專利名稱：多波段光電探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電探測技術(shù)，具體而言是一種多波段光電探測器。
背景技術(shù)：
物體的光譜輻射特征能提供豐富的信息，如車輛、樹林、道路的光譜特征曲線就存在顯著的差異樹林在700 740nm波段反射率急劇增大，而740nm以后反射率逐步降低， 表現(xiàn)出綠色植被光譜反射特性的基本特征；而道路則不同，光譜曲線的峰值出現(xiàn)在500nm 波段附近，隨著波長的增加，反射逐步降低。因此，利用某一物體反射或輻射到探測器上的各種不同波長能量分布構(gòu)成的光譜特征在理論上唯一可確定物體性質(zhì)。對于感興趣的目標(biāo)，只要能夠獲取其兩個或多個特征譜段上的信息，就能將目標(biāo)從背景中甄別出來。顯然， 上述光譜特征探測識別技術(shù)具有十分重要的民用價值，可廣泛應(yīng)用于地理、污染物遙感監(jiān)測、醫(yī)療光譜診斷等多個領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的納米管材料，具有多方面獨特的性能，引起了各國的關(guān)注。特別是其能帶帶隙同納米管的直徑線性相關(guān)，改變管徑就能方便地調(diào)制其光電響應(yīng)的波長特征。同時納米管還具有準(zhǔn)一維特征，載流子在其中的傳輸幾乎是無缺陷復(fù)合的，理論上，以它制作的器件可以實現(xiàn)極低噪聲。為制作用于光譜特征探測識別的、微型多波段光電探測器提供了一種極佳的材料。現(xiàn)有技術(shù)的顯著缺點是現(xiàn)有光譜探測技術(shù)需附加復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，集成度低，尺寸很大，難以實現(xiàn)多波段探測，難以滿足小型化使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小、集成度高的多波段光電探測器，直接利用不同直徑納米材料對光的響應(yīng)波段不同，形成多個波段的探測，很好地滿足目標(biāo)多波段信息獲取的要求。為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種多波段光電探測器，包括硅襯底、隔離層，其關(guān)鍵在于所述隔離層表面設(shè)置有至少二組光電探測單元；
每組所述光電探測單元由兩個電極和納米管構(gòu)成，三者固定在所述隔離層上，納米管搭接在第一電極和第二電極之間，所述第一電極上連接有第一輸出管腳，第二電極上連接有第二輸出管腳；
其中第一組光電探測單元的納米管的直徑大于第二組探測單元的納米管直徑。低維納米材料，如碳納米管、碳化硅納米管等，與相應(yīng)的體材料不同，是一類直接帶隙的準(zhǔn)一維半導(dǎo)體材料，其光吸收峰對應(yīng)于其帶隙值。同時納米管材料的的禁帶寬度 Eg(單位eV)與直徑d (單位nm)及其空間螺旋特征顯著相關(guān)；以碳納米管為例，具有下面的線性關(guān)系因此，改變碳納米管直徑，就可以線性地調(diào)整其禁帶寬度，實現(xiàn)對特定波長的響應(yīng)，是一種極具潛力的多波段光敏感材料。如直徑8 150nm的單壁碳納米管，對波長1 12 μ m的紅外光都有顯著響應(yīng)，具有制備紅外探測器的潛在可能。而且，碳納米管對載流子的復(fù)合幾乎是無缺陷的，因此它對太陽光譜有一個范圍非常寬的帶隙匹配，即對從紅外到紫外波段的光譜都有較強的光敏特性，并且呈現(xiàn)出較高的載流子傳遞速率和較小的傳輸散射損耗，可構(gòu)筑新型的納米尺度的光電子器件，如寬譜段的微型光譜儀和高效太陽能電池等。同時利用納米管材料獨特的光電效應(yīng)，還可以改善傳統(tǒng)紫外光電探測器和紅外光電探測器的性能。基片上布置若干組光電探測單元，每組探測單元因為納米管的直徑不同，其光譜響應(yīng)曲線也不同，當(dāng)某一組光電探測單元產(chǎn)生光響應(yīng)時，對應(yīng)管腳輸出相應(yīng)的電信號，這些輸出管腳連接在同一陣列處理芯片上，陣列處理芯片按照一定的算法處理輸入的電信號， 由各組探測單元輸出信號的強弱差異，讀出相應(yīng)的光譜信息。