本發(fā)明涉及一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器及其構(gòu)建方法,屬于低維半導(dǎo)體材料光電應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)是構(gòu)建集成器件最基本的結(jié)構(gòu)單元,以其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)在新型納米光電器件研究中有著重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。具有波長(zhǎng)選擇性的納米帶探測(cè)器,可以作為片上的信息通信集成的重要單元。通常半導(dǎo)體光探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍主要決定于半導(dǎo)體材料的帶隙。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段可以實(shí)現(xiàn)合金半導(dǎo)體納米帶帶隙得連續(xù)可調(diào),為實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)響應(yīng)的探測(cè)提供合適的材料基礎(chǔ)。然而大部分的納米帶探測(cè)器工作都是基于單一組分合金納米帶,其實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)范圍的范圍通常需要多個(gè)器件。如何在單個(gè)納米帶器件實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇性能,還存在挑戰(zhàn)。
軸向組分遞變cdsxse1-x納米帶,因?yàn)槠錆u變的的能帶結(jié)構(gòu),具有特殊的光電輸運(yùn)特性。光在納米帶中的傳輸損耗和能量變化會(huì)依賴其傳輸方向,基于這一點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)單根納米帶的光整流和光柵功能。而基于軸向組分遞變cdsxse1-x納米帶帶隙的在可見波段的寬范圍變化,可以實(shí)現(xiàn)高效率的光伏器件以及寬波段的光探測(cè)器。然而,由于高質(zhì)量的cdsxse1-x納米帶合成的困難和單納米帶上多波長(zhǎng)探測(cè)研究的缺乏,單納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)有很大困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器及其構(gòu)建方法。
本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器,所述選擇性光探測(cè)器由n個(gè)電極和類硫硒化鎘納米帶構(gòu)成;所述n大于等于3優(yōu)選為3-13;類硫硒化鎘納米帶的化學(xué)式為cdsxse1-x;所述類硫硒化鎘納米帶上,s的含量呈梯度變化;所述x小于1。
本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器,所述類硫硒化鎘納米帶的長(zhǎng)度為50-100μm,寬度為2-6μm,厚度為100-200nm。
本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器,相鄰兩個(gè)電極之間的距離為8-25μm、優(yōu)選為8-20μm。
本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的構(gòu)建方法,包括下述步驟:
步驟一s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的制備
以帶有金膜的硅片為襯底,先往反應(yīng)設(shè)備中通入含cds的氣體并控制襯底的溫度為500-550℃,在襯底上沉積得到cds納米帶;然后往反應(yīng)設(shè)備中通入混合氣體并控制襯底的溫度為500-550℃,在所得cds納米帶的軸向繼續(xù)生長(zhǎng)化學(xué)式為cdsxse1-x的納米帶;所述混合氣體中含有cds氣體和cdse氣體;所述化學(xué)式為cdsxse1-x的納米帶中,s的含量沿納米帶的軸向呈梯度變化;
或
以帶有金膜的硅片為襯底,先往反應(yīng)設(shè)備中通入含cdse的氣體并控制襯底的溫度為500-550℃,在襯底上沉積得到cdse納米帶;然后往反應(yīng)設(shè)備中通入混合氣體并控制襯底的溫度為500-550℃,在所得cdse納米帶的軸向繼續(xù)生長(zhǎng)化學(xué)式為cdsxse1-x的納米帶;所述混合氣體中含有cds氣體和cdse氣體;所述化學(xué)式為cdsxse1-x的納米帶中,s的含量沿納米帶的軸向呈梯度變化;
