單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于單晶碳化硅納米線且能勝任高溫工作的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紫光光電探測(cè)器是將波長(zhǎng)范圍為380-435nm的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，主要應(yīng)用于生化檢測(cè)、可燃性氣體尾焰探測(cè)及導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射探測(cè)等領(lǐng)域。SiC具有較寬的帶隙(2.4-3.3eV)，能夠檢測(cè)500nm以下的光源，對(duì)近紫外和紫光具有很好的響應(yīng)，且具有固有的高飽和電子迀移率、高抗擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)勢(shì)，完全能夠勝任大功率、高溫苛刻環(huán)境中的近紫外和紫光的靈敏探測(cè)。值得指出的是，其最高工作溫度有可能超過600 °C。
[0003]半導(dǎo)體材料晶體的質(zhì)量決定著材料的紫外光電探測(cè)性能，制備高靈敏度和恢復(fù)時(shí)間短的紫外光電探測(cè)器，要求感光材料具有高的晶體結(jié)晶質(zhì)量。目前傳統(tǒng)工藝制備的SiC塊材或者薄膜都無法得到高質(zhì)量的單晶晶體，限制了其在紫外光電探測(cè)方面的應(yīng)用。
[0004]一維納米結(jié)構(gòu)通常是單晶材料，晶體質(zhì)量高，缺陷少，有望實(shí)現(xiàn)單光子靈敏度的檢測(cè)，成為研發(fā)新穎的、性能優(yōu)異的紫外探測(cè)器的理想材料。有研宄表明單根氧化鋅納米線的紫外光電響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間為20-80毫秒，光電流響應(yīng)強(qiáng)度2.6X 103A/W，性能優(yōu)異。然而，已有技術(shù)所研發(fā)的基于SiC基光電探測(cè)器幾乎都是基于SiC單晶片或薄膜制備而成的，基于單晶SiC —維納米線的高靈敏光電探測(cè)器的研發(fā)，依然面臨挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決問題是實(shí)現(xiàn)基于單晶SiC納米線能高靈敏且能勝任高溫環(huán)境下對(duì)紫光響應(yīng)的新型光電探測(cè)器的研發(fā)。
[0006]具體地說，以Si02/Si基片為襯底，以單根碳化硅(SiC)單晶納米線為核心敏感單元，以Cr/Au為金屬電極的肖特基結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體紫光光電探測(cè)器及其制備方法。本發(fā)明的目的是解決基于傳統(tǒng)塊體或者薄膜碳化硅材料的光電探測(cè)器響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間慢的問題，同時(shí)具有高靈敏地探測(cè)紫光及紫外光和能在高溫下對(duì)上述光線進(jìn)行響應(yīng)。本發(fā)明提供了一種具備實(shí)用化前景的，具有高靈敏度和恢復(fù)時(shí)間短的新型紫光光電探測(cè)器的制備方法。
[0007]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I)基體制備:首先將3C_SiC單晶片經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝清洗后，再在其表面鍍金屬Ni薄膜從而得到基體；
[0009](2)納米材料制備:將步驟(I)得到的基體放入裝有硅碳前軀體的坩禍中，再把坩禍放入通有保護(hù)氣體Ar氣的高溫爐中，高溫爐經(jīng)I小時(shí)升溫到1400°C，再保溫lh，然后自然冷卻到室溫，從而在基體上得到高質(zhì)量的SiC納米線；
[0010](3)光電探測(cè)器構(gòu)建:將步驟(2)得到的SiC納米線超聲分散在無水乙醇溶液中成納米線分散液，然后再將納米線分散液轉(zhuǎn)移到清洗好的Si/Si02基片；在分散有納米線的基底表面經(jīng)處理得到叉指狀的電極圖案，然后在電極圖案的表面蒸鍍一層金屬薄膜，再經(jīng)過剝離得到叉指狀的Cr/Au電極陣列，再實(shí)現(xiàn)單根納米線被兩電極的連接構(gòu)成光探測(cè)器件。
[0011]相較于陣列狀的電極，本發(fā)明方案中采用交叉指狀的納米電極可以有效地降低SiC納米線與金屬電極的接觸電阻，繼而形成良好的歐姆接觸，通過減小噪聲對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，增加光探測(cè)器的靈敏度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。
[0012]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法的一種改進(jìn)，步驟(I)中硅碳前軀體為硅碳干凝膠。
[0013]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法的一種改進(jìn)，硅碳干凝膠為將蔗糖溶于醇水混合溶劑并攪拌澄清后，加入TEOS和草酸后反應(yīng)至TEOS充分分解，振蕩攪拌，再加入六次甲基四胺和二茂鎳催化劑，反應(yīng)充分后再經(jīng)干燥后得到。
