以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以大高寬比硅納米柱陣列為基底的半導體光敏電阻及其制備方法。該種光敏電阻是以大高寬比硅納米柱陣列為基底，光敏材料層包裹在納米陣列表面。其制作方法包括：在硅片表面制備大高寬比納米柱陣列；在硅納米柱陣列表面包裹硫化鎘等光敏材料層；在光敏材料層表面用熱蒸發(fā)的方法制備插指電極。這種半導體光敏電阻，借助于硅表面的大高寬比柱狀納米結構，可以有效增加基底的表面比，提高單位面積上光敏材料量，增加敏感材料與入射光的接觸面積，增加對入射光的吸收，從而實現(xiàn)提高光敏電阻性能的目的。本發(fā)明對敏感材料的選擇性更為廣泛，可以克服有些敏感材料難以納米化的問題，可以應用于多種半導體光敏電阻表面。
【專利說明】
以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及半導體微納加工及半導體光敏電阻技術領域，尤其是一種以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在科學技術和工業(yè)生產(chǎn)力迅猛發(fā)展的今天，光敏電阻已經(jīng)廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活的很多方面。光敏電阻是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有砸、砸化鎘、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些光敏材料具有在特定波長的光照射下其阻值迅速減小的特性，這是由于光敏電阻受到光照時，只要光子能量大于敏感材料的禁帶寬度，價帶電子將吸收光子能量，躍迀到導帶，并在價帶中產(chǎn)生帶正電的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子-空穴對增加了半導體材料中載流子的數(shù)量，使其電阻率變小。當光照消失后，由光子激發(fā)所產(chǎn)生的電子-空穴對將逐步復合，光敏電阻的阻值也將逐漸恢復原值。
[0003]隨著納米科技的發(fā)展，科學家們將敏感材料直接納米化，比如在基底表面制備硫化鎘納米線等，來增加敏感材料對入射光的吸收，以達到提高光敏電阻性能的目的。但是光敏材料的納米化也存在很多問題，比如在制備過程中，納米粒子發(fā)生團聚，直接影響光敏器件性能，同時，有些敏感特性好的光敏材料是很難直接納米化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004](一)要解決的技術問題
[0005]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻及其制備方法，以提尚光敏電阻的性能。
[0006](二)技術方案
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻，該光敏電阻是在硅表面有大高寬比的納米柱陣列，且在納米柱陣列表面包裹有光敏材料層。
[0008]上述方案中，所述大高寬比的納米柱陣列是直徑為50-1500納米，高度為0.2-3微米的納米柱構成的硅納米柱陣列。所述光敏材料層采用的光敏材料是硫化鎘、砸、砸化鎘、硫化鉛或硫化秘。
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制作方法，該方法包括:步驟I:在娃片表面制備大高寬比納米柱陣列;步驟2:在娃納米柱陣列表面包裹光敏材料層;步驟3:在光敏材料層表面制備插指電極。
[0010]上述方案中，步驟I中所述在硅片表面制備大高寬比納米柱陣列，是采用氯化銫納米島自組裝的方法在硅片表面制備高寬比為I至13的納米柱陣列。所述的納米柱陣列是由直徑為50-1500納米，高度為0.2-3微米的納米柱結構構成。
[0011]上述方案中，步驟I中所述在硅納米柱陣列表面包裹光敏材料層，是采用磁控濺射的方法在硅納米柱陣列表面包裹光敏材料層。所述光敏材料層采用的光敏材料是硫化鎘、砸、砸化鎘、硫化鉛或硫化鉍。
[0012]上述方案中，步驟3中所述在光敏材料層表面制備插指電極，是在光敏材料層表面采用熱蒸發(fā)的方法制備插指電極。所述在光敏材料層表面采用熱蒸發(fā)的方法制備插指電極，包括:將帶有電極圖形結構的鏤空金屬掩膜覆蓋在鍍完硫化鎘薄膜后的硅片表面，用熱蒸發(fā)的方法在表面蒸發(fā)鈦銀電極層。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]1、本發(fā)明提供的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻及其制備方法，將大高寬比的納米柱陣列以基底的形式應用于光敏電阻的表面，這是一種通過改變基底表面形貌來提升光敏電阻性能的新思路。相對于常規(guī)的將特定敏感材料直接納米化的方法，本發(fā)明對敏感材料的選擇性更為廣泛，可以克服有些敏感材料難以納米化的問題，可以應用于多種半導體光敏電阻表面。
