本專利涉及鐵電聚合物材料及其與納米線相結(jié)合的側(cè)柵結(jié)構(gòu)探測器的設(shè)計(jì)與測試，具體是指利用這種獨(dú)特的側(cè)柵器件結(jié)構(gòu)，并通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負(fù)向極化所產(chǎn)生的超強(qiáng)靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產(chǎn)生的本征載流子，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(shù)：

一維半導(dǎo)體納米線由于具有特殊的光、電、磁等物理化學(xué)性能及納米結(jié)構(gòu)的奇特性能，引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，被公認(rèn)為是發(fā)展下一代納米光電器件和集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，成為當(dāng)今納米材料研究領(lǐng)域的前沿。磷化銦(InP)作為重要的III-V族化合物半導(dǎo)體材料，具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，是一種直接帶隙半導(dǎo)體，常溫下禁帶寬度為1.35eV。InP納米線具有諸多優(yōu)越的物理性能，如豐富的表面態(tài)、大的比表面積和高載流子遷移率，具備半導(dǎo)體、光電、熱電、壓電、氣敏和透明導(dǎo)電等特性，作為光電子器件可以在納米激光器、發(fā)光二極管、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(wèi)星以及太陽能電池等諸多技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用價值。近年來，對于制備InP納米線及其異質(zhì)材料以及相關(guān)性能的研究已成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)?；贗nP納米線的光電探測器因其具有可調(diào)光波長靈敏度、響應(yīng)快以及高效的光電轉(zhuǎn)換特性而備受關(guān)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(dǎo)體材料，常溫下禁帶寬度為2.4eV，被廣泛應(yīng)用于信號檢測、液晶顯示器和太陽能電池等高科技領(lǐng)域。然而，基于這些半導(dǎo)體納米線的光電探測器因其大的比表面積、表面態(tài)和晶格缺陷會產(chǎn)生高的本征載流子濃度，在一定程度上導(dǎo)致器件具有較大的暗電流，從而嚴(yán)重影響了器件的光探測性能。因此，迫切需要研究一種獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)來耗盡這些因缺陷或陷阱所產(chǎn)生的本征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(fā)明提出了一種全耗盡鐵電側(cè)柵單根納米線近紅外光電探測器及其制備方法。該方法是結(jié)合P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料和納米線制備成具有側(cè)柵結(jié)構(gòu)的納米線光電探測器。利用側(cè)柵施加一瞬間負(fù)向電壓，并通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負(fù)向極化所產(chǎn)生的超強(qiáng)靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產(chǎn)生的本征載流子，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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利提供了一種全耗盡鐵電側(cè)柵單根納米線近紅外光電探測器。該探測器利用獨(dú)特的側(cè)柵結(jié)構(gòu)，并通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負(fù)向極化所產(chǎn)生的超強(qiáng)靜電場來完全耗盡納米線溝道中的本征載流子，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(jié)構(gòu)為：在P型Si襯底1上是SiO₂氧化層2、在SiO₂氧化層2上制備有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(cè)有側(cè)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，并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?fù)诫s，電阻率小于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(cè)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。

本專利的一種鐵電側(cè)柵單根納米線光電探測器的制備方法步驟如下：

1.采用化學(xué)氣相沉積方法在Si襯底上利用Au催化劑生長制備InP及CdS納米線，利用XRD、SEM、TEM、EDS等對納米線的微觀形貌、結(jié)構(gòu)及物性進(jìn)行表征；

2.將生長的納米線物理轉(zhuǎn)移到有SiO₂氧化層的Si襯底上，利用電子束曝光EBL技術(shù)，對單根納米線利用預(yù)先沉積的金屬坐標(biāo)進(jìn)行定位，利用熱蒸鍍和剝離等技術(shù)沉積鉻和金作為源、漏和側(cè)柵電極，形成以納米線為溝道兩端金屬接觸的場效應(yīng)晶體管。其中溝道長度1μm到5μm，側(cè)柵電極距離納米線100nm到1μm；