步驟二組裝
取一根步驟一所得化學(xué)式為cdsxse1-x的納米帶放置于sio2基底上,然后涂覆一層光刻膠;干燥、按設(shè)定尺寸曝光、按設(shè)定尺寸顯影;顯影后,熱蒸發(fā)60/20nmcr/au薄膜,蒸發(fā)后,去膠、干燥;得到單根納米帶上的多電極器件,所述;多電極器件即為波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器;所述光刻膠為負(fù)膠。
作為優(yōu)選方案,本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的構(gòu)建方法,沉積時(shí),爐內(nèi)壓力為200-500mbar、優(yōu)選為300mbar。
作為優(yōu)選方案,本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的構(gòu)建方法,沉積時(shí),保護(hù)氣體的流速為50-200sccm、優(yōu)選為150sccm。
作為優(yōu)選方案,本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的構(gòu)建方法,s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的制備包括下述步驟:
將1號(hào)瓷舟、2號(hào)瓷舟、3號(hào)瓷舟裝入帶進(jìn)氣口和出氣口的水平管式爐中,其中,3號(hào)瓷舟位于靠近出氣口的一端,1號(hào)瓷舟位于靠近進(jìn)氣口的一端,2號(hào)瓷舟位于1號(hào)瓷舟和2號(hào)瓷舟之間;裝爐后,所述1號(hào)瓷舟和2號(hào)瓷舟還設(shè)有傳動(dòng)裝置;往水平管式爐中通入保護(hù)氣體,升溫至,2號(hào)瓷舟的溫度為820-840℃、3號(hào)瓷舟的溫度為500-550℃、1號(hào)瓷舟的溫度小于等于300℃;保溫20-30min后,按設(shè)定速率推動(dòng)1號(hào)瓷舟,當(dāng)1號(hào)瓷舟被推動(dòng)時(shí),通過(guò)傳動(dòng)裝置同步推動(dòng)2號(hào)瓷舟;在推動(dòng)過(guò)程中,2號(hào)瓷舟的溫度呈降溫趨勢(shì);1號(hào)瓷舟被推動(dòng)的過(guò)程中,其溫度變化過(guò)程中,含有升溫的階段;推動(dòng)1號(hào)瓷舟、2號(hào)瓷舟的反應(yīng)時(shí)間為15-30min;然后隨爐冷卻至室溫,得到s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶;所述2號(hào)瓷舟內(nèi)裝有cds粉,所述1號(hào)瓷舟中裝有cdse粉,所述瓷舟3上平鋪有帶有金膜的硅片。
作為優(yōu)選方案,本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的構(gòu)建方法,
帶有金膜的硅片上,金膜的厚度為8-12nm;
按2-3cm/min速率推動(dòng)1號(hào)瓷舟;
推動(dòng)1號(hào)瓷舟、2號(hào)瓷舟反應(yīng)15-30min后,以1-3℃/min降溫至3號(hào)瓷舟的溫度為450-500℃;保溫1-3min,然后隨爐冷卻至室溫。
作為優(yōu)選方案,本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的構(gòu)建方法,cds粉、cdse粉的純度均大于等于99.999%。
作為優(yōu)選方案,本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的構(gòu)建方法,用丙酮、乙醇超聲清洗硅片,烘干后在硅片表面蒸鍍一層約10納米厚金膜作為反應(yīng)催化劑。
在試樣過(guò)程中,所用管式爐中有一根長(zhǎng)約150厘米,內(nèi)徑45毫米,外徑50毫米的石英管。在開始升溫之前,裝有cds的瓷舟首先置入管式爐蒸發(fā)區(qū)中央,裝有cdse瓷舟分別放在蒸發(fā)區(qū)外,并且用石英棒隔開一定距離放置在上游蒸發(fā)區(qū)外,石英棒通過(guò)磁鐵與步進(jìn)電機(jī)相連,用來(lái)推動(dòng)磁舟進(jìn)出蒸發(fā)區(qū)。帶有金膜的硅襯底片放置在下游沉積區(qū)的位置收集樣品。隨后在石英管中以150sccm的速率通入高純氮?dú)?0min,用來(lái)排出腔體內(nèi)的空氣,然后將溫度以40℃/min的速率升高到830℃,并且保持壓強(qiáng)為300mbar。經(jīng)過(guò)30min后,得到cds納米帶,隨后用步進(jìn)電機(jī)將cdse磁舟以2.3cm/min的速率緩慢推入爐腔內(nèi)并逐步替換裝有cds。經(jīng)過(guò)15-30min的生長(zhǎng)后,得到組分單向遞變的納米帶,緊接著以2℃/min的速率降低溫度到780℃,在780℃恒溫2min后自然冷卻到室溫。