[0016]2、本發(fā)明提出將氯化銫納米島自組裝技術應用于半導體光敏電阻領域，將大高寬比硅納米陣列以基底的形式應用于光敏電阻表面，借助于硅表面的大高寬比柱狀納米結構，可以有效增加基底的表面比，提高單位面積上敏感材料量，增加敏感材料與入射光的接觸面積，增加對入射光的吸收，從而提高了光敏電阻的性能。
[0017]3、本發(fā)明提供的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻及其制備方法，對敏感材料的選擇性更為廣泛，可以克服有些敏感材料難以納米化的問題，可以應用于多種半導體光敏電阻表面。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明提供的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制備方法流程圖。
[0019]圖2是依照本發(fā)明實施例的在硅片表面蒸發(fā)一層氯化銫薄膜的示意圖；
[0020]圖3是依照本發(fā)明實施例的在硅片表面形成一個個類似水滴的納米氯化銫半島結構的示意圖；
[0021]圖4是依照本發(fā)明實施例的以團聚的氯化銫島結構為掩膜將氯化銫結構轉移到硅表面的示意圖；
[0022]圖5是依照本發(fā)明實施例的將氯化銫去掉后制作的納米柱結構的示意圖；
[0023]圖6是依照本發(fā)明實施例的在納米陣列表面包裹一層光敏材料層的示意圖；
[0024]圖7是依照本發(fā)明實施例的在樣品表面制備插指電極的示意圖；
[0025]圖8是依照本發(fā)明實施例的硅片表面用氯化銫納米島自組裝技術制備的大高寬比納米柱陣列的SEM圖片；
[0026]圖9是依照本發(fā)明實施例的硫化鎘薄膜包裹后的納米柱陣列的SEM圖片。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0028]本發(fā)明提供的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻及其制備方法，此種光敏電阻是在硅表面有大高寬比的納米柱陣列，且在納米柱陣列表面包裹有光敏材料層。其制作方法包括:
[0029]步驟1:在娃片表面制備大高寬比納米柱陣列；其中，大高寬比娃納米柱陣列是指高寬比為I至13的硅納米柱陣列，具體可以根據(jù)工藝需要調(diào)節(jié)，在本發(fā)明中可以為直徑是50-1500納米，高度為0.2-3微米的納米柱構成的娃納米柱陣列。
[0030]步驟2:用磁控濺射的方法在硅納米柱陣列表面包裹光敏材料層;光敏材料層采用的光敏材料是硫化鎘、砸、砸化鎘、硫化鉛或硫化鉍等。
[0031]步驟3:在光敏材料層表面用熱蒸發(fā)的方法制備插指電極，其中插指電極可以是鈦銀電極。
[0032]本發(fā)明提出將氯化銫納米島自組裝技術應用于半導體光敏電阻領域，將大高寬比硅納米陣列以基底的形式應用于光敏電阻表面，借助于硅表面的大高寬比柱狀納米結構，可以有效增加基底的表面比，提高單位面積上敏感材料量，增加敏感材料與入射光的接觸面積，增加對入射光的吸收，從而提高了光敏電陽的性能。具體的制備方法如下:
[0033]第一，用氯化銫納米島自組裝的方法在硅片表面制備大高寬比硅納米柱陣列。其中，大高寬比硅納米柱陣列是直徑是50-1500納米，高度為0.2-3微米的納米柱構成的硅納米柱陣列。
[0034]在本步驟中，將拋光的硅片清洗干凈后放入真空鍍膜腔體內(nèi)，蒸發(fā)氯化銫薄膜，膜厚100-7000埃，如圖2所示。氯化銫薄膜鍍完后，向腔體內(nèi)通入一定濕度的氣體，相對濕度為10%_70%，顯影氯化銫薄膜，氯化銫在濕度氣體作用下發(fā)生團聚，在硅片表面形成一個個類似水滴的納米氯化銫半島結構如圖3所示。以團聚的氯化銫島結構為掩膜，利用等離子體刻蝕技術刻蝕硅，從而將氯化銫結構轉移到硅表面上，刻蝕轉移結構結果如圖4所示。等離子體刻蝕工藝是通過F離子與硅反應而將硅刻蝕掉，同時不會與氯化銫反應，使氯化銫結構下的硅得到保護，而沒有氯化銫結構覆蓋的部分硅將被刻蝕掉一定厚度，實現(xiàn)氯化銫結構的圖形轉移。等離子體刻蝕利用SF6和C4F8為刻蝕氣體，He為冷卻氣體。工作壓強4Pa，激勵功率400瓦，偏壓功率為30瓦，刻蝕時間1-10分鐘，刻蝕結果如圖4所示意。硅表面刻蝕完成后，樣品放入去離子水中2分鐘，即可將氯化銫溶解掉，從而制作出直徑是50-1500納米，高度為
0.2-3微米的納米柱結構，如圖5所示意。
[0035]第二，用磁控濺射鍍膜等方法在納米陣列表面包裹一層厚度約為200納米的光敏材料層，例如硫化鎘、砸、砸化鎘、硫化鉛或硫化鉍等光敏材料，如圖6所示。磁控濺射法具有成膜質量好、薄膜附著力強、薄膜成分易于控制和工藝步驟簡單等優(yōu)點，是未來制備高質量光敏薄膜的一個理想方法。對于硫化鎘、砸化鎘等半導體材料，選用射頻磁控濺射配合強磁靶，能在硅片表面制備出單晶或多晶薄膜。其原理是利用氬離子轟擊靶材，在基底表面沉積成膜。在鍍膜過程中需要控制濺射功率、工作壓強、氬氣的流量、靶極距等參數(shù)。