直接利用不同直徑的納米材料對光的響應(yīng)波段不同來實現(xiàn)多波段探測。利用本發(fā)明設(shè)計的多波段光電探測器，附加相應(yīng)的陣列處理芯片電路就能實現(xiàn)對若干種不同波段光譜的識別，很好地滿足目標(biāo)多波段信息獲取的要求。所述基片上面還設(shè)置有第三組光電探測單元，該第三組光電探測單元的納米管直徑小于所述第二組光電探測單元的納米管直徑。所述第一電極和第二電極為金屬電極，其中第一電極為高功函數(shù)金屬電極，第二電極為低功函數(shù)材料電極。所述第一電極為高功函數(shù)金屬Pd電極，第二電極為低功函數(shù)材料Ag電極。第一電極也可以是其他高功函數(shù)金屬電極，如Pt、Au等，第二電極也可以是其他低功函數(shù)材料， 如 Al、Li、Mg 等。為了避免硅襯底同金屬電極直接接觸，在硅襯底上生長了一層熱氧化二氧化硅薄膜作為隔離層。
所述硅襯底可以為N型或P型。所述納米管為直線條，或“S”形線條或其它形狀。位于所述納米管下方的硅基襯底中設(shè)置有多晶硅柵極，該多晶硅柵極兩端經(jīng)柵極引腳與外界的電路相連。在器件結(jié)構(gòu)中，同時還以埋層的形式，設(shè)計了一個摻雜多晶硅柵極。在柵極兩端通電，優(yōu)化偏壓，就可以調(diào)節(jié)輸出的光電流大小，達到輸出光電流最大化的目標(biāo)。本發(fā)明的顯著效果是提供了一種多波段光電探測器，能直接利用不同直徑的納米材料，在多個光譜段上獲取目標(biāo)信息，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、集成度高的優(yōu)點，很好地滿足了特征光譜識別的要求。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視圖。
具體實施例方式
4
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。如圖1、2所示
一種多波段光電探測器，包括硅基襯底1，隔離層2，隔離層2的表面設(shè)置有至少二組光電探測單元；
每組所述光電探測單元由第一電極3a、第二電極北和搭接兩電極的納米管4構(gòu)成，三者固定在隔離層2上，第一電極3a和第二電極北分別位于納米管的兩端，所述第一電極3a 上連接有第一輸出管腳如，第二電極北上連接有第二輸出管腳恥；
其中第一組光電探測單元的納米管如的直徑大于第二組光電探測單元的納米管4b的直徑。低維納米材料，如碳納米管、碳化硅納米管等，與相應(yīng)的體材料不同，是一類直接帶隙的準(zhǔn)一維半導(dǎo)體材料，其光吸收峰對應(yīng)于其帶隙值。同時納米管材料的的禁帶寬度與直徑具有線性關(guān)系，改變納米管直徑，就可以線性地調(diào)整其帶隙，實現(xiàn)對特定波長的響應(yīng)， 是一種極具潛力的多波段光敏感材料。如直徑8 150nm的單壁碳納米管，對波長1 12 μ m的紅外光都有顯著響應(yīng)，具有制作高性能特種紅外探測器的潛在可能。而且，碳納米管對載流子的復(fù)合幾乎是無缺陷的，因此它對太陽光譜有一個范圍非常寬的帶隙匹配，即對從紅外到紫外波段的光譜都有較強的光敏特性，并且呈現(xiàn)出較高的載流子傳遞速率和較小的傳輸散射損耗，可構(gòu)筑新型的納米尺度的光電子器件，如寬譜段的微型光譜儀和高效太陽能電池等。同時利用納米管材料獨特的光電效應(yīng)，還可以改善傳統(tǒng)紫外光電探測器和紅外光電探測器的性能?；綦x層2上布置若干組光電探測單元，每組探測單元因為納米管4的直徑不同，其光譜響應(yīng)曲線也不同，當(dāng)某一組光電探測單元產(chǎn)生光響應(yīng)時，對應(yīng)管腳5輸出相應(yīng)的電信號，這些輸出管腳連接在同一陣列處理芯片上，陣列處理芯片按照一定的算法處理輸入的電信號，由各組探測單元輸出信號的強弱差異，讀出相應(yīng)的光譜信息。