作為優(yōu)選方案,本發(fā)明一種基于s含量梯度變化的類硫硒化鎘納米帶的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的構(gòu)建方法,所制備的波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器的探測(cè)截止波長(zhǎng)為530-630nm。
本發(fā)明嘗試了采用cvd方法制備cdsxse1-x納米帶并用光刻方法制備了納米帶多電極器件;解決了現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的小型化和多個(gè)探測(cè)器集成的困難。
原理和優(yōu)勢(shì)
本發(fā)明cdsxse1-x納米帶通過(guò)反應(yīng)源可控化學(xué)氣相沉積方法,cds和cdse粉為原料,通過(guò)嚴(yán)格控制原料的加熱溫度從而達(dá)到有效的控制它們的蒸發(fā)量,載氣將cds和cdse蒸汽送到反應(yīng)區(qū)(所述反應(yīng)區(qū)由小舟和平鋪于小舟之上的sio2片構(gòu)成),由于載氣流速、反應(yīng)腔壓力以及原料的蒸發(fā)溫度控制得當(dāng),使得反應(yīng)腔內(nèi)cds和cdse蒸氣的飽和度逐漸改變,在這個(gè)飽和度條件下,蒸氣沉積時(shí)組分漸變。納米帶器件將梯度納米帶分散到sio2基底上,經(jīng)過(guò)光刻,熱蒸發(fā)60/20nmcr/au,去膠后得到納米帶器件。由于探測(cè)器的探測(cè)范圍取決半導(dǎo)體材料的帶隙,因而可以通過(guò)選擇在單根納米帶上不同位置的電極即可以得到對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍的光探測(cè)。
本發(fā)明的工藝技術(shù)簡(jiǎn)單,控制方便,主要是利用化學(xué)氣相沉一步合成cdsxse1-x納米帶,并得到波長(zhǎng)選擇性光探測(cè)器。傳統(tǒng)的單組分的合金納米帶探測(cè)器由于固定的帶隙,因此探測(cè)范圍難以選擇。此方法克服了單組分納米帶探測(cè)固定探測(cè)范圍的缺點(diǎn),在納米光電子集成系統(tǒng)上將會(huì)有重大應(yīng)用。
附圖說(shuō)明
附圖1由圖1a、圖1b構(gòu)成;
附圖1a為實(shí)施例1所制備的cdsxse1-x納米帶在473nm連續(xù)激光寬照下的照片;
附圖1b為實(shí)施例1所制備的從左到右不同點(diǎn)處的發(fā)光光譜;
附圖2由圖2a-圖2d構(gòu)成;
附圖2a為實(shí)施例1所制備的cdsxse1-x納米帶兩端器件的掃面電鏡圖;
附圖2b為實(shí)施例1所制備的cdsxse1-x納米帶兩端器件在不同波長(zhǎng)光照下的伏安特性曲線圖;
附圖2c為實(shí)施例1所制備的cdsxse1-x納米帶兩端器件在分別在+3v和-3v時(shí)光電流的光譜響應(yīng)曲線;
附圖2d為實(shí)施例1所制備的cdsxse1-x納米帶兩端器件在分別在+3v和-3v時(shí),550nm光的開關(guān)響應(yīng)。
附圖3由圖3a和圖3b構(gòu)成;
附圖3a為實(shí)施例2所制備的cdsxse1-x納米帶多端器件頂視圖;
附圖3b為實(shí)施例2所制備的cdsxse1-x納米帶多端器件在電極a-d反偏(-3v)光電流的光譜響應(yīng);
附圖4為本發(fā)明制備過(guò)程示意圖。
從圖1中的不同點(diǎn)處的熒光光譜可以看出cdsxse1-x納米帶從左到右?guī)吨饾u減小。
從圖2b中不同波長(zhǎng)光照下的伏安特性曲線圖,可以正負(fù)電流的大小隨光照波長(zhǎng)變化是不同的。圖2c光譜響應(yīng)曲線證明了正向偏壓時(shí)的光電流響應(yīng)截止波長(zhǎng)為630nm,而反向的截止波長(zhǎng)為570nm。圖2d說(shuō)明正負(fù)光電流具有良好的開關(guān)特性。
從圖3a光學(xué)圖片中可以看到cdsxse1-x納米帶多端器件。圖3b分別是電極a-b,b-c,c-d,d-e反向偏置時(shí)的光電流的光譜響應(yīng)曲線。結(jié)果表明探測(cè)器的響應(yīng)范圍隨電極位置不同而變化。說(shuō)明了單根納米帶器件上實(shí)現(xiàn)了多個(gè)不同探測(cè)范圍的探測(cè)器的集成。
從附圖4可以看出,本發(fā)明主要可分2步進(jìn)行。
具體實(shí)施方式:
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述:
實(shí)施例1:
