半導體性碳納米管紅外光探測成像器的製作方法
2024-02-15 14:22:15
本發明涉及紅外光探測成像器，尤其是基於半導體性碳納米管制備的紅外光探測成像器。
背景技術：
紅外探測成像器具有廣闊的應用前景，諸如紅外夜視，汽車自動駕駛，產品檢測以及軍事應用等方面。現有的紅外探測成像器主要是基於傳統體材料比如銦鎵砷、HgCdTe等材料探測器，需要製冷才能夠換取高性能。此外，上述材料製備工藝複雜，通常需要MOCVD或者MBE外延生長，與現有的主流CMOS加工技術不兼容，且上述材料對於外延生長的襯底具有嚴格的要求，導致其價格昂貴，難以大規模製備。因此，對於製備室溫工作的紅外高性能光探測器成為國內外研究人員的研究熱點課題。
碳納米管具有構建高性能紅外光探測器的優異特性。首先，半導體型碳納米管是直接帶隙的材料，具有對稱的能帶結構，通過調節碳納米管的手性和直徑可以調節碳納米管的能隙，使得碳納米管的波長響應範圍可以覆蓋1μm-12μm,遠遠超過了一般的紅外光探測器的探測範圍。其次，碳納米管的光吸收係數可以高達105cm-1。第三，溶液法製備高半導體純度的碳納米管技術的發展使得半導體性碳納米管的純度可以達到>99.9％，使得在晶圓量級規模化製備碳納米管紅外探測器件成為可能。【Yang Liu,Nan Wei,Qingsheng Zeng,Jie Han,Huixin Huang,DonglaiZhong,Fanglin Wang,Li Ding,Jiye Xia,Haitao Xu,Ze Ma,Song Qiu,Qingwen Li,Xuelei Liang,Zhiyong Zhang,Sheng Wang,Lian-Mao Peng,Advanced Optical Materials 4(2016)238-245】。第四，碳納米管完美的晶格結構使其表面不存在懸掛鍵，對稱的能帶結構使其同時具有金屬接觸主導的n型和p型歐姆接觸。電子型接觸金屬鈧(Sc)【Z.Y.Zhang,X.L.Liang,S.Wang,K.Yao,Y.F.Hu,Y.Z.Zhu,Q.Chen,W.W.Zhou,Y.Li,Y.G.Yao,J.Zhang,and L.-M.Peng,Nano Letters 7(12)(2007)3603】和金屬釔(Y)【L.Ding,S.Wang,Z.Y.Zhang,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,T.Pei,L.J.Yang,X.L.Liang,J.Shen,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li,and L.-M.Peng,Nano Letters 9(2009)4209】，以及空穴型接觸金屬Pd【A.Javey,J.Guo,Q.Wang,M.Lundstrom,H.J.Dai,Nature 424(2003)654】。我們先前在單根半導體碳納米管兩端分別採用Pd和Sc接觸電極已經成功製備出高性能的光電二極體【S.Wang,L.H.Zhang,Z.Y.Zhang,L.Ding,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,X.L.Liang,M.Gao,J.Shen,H.L.Xu,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li and Lian-Mao Peng,J.Phys.Chem.C 113(2009)6891】，這種結構的光電二極體具有較好的光電轉換特性。對於紅外探測的實際應用，基於單根碳納米管的紅外探測器對於入射光的吸收少，導致探測器的響應度和探測率低，無法滿足實際的弱光探測需要。最後，碳納米管器件的加工工藝與現有的CMOS加工工藝兼容，使其規模化製備成為可能。