3.在制備好的背柵器件上旋涂P(VDF-TrFE)鐵電聚合物薄膜，并在130℃溫度下退火2小時，以改善鐵電聚合物薄膜的結(jié)晶性，從而制備成具有側(cè)柵結(jié)構(gòu)的鐵電側(cè)柵單根納米線光電探測器。

因納米線中缺陷或陷阱會產(chǎn)生高的本征載流子濃度，在一定的源漏偏壓下，這些本征載流子所產(chǎn)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(dāng)入射光子的能量大于納米線的禁帶寬度時，產(chǎn)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(cè)柵納米線這種獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)，在側(cè)柵電極上施加一瞬間的負(fù)向脈沖，通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負(fù)向極化所產(chǎn)生的超強(qiáng)靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產(chǎn)生的本征載流子，使得探測器的暗電流能降至pA以下，達(dá)到抑制暗電流的目的。P(VDF-TrFE)鐵電聚合物具有較強(qiáng)的剩余極化及穩(wěn)定的保持特性，可以長時間保持此耗盡狀態(tài)。因此，在耗盡后，光照下的溝道電流主要是由光生電子-空穴對所產(chǎn)生的光生電流形成的。由于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。

本專利的優(yōu)點(diǎn)在于：

本專利利用鐵電側(cè)柵結(jié)構(gòu)，并通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負(fù)向極化所產(chǎn)生的超強(qiáng)靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產(chǎn)生的本征載流子，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。基于該方法，鐵電材料調(diào)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(dá)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(dá)1.7×10¹⁸Jones。此外，器件還具有低功耗、微弱信號探測、快速響應(yīng)等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是鐵電側(cè)柵單根納米線光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是鐵電側(cè)柵納米線光電探測器耗盡態(tài)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(cè)柵電極，6鐵電聚合物薄膜。

圖3是鐵電側(cè)柵納米線光電探測器在耗盡前后光照下的能帶圖。

圖4是鐵電側(cè)柵納米線光電探測器被耗盡前后分別在無光和有光照下的輸出特性曲線，插圖為相應(yīng)的對數(shù)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(cè)柵納米線光電探測器在不同入射光功率下的響應(yīng)率和比探測率。其中圖(a)是InP的數(shù)據(jù)曲線和圖(b)是CdS的數(shù)據(jù)曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本專利的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說明：

本專利研制了全耗盡鐵電側(cè)柵單根納米線光電探測器。通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負(fù)向極化所產(chǎn)生的超強(qiáng)靜電場完全耗盡了納米線溝道中的本征載流子，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.采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在P型Si襯底上制備InP及CdS納米線。首先在Si襯底上熱蒸發(fā)1nm厚的Au薄膜，將適量高純InP(或CdS)粉末放在陶瓷舟上并置于石英管中央，石英管外圍的管式爐可對系統(tǒng)進(jìn)行加熱。Si片平放在石英舟上，一起放入石英管氣流下游距粉末15cm處。在生長InP納米線之前，先將管內(nèi)抽真空至1×10^-3mbar，反應(yīng)過程中系統(tǒng)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，然后保溫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(jié)構(gòu)。對于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(shí)驗(yàn)完成后，停止加熱并持續(xù)通入載氣，讓反應(yīng)管自然冷卻到室溫。

2.制備所得納米線樣品，利用X射線衍射儀(XRD)對納米線的物性進(jìn)行了表征。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(jìn)行表征。