利用本發(fā)明設(shè)計的多波段光電探測器，附加相應(yīng)的陣列處理芯片電路就能實現(xiàn)對若干種不同波段光譜的識別，很好地滿足目標(biāo)多波段信息獲取的要求。所述基片隔離層2上面還設(shè)置有第三組光電探測單元，該第三組光電探測單元的納米管4c直徑小于所述第二組光電探測單元的納米管4b直徑。所述第一電極3a和第二電極北為金屬電極，其中第一電極3a為高功函數(shù)金屬電極，另一為低功函數(shù)材料電極。所述第一電極3a為高功函數(shù)金屬Pd電極，第二電極北為低功函數(shù)材料Ag電極。為了避免硅襯底1同金屬電極直接接觸，在硅襯底1上生長了一層熱氧化二氧化硅薄膜作為隔離層2。所述硅襯底1可以為N型或P型。所述納米管4為直線條，或“S”形線條或其它形狀。納米管的制備工藝可以是化學(xué)氣相沉積，也可以是其它合成方法。這里描述其中一種制備方法為
碳納米管的生長合成技術(shù)直接水解狗(13形成!^e (OH) 3膠體粒子，經(jīng)600°C退火后，獲得了尺寸在1-3 nm的!^e2O3納米粒子。這種納米粒子是單壁碳納米管合成的有效催化劑， 相對于其他方法，這種方法原料容易獲得且操作簡單。將分散有催化劑的基底快速轉(zhuǎn)移到已經(jīng)升溫到反應(yīng)溫度900°C的管式爐恒溫區(qū)，馬上通入反應(yīng)氣體C0/H2，生成的SWNTs可以達到幾百微米甚至幾毫米的長度。在碳納米管生長過程中，可用高速氣流定向的控制方法， 使得碳納米管沿氣流定向。相對于電場定向的方法，氣流定向不需要在高溫CVD合成爐中弓I人復(fù)雜的電極，因此更便于操作。探測器集成化工藝為
“電極壓管”或“管壓電極”工藝方式，都能實現(xiàn)所述多波段光電探測器微納結(jié)合的集成化。(1) “電極壓管”工藝
聚焦離子束(Focused Ion Beam，F(xiàn)IB)技術(shù)可以沉積金屬在指定的襯底位置上，結(jié)合碳納米管氣流定向水平生長技術(shù)，兩者相結(jié)合，先生長碳納米管，后沉積金屬電極，制備可稱為“電極壓管”結(jié)構(gòu)的碳納米管微納探測單元。其主要流程如下
①備片，4英寸N(IOO)雙拋硅片，厚400μ m，電阻率2 4Qcm，清洗；
②微加工工藝制作柵級
③熱氧化SiO2，厚度3000 ;
④劃片，微壓印方法形成催化劑區(qū)域；
⑤化學(xué)氣相沉積(CVD)，水平生長碳納米管；
⑥FIB制作電極，鍵合引線，形成微納結(jié)構(gòu)單元。(2) “管壓電極”工藝
“管壓電極”工藝是在生長碳納米管之前，先利用微加工技術(shù)在硅基片上制作電極陣列，接著在此基片上旋涂催化劑，然后用光刻技術(shù)形成催化劑小島，最后用CVD工藝在預(yù)制電極上面生長合成碳納米管，形成“管壓電極”結(jié)構(gòu)。由于碳納米管CVD合成工藝溫度較高， 對電極材料提出了特殊的要求。為了微加工工藝與CVD合成工藝的兼容性，可分別采用金屬鈀、金屬銀制作第一、第二電極，具體工藝流程如下
①備片，4英寸N(IOO)雙拋硅片，厚400μ m,電阻率2 4Ω cm，清洗；
②微加工工藝制作柵極
③熱氧化SiO2，厚度200-5000 ；
④旋涂光刻膠；
⑤光刻，在光刻膠上形成第一電極圖形窗口；
⑥濺射，在硅基片上形成金屬鈀薄膜，；
⑦光刻剝離，在硅基片上形成電極；
不同材料的電極需要重復(fù)步驟③-⑦(測射不同金屬)，制作第二電極
⑧劃片，微壓印方法形成催化劑區(qū)域
⑨生長碳納米管，鍵合引線，形成碳納米管微納探測結(jié)構(gòu)單元。高功函數(shù)Au電極和低功函數(shù)Ag電極分別位于CVD納米條的兩端。由于半導(dǎo)體性碳納米管的導(dǎo)電性多為P型，Pd (/Au)電極經(jīng)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砗?，能同CNT形成較好的歐姆接觸；而Ag (Al) -CNT接觸則表現(xiàn)為肖特基接觸。在器件結(jié)構(gòu)中，同時還以埋層的形式，設(shè)計了一個摻雜多晶硅柵極。通過柵極偏壓優(yōu)化，可以提高光電流值的大小，達到輸出光電流最大化的目標(biāo)。米管光電探測器的性能。
