專利名稱：基于p-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)的光電探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)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(zhì)結(jié)的納米光電探測器的制備方法。
背景技術(shù)：
光電探測器件可以將感應(yīng)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具有重要的軍用價(jià)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(diǎn)。更為重要的是，納米光電探測器與同種材質(zhì)的薄膜光電探測器相t匕，具有更高靈敏度和反應(yīng)速度。ZnSe為重要的II-VI族半導(dǎo)體材料，室溫禁帶寬度為2. 7eV，對(duì)于藍(lán)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(jī)排布在絕緣襯底上，然后通過復(fù)雜的光刻、鍍電極過程來實(shí)現(xiàn)，工藝復(fù)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(hào)、開關(guān)比以及感光層面積小的問題。Si在現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中起著主導(dǎo)作用，但是其間接帶隙結(jié)構(gòu)限制了它的光電子應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)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(zhì)結(jié)的光電探測器及其制備方法，以期有效增強(qiáng)納米光電探測器的電信號(hào)，提高其開關(guān)比，增大光電探測器感光層面積。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于p-型ZnSe納米線n_型Si異質(zhì)結(jié)的光電探測器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是所述光電探測器的結(jié)構(gòu)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(shè)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(jìn)行絕緣。本發(fā)明基于p-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)的光電探測器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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?fù)诫sSi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(zhì)結(jié)的光電探測器的制備方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)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(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)條件保持兩個(gè)小時(shí)結(jié)束反應(yīng)，待爐腔溫度自然冷卻到室溫時(shí)取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產(chǎn)物即為制備所得的P-型ZnSe納米線；或采用質(zhì)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(yīng)條件保持兩個(gè)小時(shí)；對(duì)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(duì)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(shí)取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產(chǎn)物即為制備所得的P-型ZnSe納米線；b、n-型重?fù)诫sSi片預(yù)處理將n-型重?fù)诫sSi片置于質(zhì)量濃度為5%_10%的氫氟酸溶液中刻蝕2-3分鐘，去除n-型重?fù)诫s硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預(yù)處理后的備用重?fù)诫sSi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?fù)诫sSi片上；所述片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重?fù)诫sSi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(shù)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(zhì)結(jié)性能，大幅提聞電彳目號(hào)和提聞開關(guān)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(zhuǎn)移到n-型重?fù)诫sSi襯底上，方法簡單且通過調(diào)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(fù)雜的光刻、蒸鍍電極過程且導(dǎo)電性能好。


圖I為本發(fā)明基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)的光電探測器的俯視圖；圖2a為本發(fā)明實(shí)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(shí)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(shí)施例I制備的P-型ZnSe納米線n_型Si異質(zhì)結(jié)典型I_V曲線圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例I制備的基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)在反向偏壓為-5V時(shí)的光響應(yīng)的圖譜；圖5為本發(fā)明實(shí)施例2制備的基于P-型ZnSe納米線n_型Si異質(zhì)結(jié)在反向偏壓為-5V時(shí)的光響應(yīng)的圖譜。
具體實(shí)施例方式參見圖1，具體實(shí)施中，基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)的光電探測器的結(jié)構(gòu)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(shè)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(jìn)行絕緣。 具體實(shí)施中，n-型摻雜Si片4采用電阻率為0. 005、. 02 Q /cm的n_型重?fù)诫sSi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(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)條件保持兩個(gè)小時(shí)結(jié)束反應(yīng)，待爐腔溫度自然冷卻到室溫時(shí)取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產(chǎn)物即為制備所得的P-型ZnSe納米線；或采用質(zhì)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(yīng)條件保持兩個(gè)小時(shí)；對(duì)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(duì)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(shí)取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產(chǎn)物即為制備所得的P-型ZnSe納米線；b、n-型重?fù)诫sSi片預(yù)處理將n-型重?fù)诫sSi片置于質(zhì)量濃度為5%_10%的氫氟酸溶液中刻蝕2_3分鐘，去除n-型重?fù)诫s硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預(yù)處理后的備用重?fù)诫sSi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?fù)诫sSi片上；片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重?fù)诫sSi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(shí)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(shí)施例采用Ag作為摻雜元素。