本發(fā)明涉及一種納米線半導(dǎo)體光電探測器件，具體指一種室溫納米線光子數(shù)可分辨探測器及制備方法。

背景技術(shù)：

單光子探測器依靠其極為靈敏的探測能力來記錄光子—這一基本量子體系，它在在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測、精密分析、大氣測污、生物發(fā)光、放射探測、高能物理、天文測光、光時域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，其一，傳統(tǒng)單光子探測器，比如光電倍增管、雪崩光電二極管和超導(dǎo)單光子探測器要么需要蓋格模式的百伏驅(qū)動電壓，要么需要極低溫的工作條件，使得它們的操作相對復(fù)雜。其二，單光子探測器擁有光子數(shù)分辨能力的也只是屈指可數(shù)，其三，大部分單光子探測器需要分子束外延這樣的高要求生長條件，給器件制備過程帶來困難。因此，迫切需要研究一種獨特的器件結(jié)構(gòu)同時具有光子數(shù)分辨能力，易于制造(成本低廉)且可以在室溫下工作(操作簡單，節(jié)約能源)來滿足單光子探測器在現(xiàn)代科學(xué)和工程的各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

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)，成為當今納米材料研究領(lǐng)域的前沿。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，其具備半導(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。

雖然已有一些新型低溫光子數(shù)可分辨探測器已被制備出來[naturephotonics1，585(2007)]，但在室溫下的光子數(shù)可分辨易制造的探測器還沒有出現(xiàn)。

為了解決上述單光子探測器目前遇到的問題，本發(fā)明提出了一種室溫納米線可分辨光子數(shù)探測的方法。該方法是基于化學(xué)氣相沉積(cvd)生長的硫化鎘(cds)制作場效應(yīng)晶體管，由于cvd生長的cds具有豐富的表面態(tài)、大的比表面積和高載流子遷移率，這三個性質(zhì)可以一起助于納米線在室溫下響應(yīng)一個光子且被探測到，其中表面態(tài)類似于量子點的作用，具有光柵(photongating)效應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種室溫納米線光子數(shù)可分辨探測器及制備方法，實現(xiàn)了納米線半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)在室溫光子探測領(lǐng)域的應(yīng)用。

上述發(fā)明將納米線及其光柵效應(yīng)引入單光子探測結(jié)構(gòu)，該探測器結(jié)構(gòu)基于場效應(yīng)晶體管，在室溫下利用納米線表面態(tài)俘獲光生空穴，引起光柵效應(yīng)，從而引起電流跳變，可實現(xiàn)器件的高靈敏、低功耗，光子數(shù)可分辨探測。

本發(fā)明指一種室溫納米線光子數(shù)可分辨探測器及制備方法，其特征在于，器件結(jié)構(gòu)自下而上依次為：

-襯底1，

-氧化物層2、

-納米線半導(dǎo)體3、

-金屬源極4、金屬漏極5，

其中襯底1為重摻雜的si襯底，厚度0.3-0.5毫米；

其中氧化物層2為sio2，厚度110±10納米；

其中納米線半導(dǎo)體3為cds納米線，且cds納米線表面具有豐富的表面態(tài)。溝道長度從0.1微米到5微米，直徑從30納米到300納米；

其中金屬源極4、金屬漏極5為cr和au電極，下層cr厚度為5-15納米，上層au厚度為45-75納米。

本發(fā)明指一種室溫納米線光子數(shù)可分辨探測器及制備方法，其特征在于器件制備包括以下步驟：

1)氧化物層制備

在重摻雜si襯底上通過熱氧化法制備氧化物層二氧化硅，厚度為110納米。

2)納米線半導(dǎo)體制備及轉(zhuǎn)移

利用au催化劑，采用化學(xué)氣相沉積方法在si襯底上生長制備cds納米線，使cds納米線表面具有豐富的表面態(tài)。隨后采用物理轉(zhuǎn)移方法將cds納米線半導(dǎo)體(3)轉(zhuǎn)移至氧化物層(2)表面。

3)納米線半導(dǎo)體源漏電極的制備

采用紫外光刻技術(shù)或者電子束曝光技術(shù)，結(jié)合熱蒸發(fā)及傳統(tǒng)剝離工藝在制備金屬源極(4)，漏極(5)，形成背柵結(jié)構(gòu)納米線半導(dǎo)體場效應(yīng)結(jié)構(gòu)器件；電極為鉻、金，厚度分別為5-15納米，45-75納米。