此外，碳納米管對於基片襯底沒有選擇性，可以在各種沉底上製備，使其加工工藝難度下降，應用領域擴大。傳統的紅外光伏探測器通過級聯幾十甚至幾百個光電二極體來提高探測器總的信噪比【Edson Gomes Camargo,Koichiro Ueno,Yoshifumi Kawakami,Yoshitaka Moriyasu,Kazuhiro Nagase,Masayuki Satou,Hidetoshi Endo,KazutoshiIshibashi,NaohiroKuze,Optical Engineering 47(2008)014402】。在傳統的多結級聯的紅外光探測器中，通常利用重摻雜的方式製備隧穿結分立探測器單元進行連接，隧穿結的製備工藝複雜，需要考慮晶格匹配，帶隙等多種因素，導致其單個像素一般為幾十平方微米甚至更大。
現有的碳納米管紅外光探測成像器均工作在電流模式的條件下。然而，碳納米管有限的吸收面積以及限制其產生的光電流通常在納安量級，導致其響應度和探測率較低，無法和現有的商用探測器相比擬。
鑑於單根碳管入射光吸收面積相對較小以及傳統半導體製備工藝的複雜性，以及工作在光電流模式下的探測器的低性能。因此，基於一維的碳管材料製備室溫高性能光電壓模式的級聯紅外光探測成像器具有極為重要的意義。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於純度>99.9％的半導體性碳納米管薄膜利用非對稱虛電極結構來有效增加輸出光電壓大小，提高器件的信噪比，給出與現有CMOS加工工藝相兼容的無襯底選擇性的紅光光探測成像器設計方案，獲得一種高靈敏度、高信噪比的級聯紅外光探測器。
本發明提供的半導體性碳納米管紅外探測成像器，其包含有n×n個包含有碳納米管級聯光電壓探測器的像元模塊，所述碳納米管級聯光電壓探測器設有作為導電通道和吸光材料的半導體性碳納米管薄膜，所述半導體性碳納米管薄膜上設有非對稱接觸電極以及虛電極對，數目為m-1對。
其中所述非對稱接觸電極由第一金屬和第二金屬製成，所述第一金屬電極和第二金屬電極之間插入虛電極對，第一和第二金屬電極相間排布，其中一種金屬電極共地連接，另一種金屬電極連接測量電路進行測量，優選第一金屬為鈀而第二金屬為鈧、釔，或者第一金屬為鈧、釔而第二金屬為鈀。
所述半導體性碳納米管的純度>99.9％。
所述像元模塊進一步包括放大器以及與外部讀取電路連接的開關。
其中所述並聯紅外光探測器的導電通道長度不大於0.5微米，優選為0.05～0.5微米。
本發明還提供所述的並聯紅外探測成像器的製備方法，其包括如下步驟：
1)製備矽基信號處理模塊；
2)將半導體性碳納米管沉積或者轉移到矽基信號處理模塊上；
3)在所得矽基信號處理模塊的一維半導體碳納米管或半導體性碳納米管薄膜條帶上形成第一金屬電極和第一金屬連接線圖形，蒸鍍金屬後剝離多餘金屬層；
4)在所得矽基信號處理模塊的一維半導體碳納米管或半導體性碳納米管薄膜條帶上形成第二金屬電極和第二金屬連接線圖形，蒸鍍金屬後剝離多餘金屬層；
5)封裝。
其中所述第一金屬為鈀而第二金屬為鈧、釔，或者第一金屬為鈧、釔而第二金屬為鈀，所述金屬連接線可由惰性金屬替代所述第一和第二金屬製得，所述惰性金屬選自金、銀、鉑、銥、鋨、錸、銠、釕和/或其合金。
其中所述封裝步驟是形成封裝層圖形後生長一層能透過紅外光的氧化物作為封裝層包裹器件，或由能透過紅外光的有機封裝材料進行包覆。
其中所述作為封裝層的氧化物選自氧化鉿、氧化矽，所述有機封裝材料選自聚甲基丙烯酸甲酯。
其中通過光刻或電子束曝光形成需要刻蝕的圖形，然後利用反應離子刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕刻蝕掉溝道之外的碳納米管薄膜。
其中蒸鍍的金屬層的厚度大於20納米，優選50納米到100納米。