首先將質(zhì)量純度不低于99. 9%的ZnSe粉末0. 25g和質(zhì)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(duì)管式爐抽真空至10_3帕斯卡，接著對(duì)爐腔加熱一個(gè)半小時(shí)，使溫度達(dá)到1050° C，保持此溫度2個(gè)小時(shí)后關(guān)閉反應(yīng)程序，整個(gè)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(qiáng)恒定在IOOTon■。待管式爐溫度冷卻到室溫時(shí)，取出樣品可看到襯底上沉積了一層黃褐色絨狀產(chǎn)物，即為P-型ZnSe納米線；b、n-型重?fù)诫sSi片預(yù)處理將n-型重?fù)诫sSi片置于質(zhì)量濃度為5%_10%的氫氟酸溶液中刻蝕2_3分鐘，去除n-型重?fù)诫s硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預(yù)處理后的備用重?fù)诫sSi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?fù)诫sSi片上；所述片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重?fù)诫sSi 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(shí)施例制備的基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)的性能測試,其中插圖為其半對(duì)數(shù)坐標(biāo)。從中可以看出所制備異質(zhì)結(jié)具有較高的整流特性，電壓在-5疒5V整流比達(dá)到103，開啟電壓為0. 5V，且從明暗電流曲線對(duì)比中可以看出在光照下電流明顯上升，開關(guān)比約I. 2X IO3 ;圖4是異質(zhì)結(jié)光電探測器在反向偏壓為-5V時(shí)的光響應(yīng)的圖譜，從圖中可以看出這種異質(zhì)結(jié)探測器具有較高的響應(yīng)速度。有光照射下，電流會(huì)迅速上升，撤去入射光，光電流迅速消失，光暗電流的開關(guān)比達(dá)到IO3左右，這種高的響應(yīng)速度對(duì)于制備高性能的光電探測器具有很好的使用價(jià)值。實(shí)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(shí)施例采用P作為摻雜元素。首先將質(zhì)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(duì)管式爐抽真空至10_3帕斯卡，接著對(duì)爐腔進(jìn)行加熱一個(gè)半小時(shí)，使溫度達(dá)到1050° C，保持此溫度2個(gè)小時(shí)后關(guān)閉反應(yīng)程序，整個(gè)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(qiáng)在lOOTorr。待管式爐溫度冷卻到室溫時(shí)，取出樣品可看到襯底上沉積了一層黃褐色絨狀產(chǎn)物，即P-型ZnSe納米線；b、n-型重?fù)诫sSi片預(yù)處理將n-型重?fù)诫sSi片置于質(zhì)量濃度為5%_10%的氫氟酸溶液中刻蝕2_3分鐘，去除n-型重?fù)诫s硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預(yù)處理后的備用重?fù)诫sSi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?fù)诫sSi片上；所述片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重?fù)诫sSi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(jīng)制備所得基于p_型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)的納米光電探測器光響應(yīng)圖譜見圖5。說明摻雜材料種類對(duì)于器件性能影響較小。
權(quán)利要求
1.基于p-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)的光電探測器，其特征是所述光電探測器的結(jié)構(gòu)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(shè)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(jìn)行絕緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)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?fù)诫sSi片。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于P-型ZnSe納米線n_型Si異質(zhì)結(jié)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(quán)利要求I所述的基于P-型ZnSe納米線/n-型Si異質(zhì)結(jié)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(quán)利要求I所述的基于p-型ZnSe納米線n_型Si異質(zhì)結(jié)的光電探測器的制備方法，其特征是按如下步驟進(jìn)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(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)條件保持兩個(gè)小時(shí)結(jié)束反應(yīng)，待爐腔溫度自然冷卻到室溫時(shí)取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產(chǎn)物即為制備所得的P-型ZnSe納米線； 或米用質(zhì)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(yīng)條件保持兩個(gè)小時(shí)；對(duì)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(duì)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(shí)取出樣品，硅片襯底上沉積的一層黃褐色絨狀產(chǎn)物即為制備所得的P-型ZnSe納米線； b、n-型重?fù)诫sSi片預(yù)處理 將n-型重?fù)诫sSi片置于質(zhì)量濃度為5%-10%的氫氟酸溶液中刻蝕2-3分鐘，去除n-型重?fù)诫s硅片表面的薄氧化層，然后超聲清洗并干燥得到預(yù)處理后的備用重?fù)诫sSi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?fù)诫sSi片上；所述片狀P-型ZnSe納米線不大于備用重?fù)诫sSi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(zhì)結(jié)的光電探測器，其特征是光電探測器的結(jié)構(gòu)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(shè)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(jìn)行絕緣。本發(fā)明能有效增強(qiáng)納米光電探測器的電信號(hào)，提高其開關(guān)比，增大光電探測器感光層面積。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102751374SQ201210243428
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)