在源極和柵極之間施加負向偏壓，使晶體管工作在跨導(dǎo)最大處附近。根據(jù)高斯定理，此舉對后續(xù)測量的光生電流能起到最大放大作用，同時負向偏壓可以抑制一部分背景載流子。在器件工作時，源極漏極間通入微小恒定電壓，檢測電極兩端電流。器件工作的狀態(tài)示意圖如圖2所示。將入射光衰減到只有幾個光子能到達器件時，且入射光子的能量大于納米線的禁帶寬度，產(chǎn)生光生電子空穴?？昭ㄔ谪撓蚱珘旱淖饔孟卤灰龑?dǎo)到納米線表面態(tài)中，且被長時間俘獲，電子留在納米線溝道中。被俘獲的空穴一方面可以屏蔽一部分柵極電壓，使得溝道電流有一定的回升，另一方面，被俘獲的空穴可以通過電容耦合作用使得納米線中的電子濃度增多，再一次使得溝道電流增大。這兩個作用協(xié)同進行，在檢測源漏電極兩端的電流中可以觀察到明顯的跳變信號。納米線半導(dǎo)體光子數(shù)可分辨探測器在不同狀態(tài)下的響應(yīng)圖如圖3所示。

本發(fā)明專利的優(yōu)點在于：本發(fā)明基于場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，在源極和柵極之間的負向偏壓下，利用納米線的表面態(tài)能有效地長時間俘獲光生空穴，從而引起光柵效應(yīng)且屏蔽負向偏壓，使得一個光子所引起的電流改變能被檢測到。此外，器件還具有室溫工作、光子數(shù)可分辨、高靈敏、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、低功耗等特點。

附圖說明

圖1為納米線半導(dǎo)體可分辨光子數(shù)探測器結(jié)構(gòu)三維示意圖。

圖中：1襯底、2氧化物層、3納米線半導(dǎo)體、4金屬源極、5金屬漏極。

圖2納米線半導(dǎo)體可分辨光子數(shù)探測器截面工作狀態(tài)示意圖。

圖3納米線半導(dǎo)體光子數(shù)可分辨探測器其中的納米線在利用光柵效應(yīng)響應(yīng)一個光子前后工作示意圖，(a)響應(yīng)前，(b)響應(yīng)后。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作詳細說明：

本發(fā)明研制了納米線半導(dǎo)體光子數(shù)可分辨探測器。通過基于場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，在源極和柵極之間的負向偏壓下，利用納米線的表面態(tài)能有效地長時間俘獲光生空穴，從而引起光柵效應(yīng)且屏蔽負向偏壓，使得一個光子所引起地電流改變能被檢測到。從而顯著提高了單光子探測器在在室溫工作，光子數(shù)可分辨和易于制備的集成性能。

具體步驟如下：

1.襯底選擇

選用厚度0.5毫米的重摻雜p型硅做為襯底。

2.氧化物介質(zhì)層制備

通過熱氧化發(fā)在硅襯底表面，氧化110納米厚度二氧化硅。

3.納米線半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移制備

用cvd方法生長cds納米線，使cds納米線表面具有豐富的表面態(tài)。隨后將其轉(zhuǎn)移至sio2/si襯底上，cds的長度8微米，直徑100納米。

4.源極、漏極制備

利用紫外光刻方法制備源極、漏極電極圖形；利用熱蒸發(fā)技術(shù)制備金屬電極，鉻15納米，金65納米；結(jié)合傳統(tǒng)剝離方法，剝離金屬膜，獲得源極、漏極電極，溝道寬度為0.5微米。

5.將制備好的納米線半導(dǎo)體可分辨光子數(shù)探測器進行光子響應(yīng)測試。對于不同的溝道長度(0.1微米到5微米)以及不同的納米線直徑(30納米到300納米)的可分辨光子數(shù)探測器，測試過程中均顯示超高靈敏性，均具有光子分辨能力。

a).溝道長度0.1微米，納米線直徑30納米的可分辨光子數(shù)探測器在室溫下，可以分辨出1到5個光子。

b).溝道長度1微米，納米線直徑100納米的可分辨光子數(shù)探測器在室溫下，可以分辨出1到3個光子。

c).溝道長度5微米，納米線直徑300納米的可分辨光子數(shù)探測器在室溫下，可以分辨出1到2個光子。

在漏極和柵極間施加負向偏壓3伏，使晶體管工作在跨導(dǎo)最大處附近，同時負向偏壓可以抑制一部分背景載流子。器件工作時，源極漏極間通入微小恒定電壓0.1伏，檢測電極兩端電流。將460納米波長入射光衰減到只有幾個光子能到達器件時，測量光電響應(yīng)特性，產(chǎn)生光生空穴在負向偏壓的作用下被激發(fā)到納米線表面態(tài)中，且被長時間俘獲，電子留在納米線溝道中。被俘獲的空穴一方面可以屏蔽一部分柵極電壓，使得溝道電流有一定的回升，另一方面，被俘獲的空穴通過電容耦合作用使得納米線中的電子濃度增多，再一次使得溝道電流增大。這兩個作用同時進行，在檢測源漏電極兩端的電流中可以觀察到電流的明顯跳變，且形成持續(xù)光生電流，實現(xiàn)納米線半導(dǎo)體光子數(shù)可分辨探測器高靈敏探測。

結(jié)果說明本發(fā)明納米線半導(dǎo)體可分辨光子數(shù)探測器及其制備方法，該結(jié)構(gòu)器件，可有效室溫探測光子、且可分辨光子數(shù)進而提高納米材料半導(dǎo)體光子探測器件的實用性。