方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器及制备方法

摘要

本发明公开了方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器及其制备方法，所述探测器自上而下依次由方酸单根纳米线、金电极、绝缘衬底、N型硅迭置而成，当在两电极之间搭上方酸的单根纳米线时，则构筑出异质结器件，其中N型硅既为电极又为异质结中的N型材料；该器件在暗场、亮场、控温、真空环境下均显示出明显的整流信号，然而当以一定波长范围的单色光照射且施以负压时，出现反向电导增强的现象，原因是光照使得SQ的载流子浓度升高，p-n结变薄，当施加反向偏压的时候，载流子更容易隧穿过结区，出现反向电导升高的现象。本发明结构简单，灵敏度高，成本低，易于实现。

说明书

 

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器及制备方法。

背景技术

目前研究较多且运用于实际中的探测器主要是无机探测器，其中以Si基、Ti基、GaN基以及ZnO基紫外光探测器为代表。有机材料尤其是有机小分子材料由于具有柔性、易裁剪性、结构及性能方面的多样性等诸多优点，近年来受到广泛关注。然而其在光电探测器应用方面的研究至今较少。方酸染料作为有机小分子材料的一类，是一种重要的有机光电功能染料，具体而言：光吸收波长范围是400nm-800nm； P型半导体材料；光响应迅速，电流开关比值较大。

发明内容

本发明是基于当今无机探测器的研究日益成熟，而有机材料尤其是具有诸多优点的有机小分子材料（柔性、结构及性能的多样性、官能团易裁剪性）应用于探测器方面的研究较少。为了充分利用有机小分子材料的优势，我们选用光电性能较好的有机小分子染料方酸，制备出方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器。该发明在暗场、白光、控温、真空环境下均显示出明显的整流信号，且当以一定波长范围的单色光（400nm-800nm）照射且施以负压时，出现反向电导增强的现象（即光电探测的依据）。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器，所述探测器自上而下依次由方酸单根纳米线、金电极、绝缘衬底、N型硅迭置而成。

进一步的，所述方酸单根纳米线中的方酸为

2,4-bis[4-(N,N-dimethylamino)phenyl]squaraine，是一种具有较强光电导性的有机小分子材料，其分子式是 C₂₀H₂₀O₂。 

进一步的，所述金电极的尺寸为400μm×400μm，厚度为50nm。

进一步的，所述绝缘衬底为厚度为300nm的二氧化硅。

方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器的制备方法，按如下步骤进行：

a、利用光刻方法在表面氧化层厚度为300nm的N型硅片上面光刻出500μm×500μm的方块图形；

b、显影并刻蚀，选择性的将方形图形区域外的二氧化硅层刻蚀去除，制备出岛屿状500μm×500μm的方块二氧化硅图案；

c、进行二次光刻，在岛屿状500μm×500μm的方形二氧化硅图案正中光刻出400μm×400μm的方块电极图形；

d、通过磁控溅射或电子束沉积方法在方块电极的图形上制备出400μm×400μm的方块电极，电极材料为Au；

e、采用“溶剂挥发法”，制备出方酸单根纳米线，并滴加到制备好的电极上面。在显微镜的帮助下，挑选出能够准确搭在N型硅和金电极之间的方酸单根纳米线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、 该发明对可见光敏感，为有机/无机光电探测器。

2、 该发明的器件结构简单，灵敏度高。

3、 该发明成本低，易于实现。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的暗场及白光环境下的I-V（电流-电压）曲线；

图3为本发明在电压为7V，周期性变换暗场和白光环境下的I-T（电流-时间响应）曲线；

图4为本发明在控温环境下的I-V曲线；

图5为本发明在真空环境下的I-V曲线；

图6为本发明在白光及550nm光激发下的I-V曲线；

图7为本发明在450nm、500nm、550nm波长的单色光激发下的I-V曲线。

图中标号说明：1.方酸单根纳米线，2.金电极，3.绝缘衬底，4.N型硅。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1所示，本实施例中方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器自上而下依次由方酸单根纳米线1，金电极2，绝缘衬底3，N型硅4迭置而成。

进一步的，所述方酸单根纳米线1中的方酸为

2,4-bis[4-(N,N-dimethylamino)phenyl]squaraine，是一种具有较强光电导性的有机小分子材料，其分子式是 C₂₀H₂₀O₂。 

进一步的，所述金电极2的宽度为400μm×400μm，厚度为50nm。

进一步的，所述绝缘衬底3为厚度是300nm的二氧化硅。

方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器的制备方法，按如下步骤进行：

a、利用光刻方法在表面氧化层厚度为300nm的N型硅片上面光刻出500μm×500μm的方块图形。

b、显影并刻蚀，选择性的将方形图形区域外的二氧化硅层刻蚀去除，制备出岛屿状500μm×500μm的方块二氧化硅图案。

c、进行二次光刻，在岛屿状500μm×500μm的方形二氧化硅图案正中光刻出400μm×400μm的方块电极图形；

d、通过磁控溅射或电子束沉积方法在方块电极的图形上制备出400μm×400μm的方块电极，电极材料为Au。

e、采用“溶剂挥发法”，制备出方酸纳米线。具体为：首先配制出浓度为9mg/L的方酸的二氯甲烷溶液，然后取1ml溶液缓慢滴加到含有5ml水的2.5cm×2.5cm称量瓶中（内含磁子），在溶剂挥发的同时进行磁力搅拌。待溶剂挥发完毕，水的表面漂浮着方酸的纳米线。将方酸纳米线滴加到制备好的电极上面。且在显微镜的帮助下，挑选出能够准确搭在金电极和N型硅电极上之间的方酸单根纳米线。

f、利用Keithley 4200-SCS测量不同环境下（暗场、白光、控温、真空）方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器的伏安特性。如图3所示，SQ在白光下有光响应，其在白光下的开启电压（5.3V）明显小于暗场的开启电压（6.3V）。如图4所示，控温环境下，器件依旧显示整流信号，且随着温度的降低，电流在变小。这是因为随着温度的降低，SQ载流子的活性在降低。如图5所示，真空环境下的电流要高于常压，这是由于抽真空时带走了水汽， SQ载流子更易流通所致。

g、利用Keithley 4200-SCS测量当电压固定为7V，且测量环境周期性变换（暗场和白光）的情况下，方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器的电流-时间曲线。如图3所示，SQ在白光下光响应迅速。

h、采用-7V-7V的电压和波长为450nm、500nm、550nm的单色光，分别测试方酸单根纳米线和N型硅异质结光电探测器的伏安特性。如图6所示，在电压为-7V时，光电流与暗电流的比值高达3.89 x10⁴。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。