3.將生長的納米線物理轉(zhuǎn)移到有SiO₂氧化層的Si襯底上，利用DesignCAD2000軟件設(shè)計(jì)出電子束曝光的源、漏及側(cè)柵電極圖形；用勻膠機(jī)旋涂光刻膠MMA和PMMA并烘干；利用電子束曝光(掃描電鏡JEOL 6510與微圖形發(fā)生系統(tǒng)NPGS的組裝)，對各電極圖形進(jìn)行精準(zhǔn)定位曝光，然后顯影；利用熱蒸鍍沉積鉻和金(15和50nm)；在丙酮中進(jìn)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(yīng)晶體管，其中溝道長度1μm到5μm，側(cè)柵電極距離納米線100nm到1μm。

4.在制備好的背柵器件上旋涂P(VDF-TrFE)鐵電聚合物薄膜，并在130℃溫度下退火2小時，以改善鐵電聚合物薄膜的結(jié)晶性，最后制備成具有側(cè)柵結(jié)構(gòu)的鐵電側(cè)柵納米線光電探測器。圖1是器件結(jié)構(gòu)示意圖。

5.圖2是鐵電聚合物在負(fù)柵壓作用下耗盡納米線內(nèi)部載流子的剖面示意圖。因納米線中缺陷或陷阱會產(chǎn)生高的本征載流子濃度，會導(dǎo)致較大的暗電流，從而影響器件的探測性能。為了實(shí)現(xiàn)對本征載流子的耗盡，在其中一側(cè)柵電極上施加時長2s、大小為-20V的負(fù)向電壓時，負(fù)向電場梯度的作用將使鐵電聚合物的極化方向指向側(cè)柵電極。因而，通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負(fù)向極化所產(chǎn)生的超強(qiáng)靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產(chǎn)生的本征載流子，使得探測器的暗電流能降至pA以下，達(dá)到抑制暗電流的目的。

6.圖3是探測器在耗盡前后光照下的能帶圖。其中，圖(a)是耗盡前的能帶圖，納米線中因缺陷或陷阱產(chǎn)生的本征載流子在一定的源-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(dāng)入射光子的能量大于納米線的禁帶寬度時，產(chǎn)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(b)是耗盡后的能帶圖。耗盡后，導(dǎo)帶底部向上升高，導(dǎo)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(chǎn)生的光生電流形成。

7.圖4是探測器被耗盡前后分別在無光和有光照下的輸出特性曲線，插圖為相應(yīng)的對數(shù)曲線。其中，圖(a)是InP的輸出特性曲線，圖(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(guān)比均小于1。耗盡后，兩種納米線光探測器的暗電流均降至pA以下，光開關(guān)比I_ph與I_dark之比達(dá)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(yīng)率和比探測率。其中，圖(a)是InP鐵電側(cè)柵光電探測器的相應(yīng)曲線，圖(b)是CdS鐵電側(cè)柵光電探測器的相應(yīng)曲線。對于不同的溝道長度(1μm到5μm)以及不同的側(cè)柵距離(100nm到1μm)，耗盡后器件均顯示了超高的光響應(yīng)性能。鐵電材料調(diào)控下的單根InP納米線(直徑50nm，溝道5μm，側(cè)柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝830nm)的探測率達(dá)2.5×10¹⁴Jones；鐵電材料調(diào)控下的單根InP納米線(直徑100nm，溝道3μm，側(cè)柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝830nm)的探測率達(dá)1×10¹⁵Jones；鐵電材料調(diào)控下的單根InP納米線(直徑300nm，溝道1μm，側(cè)柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝830nm)的探測率達(dá)9.1×10¹⁵Jones。而單根CdS納米線(直徑直徑50nm，溝道5μm，側(cè)柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝520nm)的探測率達(dá)2.8×10¹⁷Jones；單根CdS納米線(直徑100nm，溝道3μm，側(cè)柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝520nm)的探測率達(dá)6.5×10¹⁷Jones；單根CdS納米線(直徑300nm，溝道1μm，側(cè)柵距離100nm到1μm)光電探測器在近紅外波段(λ＝520nm)的探測率達(dá)1.7×10¹⁸Jones。結(jié)果說明本專利提供的利用可耗盡型鐵電側(cè)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。