一种纳米线多色近红外光电探测器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种纳米线多色近红外光电探测器及其制备方法，解决的是均匀性和稳定性差，成品率低，造价昂贵的技术问题，通过采用包括：上下依次设置的Si 100基底和SiO2绝缘层，SiO2绝缘层设置多根不同组分的InAsP纳米线作为光吸收区，两端设有金属电极，金属电极覆盖在多根纳米线的两端，并形成欧姆接触；多根纳米线排列与金属电极垂直，纳米线之间相互平行的技术方案，较好的解决了该问题，可用于光电探测器中。

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种纳米线多色近红外光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器指的是能将光信号转换为可度量的电信号的一种器件，光电探测器采集光信号，相当于设备的“眼睛”。随着科技的进步，探测器向多波长发展，多色探测器可以得到待测物的“彩色”图像，使得探测信息更丰富、更精确和可靠，极大地提升了待测目标的识别能力。多色红外探测器可同时在多个波段采集目标的特征信息。类似于人眼视网膜三种视锥细胞具有能识别不同颜色的能力，多波长探测能力，可提供被观测物体的更多信息多色光电探测器具有效率高、目标识别能力更强，误警率低、空间分辨率高等优点。传统的多色探测器是由不同波段的探测器组合形成的，每个器件需要独立的成像光路，系统复杂，探测效率低，体积大，且价格昂贵。此外，不同器件采集的空间数据的融合涉及繁琐的图像配准问题，如图像时序同步、不同光轴的平行性校准等，数据处理耗时。与之相比，单片集成式多色探测器，具有集成化、精度和效率高等优点。但是传统的单片集成式多色探测器采用平面型的器件结构，如果超过临界厚度，晶格失配会在器件中产生大量穿透位错，会严重影响器件性能。由于晶格匹配的限制，平面型近红外探测器的设计和探测波长范围受到了很大的限制。

目前使用最多的一种红外探测器材料碲镉汞材料的禁带宽度组分变化，可从半金属到约1.6eV，器件响应波长连续可调。但是，由于碲镉汞是由离子键结合的三元材料，不同种原子间通过离子键连接，相互作用力小。特别是Hg元素非常不稳定，易从材料中逸出，导致材料缺陷多、不均匀性高。这些因素造成由碲镉汞探测器的均匀性和稳定性差，成品率低，造价昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的均匀性和稳定性差，成品率低，造价昂贵的技术问题。提供一种新的纳米线多色近红外光电探测器，该纳米线多色近红外光电探测器具有尺寸小，纳米线探测器体积更小，集成度更高，批量成产后成本大幅降低的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种纳米线多色近红外光电探测器，所述纳米线多色近红外光电探测器包括：上下依次设置的Si 100基底和SiO2绝缘层，SiO2绝缘层设置多根不同组分的InAsP纳米线作为光吸收区，两端设有金属电极，金属电极覆盖在多根纳米线的两端，并形成欧姆接触；多根纳米线排列与金属电极垂直，纳米线之间相互平行。

上述方案中，为优化，进一步地，所述纳米线长度为2±0.2微米，直径为20纳米至30纳米；金属电极厚度为h2，金属电极的间距为100nm至1um。

进一步地，纳米线长度为2微米。

进一步地，所述纳米线采用III族元素In进行生长，Au作为催化剂。

本发明还提供一种纳米线多色近红外光电探测器制备方法，纳米线多色近红外光电探测器制备方法基于前述的纳米线多色近红外光电探测器，包括：

步骤1，将新的衬底放入MBE超高真空室进行除气，升温到固定温度T1，维持时间t1，去除衬底包括表面气体、水汽在内的杂质；

步骤2，传入生长室衬底加热器，将P源打开，使得衬底在P源保护下升温至T2，进行脱氧化层处理；

步骤3，降温至固定温度T3，接着生长一层缓冲层，厚度为h1，再继续降温T4；

步骤4，使用Au源升温至T5，打开Au源喷射时间t2，维持时间t3，使得Au变成液滴；

步骤5，打开In源、As源、P源三个源，进行喷射，时间为t4；

步骤6，降温后关闭电源，得到所需纳米线；调整组分比例，重复生长不同组分纳米线；

步骤7，利用物理剥离法转移纳米线至乙醇溶液，超声震荡维持时间t5，然后使用旋涂方式将纳米线转移并分散到SiO2绝缘层；

步骤8，利用光刻方法和电子束蒸发方法在多根不同组分的InAsP纳米线两端制备一层金属电极，得到基于多根不同组分InAsP纳米线的多色近红外光电探测器。

进一步地，固定温度T1＝350℃，t1＝1小时，T2＝500℃，T3＝370℃，T4＝340±5℃，T5＝1100℃，t2＝30±1秒，t3＝1分钟，t4＝15分钟，t5＝5分钟，h1＝20±5nm。

进一步地，T4＝340℃，t2＝30秒，h1＝200nm。

本发明的有益效果：对于纳米线来说，晶格失配应力可以在纳米线表面得到有效地释放。由于纳米线可耐受的晶格失配比较大，这给衬底的选择和器件的设计，带来了很大的灵活性，同时还可以降低成本。由于尺寸小，纳米线探测器体积更小，集成度更高，批量成产后成本大幅降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，本实施例中设计方案流程示意图。