[0036]第三，用光刻技術及熱蒸發(fā)等方式在樣品表面制備插指電極。掩膜版是帶有插指電極圖形的鏤空鈦板，在真空下熱蒸發(fā)幾百納米厚度的鈦銀電極層，插指電極的形貌是為了更加有力地觀測表面敏感材料電阻的變化，提升半導體光敏電阻的靈敏度，如圖7所示。圖8為硅片表面用氯化銫納米島自組裝技術制備的大高寬比納米柱陣列(SEM圖)。圖9為硫化鎘薄膜包裹后的納米柱陣列(SEM圖)。
[0037]實施例
[0038]步驟I，在拋光硅片上以熱蒸發(fā)方法制備氯化銫薄膜，薄膜厚度200納米。
[0039]步驟2，將鍍有氯化銫薄膜的硅片放入濕度為40%的通氣腔體內(nèi)，濕度由通入腔體的潮濕氣體流量控制，在這一濕度條件下顯影30分鐘，使氯化銫薄膜團聚成納米島結構，在娃片表面形成氯化銫納米島結構。氯化銫納米島平均直徑400納米。
[0040]步驟3，將表面有氯化銫島結構的硅片放入等離子體刻蝕機的刻蝕腔體內(nèi)，刻蝕工藝參數(shù)為壓強4帕，刻蝕氣體SF6: C4F8: He = 60:150:1Osccm，激勵功率400瓦，偏壓功率為30瓦，刻蝕時間5分鐘。
[0041 ]步驟4，將硅片取出后放入水中，時間2分鐘，使硅片上的氯化銫島結構溶解，從而在表面獲得平均直徑約400納米，高度1.5微米的納米柱陣列的硅片。
[0042]步驟5，在表面有納米柱陣列的硅片放入磁控濺射系統(tǒng)腔體內(nèi)，射頻濺射硫化鎘靶，濺射功率為20瓦，Ar 20sccm，靶極距為80毫米，工作壓強為0.2帕，濺射時間為30分鐘。
[0043 ]步驟6，將鍍完硫化鎘薄膜后的硅片加熱500攝氏度，保持15分鐘。
[0044]步驟7，將帶有電極圖形結構的鏤空金屬掩膜覆蓋在鍍完硫化鎘薄膜后的硅片表面，用熱蒸發(fā)的方法在表面蒸發(fā)200納米厚的鈦/銀電極層。
[0045]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻，其特征在于，該光敏電阻是在硅表面有大高寬比的納米柱陣列，且在納米柱陣列表面包裹有光敏材料層。2.根據(jù)權利要求1所述的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻，其特征在于，所述大高寬比的納米柱陣列是直徑為50-1500納米，高度為0.2-3微米的納米柱構成的硅納米柱陣列。3.根據(jù)權利要求1所述的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻，其特征在于，所述光敏材料層采用的光敏材料是硫化鎘、砸、砸化鎘、硫化鉛或硫化鉍。4.一種以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制作方法，其特征在于，該方法包括: 步驟I:在娃片表面制備大高寬比納米柱陣列； 步驟2:在娃納米柱陣列表面包裹光敏材料層； 步驟3:在光敏材料層表面制備插指電極。5.根據(jù)權利要求4所述的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制作方法，其特征在于，步驟I中所述在硅片表面制備大高寬比納米柱陣列，是采用氯化銫納米島自組裝的方法在硅片表面制備高寬比為I至13的納米柱陣列。6.根據(jù)權利要求5所述的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制作方法，其特征在于，所述的納米柱陣列是由直徑為50-1500納米，高度為0.2-3微米的納米柱結構構成。7.根據(jù)權利要求4所述的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制作方法，其特征在于，步驟I中所述在硅納米柱陣列表面包裹光敏材料層，是采用磁控濺射的方法在硅納米柱陣列表面包裹光敏材料層。8.根據(jù)權利要求7所述的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制作方法，其特征在于，所述光敏材料層采用的光敏材料是硫化鎘、砸、砸化鎘、硫化鉛或硫化鉍。9.根據(jù)權利要求4所述的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制作方法，其特征在于，步驟3中所述在光敏材料層表面制備插指電極，是在光敏材料層表面采用熱蒸發(fā)的方法制備插指電極。10.根據(jù)權利要求9所述的以大高寬比硅納米柱陣列為基底的光敏電阻的制作方法，其特征在于，所述在光敏材料層表面采用熱蒸發(fā)的方法制備插指電極，包括: 將帶有電極圖形結構的鏤空金屬掩膜覆蓋在鍍完硫化鎘薄膜后的硅片表面，用熱蒸發(fā)的方法在表面蒸發(fā)鈦銀電極層。
【文檔編號】H01L31/18GK105870222SQ201610407694
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】劉靜, 伊福廷, 張?zhí)鞗_, 王波, 王雨婷
【申請人】中國科學院高能物理研究所