[0014]其中:醇水混合溶劑中醇和水的體積比為(2-5): 1，醇優(yōu)選為無水乙醇或者無水丙醇，水為去離子水或者DDH2O ;蔗糖的添加量為占醇水混合溶劑總質(zhì)量的20-40%;蔗糖的醇水溶液攪拌澄清后TEOS加入體積與醇水混合溶劑的體積比為(0.8-1.2): 1，草酸濃度為
3.5wt%，草酸加入體積與醇水混合溶劑的體積比為(0.1-0.5):1 ;蔗糖的醇水溶液攪拌澄清后TEOS與草酸加入體積比為(1-11):1 ;35wt%六次甲基四胺和二茂鎳催化劑的添加以預(yù)先制得的混合溶液的方式添加時(shí)混合溶液(可以為水溶液)的加入體積與醇水混合溶劑的體積的10-50%，35wt%六次甲基四胺用量為8-12mL，二茂鎳催化劑用量為3_7g，35wt%六次甲基四胺和二茂鎳催化劑的添加還可以為在反應(yīng)體系中直接加入對(duì)應(yīng)量的35#%六次甲基四胺和二茂鎳催化劑。
[0015]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法的一種改進(jìn)，步驟(I)中金屬Ni薄膜厚度為5?30nm。
[0016]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法的一種改進(jìn)，步驟(3)中金屬薄膜包括Cr緩沖層和厚的Au電極層。
[0017]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法的一種改進(jìn)，步驟(3)中金屬薄膜中的Cr緩沖層為鍍制在納米線表面的底層，Au電極層在底層上。
[0018]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法的一種改進(jìn)，步驟(3)中金屬薄膜中Cr緩沖層厚度為5?20nm。
[0019]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法的一種改進(jìn)，步驟⑶中金屬薄膜中的Au電極層厚度為60?lOOnm。
[0020]本發(fā)明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備方法的一種改進(jìn)，步驟(3)中Cr/Au電極陣列的剝離采用丙酮溶液浸泡。
[0021]有益效果:
[0022]相比于已報(bào)道的SiC單晶塊體材料和薄膜材料，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了具有高快速響應(yīng)(200ms)，恢復(fù)時(shí)間短(90ms)，高光響應(yīng)度(3.3X106A/W)和高外量子效率(9.7X108% )的單晶SiC納米線高靈敏紫光光電探測(cè)器的制備。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的SiC納米線的掃錨電鏡(SEM)圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的SiC納米線的透射電鏡(TEM)圖；
[0025]圖3本發(fā)明實(shí)施例一所制得的(a) SiC納米線的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖及其(b)選區(qū)電子衍射(SAED)圖；
[0026]圖4為為本發(fā)明實(shí)施例一所構(gòu)建的SiC納米線光電探測(cè)器中單元結(jié)構(gòu)示意圖，其中l(wèi)、Si/Si02基片；2、Cr/Au電極；3、單晶碳化娃納米線；
[0027]圖5本發(fā)明實(shí)施例一所構(gòu)建的單根SiC納米線光電探測(cè)器的掃描電鏡(SEM)圖；
[0028]圖6為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的單根SiC納米線光電探測(cè)器在黑暗及420nm波長(zhǎng)下的電流(I)-電壓(V)曲線圖；
[0029]圖7為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的高靈敏單根SiC納米線光電探測(cè)器在50mV偏壓及420nm紫光入射光照射下的電流(I)-時(shí)間(T)曲線圖；
[0030]圖8為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的高靈敏SiC納米線光電探測(cè)器上升時(shí)間/衰減時(shí)間的局部放大圖；
[0031]圖9為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的高靈敏SiC納米線光電探測(cè)器在50mV偏壓及420nm入射光照射下的隨溫度從室溫到200°C變化的電流(I)-時(shí)間(T)曲線圖；
【具體實(shí)施方式】
[0032]為使本發(fā)明技術(shù)方案清晰明白，下面對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)、完整地描述。
[0033]本發(fā)明技術(shù)方案中，以下實(shí)施例的實(shí)施時(shí)有關(guān)醇水混合時(shí)體積縮小小于Iml的則歸于誤差范圍，不予考慮，但不應(yīng)當(dāng)影響實(shí)施例對(duì)于本發(fā)明權(quán)利要求書所要求范圍的解釋，同時(shí)在下列實(shí)施例中丙醇與乙醇的密度均以0.8g/cm3計(jì)，去離子水或者DDH2O的密度均以lg/cm3計(jì)，在所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)均精確到十分位。
[0034]以下為有關(guān)硅碳