图2，基于多根不同组分InAsP纳米线的多色近红外光电探测器示意图。

图3，InP垂直纳米线阵列SEM图。

附图中，1-Si衬底；2-SiO2绝缘层；3-多根不同组分的InAsP纳米线；4-金属电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例采用如图1的设计方法，提供一种纳米线多色近红外光电探测器，如图2，所述纳米线多色近红外光电探测器包括：上下依次设置的Si 100基底1和SiO2绝缘层2，SiO2绝缘层设置多根不同组分的InAsP纳米线3作为光吸收区，两端设有金属电极4，金属电极4覆盖在多根纳米线的两端，并形成欧姆接触；多根纳米线排列与金属电极垂直，纳米线之间相互平行。

具体地，所述纳米线长度为2±0.2微米，直径为20纳米至30纳米；金属电极厚度为h2，金属电极的间距为100nm至1um。h2可根据情况适当取值。

优选地，纳米线长度为2微米。

具体地，所述纳米线采用III族元素In进行生长，Au作为催化剂。

本实施例还提供一种纳米线多色近红外光电探测器制备方法，纳米线多色近红外光电探测器制备方法基于前述的纳米线多色近红外光电探测器，包括：

步骤1，将新的衬底放入MBE超高真空室进行除气，升温到固定温度T1，维持时间t1，去除衬底包括表面气体、水汽在内的杂质；

步骤2，传入生长室衬底加热器，将P源打开，使得衬底在P源保护下升温至T2，进行脱氧化层处理；

步骤3，降温至固定温度T3，接着生长一层缓冲层，厚度为h1，再继续降温T4；

步骤4，使用Au源升温至T5，打开Au源喷射时间t2，维持时间t3，使得Au变成液滴；

步骤5，打开In源、As源、P源三个源，进行喷射，时间为t4；

步骤6，降温后关闭电源，得到所需纳米线；调整组分比例，重复生长不同组分纳米线；

步骤7，利用物理剥离法转移纳米线至乙醇溶液，超声震荡维持时间t5，然后使用旋涂方式将纳米线转移并分散到SiO2绝缘层；

步骤8，利用光刻方法和电子束蒸发方法在多根不同组分的InAsP纳米线两端制备一层金属电极，得到基于多根不同组分InAsP纳米线的多色近红外光电探测器。

比如：利用光学显微镜观察绝缘层上分离出来的纳米线，在SiO2绝缘层上寻找一根相应组分的InAsP纳米线，利用传统的光刻技术和电子束蒸镀技术在多根不同组分的InAsP纳米线两端沉积多层Pd/Zn/Pd/Au的金属电极，厚度依次为2/20/68/110nm，形成最终的基于多根不同组分InAsP纳米线的多色近红外光电探测器。

具体地，固定温度T1＝350℃，t1＝1小时，T2＝500℃，T3＝370℃，T4＝340±5℃，T5＝1100℃，t2＝30±1秒，t3＝1分钟，t4＝15分钟，t5＝5分钟，h1＝20±5nm。

优选地，T4＝340℃，t2＝30秒，h1＝200nm。

图3是InP垂直纳米线阵列SEM图，其中(a)和(b)为同一个样品不同放大倍数下的图片。可以从InP垂直纳米线阵列SEM图看出，所需纳米线有着很好的择优生长去向，尺寸均衡，形貌整齐。

本发明使用多根不同组分的纳米线作为光吸收区，不同组分分辨不同波长的红外光，能降低晶格失配带来的负面问题，同时提高光增益与光分辨率，使得探测目标结果更为精确。本发明选择使用InAsP纳米线，一是InAsP的带隙宽度调节范围宽，300K时可从0.354eV(InAs)到1.344eV(InP)，几乎覆盖了整个近红外波段；二是InAsP纳米线结构只有一种III族元素In，高晶体质量纳米线生长难度较小。

本实施例的结构的特点在于使用多根不同组分的InAsP纳米线，纳米线选择使用III族元素In，因为只选择了一种III族元素，就可以降低生长高质量的纳米线的难度，同时选用Au作为催化剂，工艺更加成熟，使得生长出的纳米线有更符合探测器的要求，同时能够克服传统红外材料成本高的问题，并且衬底选择和器件设计上更灵活。

而不同组分的InAsP纳米线则有着较宽的带隙分布，300K时可从0.354eV(InAs)到1.344eV(InP)，通过控制纳米线生长中的组分比例，生长出多根组分不同的纳米线，就可以覆盖几近全部的近红外线波段。

在光照条件下(入射光能量大于InAsP的能带Eg)，纳米线内部产生光生电子-空穴对，空穴在表面电场和弯曲的能带作用下移动到纳米线表面，与O2-离子中和，使得O2分子解吸附。这样就在纳米线内部剩余了大量的自由电子，在外在电场作用下被两端的电极收集，表现出很强的光电响应效果，不同组分探测不同近红外线波段，使得整体探测波段更丰富且更准确，可以提供更多的图像信息等。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。