本發明所涉及的級聯紅外光探測器的通過在半導體性碳納米管薄膜條帶上引入虛電極對來實現增加光電壓提高信噪比的目的。其原理如下：
探測器的信噪比定義為S/N(光信號/噪聲信號)，對於光電壓探測器，光電壓與噪聲電壓的比值即為信噪比。其中，光電壓與虛電極對數成線性關係，引入(m-1)對虛電極，器件的的光電壓變為mVoc(Voc為碳納米管二極體光電壓)。級聯探測器的結電阻變為mRd(Rd為碳納米管二極體結電阻)。器件的噪聲與結電阻的平方根成正比最後器件的信噪比與級聯級數的平方根成正比，圖4顯示十級級聯的碳納米管紅外光級聯探測器的信噪比相對於單節器件提升了約為倍。器件的信噪比得到顯著的提升，使得器件的電壓響應度可以超過108V/W，器件的室溫探測率可以超過1011Jones，如圖5所示。
進一步，採用基於純度>99.9％的半導體性碳納米管薄膜取代單根的半導體碳納米管，以高密度碳納米管薄膜作為吸光材料和導電通道,可以保證器件的均一性和靈敏度。
本發明的核心在於提出了一種基於純度為>99.9％的半導體性碳納米管薄膜紅外探測成像器陣列的製備方法，以及通過引入虛電極的方式提高輸出光電壓，並且有效的提高信噪比和探測率。由於加工工藝簡單，可以極大的降低傳統紅外探測器連接中由複雜工藝帶來的高成本。本發明的優點是特別適用於製備小尺寸高性能低成本的室溫工作的紅外光探測成像器。
附圖說明
圖1是基於本發明的紅外光級聯光伏外探測成像器，其包含有n×n個像元模塊；
圖2圖1中是單一像元的電路示意圖；
圖3是引入m-1對虛電極的本發明紅外級聯光伏外探測成像器；
圖4是基於本發明的級聯紅外探測器信噪比提升數據對比圖；
圖5是基於本發明的級聯紅外探測器的電壓響應度和探測率數據圖。
具體實施方式
下面通過實施例進一步詳細描述本發明，但不以任何方式限制本發明的範圍。
實施例1：
本發明的實施例1顯示了一種半導體性碳納米管紅外探測成像器，其包含含有碳納米管級聯光電壓探測器的像元模塊，所述碳納米管級聯光電壓探測器設有作為導電通道和吸光材料的半導體性碳納米管薄膜，所述半導體性碳納米管薄膜上設有非對稱接觸電極以及虛電極對。
如圖1所示，圖1是本發明碳納米管-矽混合集成紅外級聯探測成像器的一種實施方式的示意圖，包含有碳納米管探測器，和如圖2所示的矽基信號處理電路。
圖3是本發明碳納米管紅外光級聯光伏探測器的基本形式。在半導體性碳納米管薄膜條帶上的兩種非對稱電極的寬度為0.5微米，兩種非對稱電極之間的距離為0.5微米，其中電極1、3、5、7、9、11、13為鈧(或釔)電極，電極2、4、6、8、10、12、14為鈀電極，具體的工藝步驟如下：
1)採用現有CMOS加工技術製備Si基放大電路等信號處理模塊；
2)獲得位於Si電路襯底上的本徵高密度半導體性碳納米管薄膜；
3)在半導體性碳納米管薄膜條帶a上通過光刻或電子束刻蝕的方法形成鈧電極1、3、5、7、9、11、13和鈧金屬連接線的圖案形狀，然後蒸鍍一層金屬鈧，厚度優選為20納米以上，再剝離去除不需要的鈧金屬層；
4)在半導體性碳納米管薄膜條帶a上通過光刻或電子束刻蝕的方法形成鈀電極2、4、6、8、10、12、14和鈀金屬連接線的圖案形狀，然後蒸鍍一層金屬鈀，厚度優選為20納米以上，再剝離去除不需要的鈀金屬層；
5)光刻或者電子束刻蝕形成封裝層的圖形；
6)通過原子層沉積(ALD)方式生長一層氧化物包裹碳管，形成封裝層。
圖4顯示本發明的級聯紅外探測器信噪比提升數據。
圖5顯示本發明的級聯紅外探測器的電壓響應度和探測率數據圖。
如圖4所示，本發明的器件的信噪比得到顯著的提升，這使得器件的電壓響應度可以超過108V/W，器件的室溫探測率可以超過1011Jones，如圖5所示。
上面通過實施例對本發明的原理進行了闡述，但本領域的技術人員應當理解，本發明的技術方案並不局限於目前給出的碳納米管並聯器件實施例。因此，在不偏離本發明精神和實質的基礎上所做的任何修改或改進，都屬於本發明的範疇，本發明的保護範圍視所附權利要求書而定。