm)，耗盡後器件均顯示了超高的光響應性能。鐵電材料調控下的單根InP納米線(直徑50nm，溝道5μm，側柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝830nm)的探測率達2.5×1014Jones；鐵電材料調控下的單根InP納米線(直徑100nm，溝道3μm，側柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝830nm)的探測率達1×1015Jones；鐵電材料調控下的單根InP納米線(直徑300nm，溝道1μm，側柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝830nm)的探測率達9.1×1015Jones。而單根CdS納米線(直徑直徑50nm，溝道5μm，側柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝520nm)的探測率達2.8×1017Jones；單根CdS納米線(直徑100nm，溝道3μm，側柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝520nm)的探測率達6.5×1017Jones；單根CdS納米線(直徑300nm，溝道1μm，側柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝520nm)的探測率達1.7×1018Jones。結果說明本發明提供的利用可耗盡型鐵電側柵單根納米線光電探測器來降低暗電流、提高器件的信噪比和探測能力的方法是合理的、有效的。