以上是結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行的描述，但本發(fā)明不限于上述具體實施方式
，上述具體實施方式
僅僅是示意性的而不是限定性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不違背本發(fā)明宗旨及權(quán)利要求的前提下，可以做出多種類似的表示，如采用不同的納米材料，如石墨烯，碳化硅納米管，硅納米線等，更改納米管4的形狀，更改第一電極3a和第二電極北的材質(zhì)等，更改光電探測單元數(shù)目等的變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多波段光電探測器，包括硅基襯底(1)，緊鄰該襯底(1)的上表面制備有隔離層 (2)，其特征在于所述隔離層(2)的表面設(shè)置有至少二組光電探測單元；每組所述光電探測單元由第一電極(3a)、第二電極(3b)和搭接兩電極的納米管(4)構(gòu)成，三者固定在所述隔離層(2)上，所述第一電極(3a)和第二電極(3b)分別位于納米管的兩端，所述第一電極 (3a)上連接有第一輸出管腳(5a)，第二電極(3b)上連接有第二輸出管腳(5b);其中第一組光電探測單元的納米管(4a)直徑大于第二組光電探測單元的納米管(4b)直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多波段光電探測器，其特征在于所述隔離層(2)的表面還設(shè)置有第三組光電探測單元，該第三組光電探測單元的納米管(4c )直徑小于所述第二組探測單元納米管(4b)的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多波段光電探測器，其特征在于所述第一電極(3a)和第二電極(3b)為金屬電極，其中第一電極(3a)為高功函數(shù)金屬電極，第二電極為低功函數(shù)材料電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述多波段光電探測器，其特征在于所述第一電極(3a)為高功函數(shù)金屬Pd電極，第二電極(3b)為低功函數(shù)材料Ag電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述多波段光電探測器，其特征在于所述隔離層(2)為二氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述多波段光電探測器，其特征在于所述硅襯底(1)可以為P型硅或N型硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述多波段光電探測器，其特征在于所述納米管(4)為直線條，或 “S”形線條。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述多波段光電探測器，其特征在于位于所述納米管(4)下方的硅基襯底(1)中設(shè)置有多晶硅柵極(6)，該多晶硅柵極(6)兩端經(jīng)柵極引腳(7)與外界相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多波段光電探測器，包括硅襯底、襯底之上的隔離層，其特征在于所述隔離層表面設(shè)置有至少二組光電探測單元；每組所述光電探測單元由兩個電極和納米管構(gòu)成，三者固定在所述隔離層上，納米管搭接在第一電極和第二電極之間，第一電極和第二電極分別與各自對應(yīng)的輸出管腳相連；兩組光電探測單元的納米管直徑不同。其顯著效果是體積小、結(jié)構(gòu)簡單，能在多個光譜段上獲取目標(biāo)信息，很好地滿足了特征光譜識別的要求。
文檔編號H01L31/0352GK102270673SQ20111020700
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者向毅, 吳英, 周兆英, 柏俊杰, 歐益宏, 江永清, 黃紹春 申請人:重慶科技學(xué)院