軸向組分遞變cdsxse1-x納米帶通過(guò)反應(yīng)源可控化學(xué)氣相沉積方法合成:用丙酮、乙醇超聲清洗硅片,烘干后在硅片表面蒸鍍一層約10納米厚金膜作為反應(yīng)催化劑。在兩個(gè)磁舟中依次放入適量的cds(alfaaesar,99.999%)、cdse(alfaaesar,99.999%)。然后將瓷舟放到一根長(zhǎng)約150厘米,內(nèi)徑45毫米,外徑50毫米的石英管中。在開始升溫之前,裝有cds的一號(hào)磁舟首先置入管式爐蒸發(fā)區(qū)中央,二號(hào)cdse磁舟分別放在蒸發(fā)區(qū)外,并且用石英棒隔開一定距離放置在上游蒸發(fā)區(qū)外,石英棒通過(guò)磁鐵與步進(jìn)電機(jī)相連,用來(lái)推動(dòng)磁舟進(jìn)出蒸發(fā)區(qū)。帶有金膜的硅襯底片放置在下游沉積區(qū)的位置收集樣品。隨后在石英管中以150sccm的速率通入高純氮?dú)?0min,用來(lái)排出腔體內(nèi)的空氣,然后將溫度以40℃/min的速率升高到830℃,并且保持壓強(qiáng)為300mbar。經(jīng)過(guò)30min后,我們得到純的cds納米帶,隨后用步進(jìn)電機(jī)將cdse磁舟以2.3cm/min的速率緩慢推入爐腔內(nèi)替換裝有cds的磁舟。經(jīng)過(guò)15-30min的生長(zhǎng)后,我們得到組分單向遞變的納米帶,緊接著以2℃/min的速率降低溫度到780℃,在780℃恒溫2min后自然冷卻到室溫。
取sio2片為襯底,納米帶器件將梯度納米帶分散到sio2基底上。將sio2片置于高速旋轉(zhuǎn)機(jī),在2500/min和時(shí)間60s旋涂一層600nm厚的光刻膠(負(fù)膠)。前烘,溫度120℃,時(shí)間90s。用掩膜版掩膜曝光10s,設(shè)計(jì)的圖形的為兩個(gè)電極,電極間距為20μm。后烘120℃,時(shí)間90s。隨后顯影,時(shí)間20s。熱蒸發(fā)60/20nmcr/au,去膠后得到兩端的納米帶器件。如圖2,電學(xué)測(cè)試表明正負(fù)光電流的探測(cè)范圍不同,具有波長(zhǎng)選擇性。
,實(shí)施例2:
軸向組分遞變cdsxse1-x納米帶通過(guò)反應(yīng)源可控化學(xué)氣相沉積方法合成:用丙酮、乙醇超聲清洗硅片,烘干后在硅片表面蒸鍍一層約10納米厚金膜作為反應(yīng)催化劑。在兩個(gè)磁舟中依次放入適量的cds(alfaaesar,99.999%)、cdse(alfaaesar,99.999%)。然后將瓷舟放到一根長(zhǎng)約150厘米,內(nèi)徑45毫米,外徑50毫米的石英管中。在開始升溫之前,裝有cds的一號(hào)磁舟首先置入管式爐蒸發(fā)區(qū)中央,二號(hào)cdse磁舟分別放在蒸發(fā)區(qū)外,并且用石英棒隔開一定距離放置在上游蒸發(fā)區(qū)外,石英棒通過(guò)磁鐵與步進(jìn)電機(jī)相連,用來(lái)推動(dòng)磁舟進(jìn)出蒸發(fā)區(qū)。帶有金膜的硅襯底片放置在下游沉積區(qū)的位置收集樣品。隨后在石英管中以150sccm的速率通入高純氮?dú)?0min,用來(lái)排出腔體內(nèi)的空氣,然后將溫度以40℃/min的速率升高到830℃,并且保持壓強(qiáng)為300mbar。經(jīng)過(guò)30min后,我們得到純的cds納米帶,隨后用步進(jìn)電機(jī)將cdse磁舟以2.3cm/min的速率緩慢推入爐腔內(nèi)替換裝有cds的磁舟。經(jīng)過(guò)15-30min的生長(zhǎng)后,我們得到組分單向遞變的納米帶,緊接著以2℃/min的速率降低溫度到780℃,在780℃恒溫2min后自然冷卻到室溫。
取sio2片為襯底,納米帶器件將梯度納米帶分散到sio2基底上。將sio2片置于高速旋轉(zhuǎn)機(jī),在2500/min和時(shí)間60s旋涂一層600nm厚的光刻膠(負(fù)膠)。前烘,溫度120℃,時(shí)間90s。用掩膜版掩膜曝光10s,設(shè)計(jì)的圖形的為多個(gè)相互獨(dú)立的電極,電極間距為10μm。后烘120℃,時(shí)間90s。隨后顯影,時(shí)間20s。熱蒸發(fā)60/20nmcr/au,去膠后得到兩端的納米帶器件。如圖2,電學(xué)測(cè)試表明-3v偏壓時(shí)不同電極的的探測(cè)范圍不同,具有波長(zhǎng)選擇性。
對(duì)比例2
其他條件也實(shí)例1一致,軸向組分遞變cdsxse1-x納米帶換成單組份的cds,電學(xué)測(cè)試表明正負(fù)光電流的探測(cè)范圍相同,不具有波長(zhǎng)選擇性。
對(duì)比例3
其他條件均與實(shí)施例2一致,軸向組分遞變cdsxse1-x納米帶換成單組份的cdse,電學(xué)測(cè)試表明正負(fù)光電流的探測(cè)范圍相同,不具有波長(zhǎng)選擇性。