一种超晶格纳米线、光电探测器及其制备方法

1.本发明涉及光电子器件领域，尤其是一种超晶格纳米线、光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.光源的强度、光谱和空间分布是传统光通信领域中常用的三个主要参数。偏振是光的另一个重要信息，因此检测包括偏振度、偏振方位角、椭圆度和圆偏振方向在内的偏振信息可以极大地丰富光传感的应用。各向异性半导体结构的制造，包括各向异性晶体结构和各向异性形态对于线偏振光电探测器的开发至关重要。半导体纳米线(nw)具有明确的晶体和形态各向异性，已被证明是通过光发射、吸收和光电导进行线性偏振检测的良好候选材料。特别地，具有芯片级偏振灵敏度的半导体纳米线在未来电子电路和光学芯片中的应用具有巨大的潜力。
3.具有调制成分和微结构的一维(1d)纳米结构由于其迷人的化学性质以及与尺寸、形状、材料相关的特性，在过去几年中获得了极大的关注，特别是具有沿轴向周期性成分调制的半导体超晶格纳米线。迄今为止，几种成熟的化学气相沉积技术已被成功用于合成超晶格结构。研究者通过定期改变气-液-固(vls)生长机制的反应气氛对超晶格纳米线的生长产生影响。超晶格纳米线大多用来调整产品的电子波段位置，但在调制光传播的应用上没有相关报道。目前，由于一维纳米结构对超晶格纳米线的限制，基于超晶格纳米线的光电探测器仍然存在响应度低、探测率低以及偏振度低的问题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超晶格纳米线、光电探测器及其制备方法。
5.本发明实施例第一部分所采取的技术方案是：
6.一种超晶格纳米线的制备方法，包括以下步骤：
7.将硫化镉固体粉末和二氧化锡粉末进行配比、研磨并混合均匀，得到前驱体混合粉末；
8.清洗硅衬底；
9.将所述前驱体混合粉末置于所述管式炉的中心加热温区；
10.在所述硅衬底上得到所述超晶格纳米线。
11.作为一种可选的实施方式，所述硫化镉固体粉末和所述二氧化锡粉末的质量比为10:1-12:1。
12.作为一种可选的实施方式，在将所述前驱体混合粉末置于所述管式炉的中心加热温区这一步骤之前，还包括以下步骤：
13.通过氢气和氩气的混合气体将所述管式炉的石英管内的空气排净。
14.作为一种可选的实施方式，在所述硅衬底上得到所述超晶格纳米线，包括：
15.将所述硅衬底置于中心加热温区的下游沉积区；
16.将所述管式炉内的温度升至900-950℃，并保持20-30sccm的气流速率，进行反应；
17.待反应结束后将温度降至室温，在所述硅衬底上得到所述超晶格纳米线。
18.本发明实施例第二部分所采取的技术方案是：
19.一种超晶格纳米线，所述超晶格纳米线通过前面所述的一种超晶格纳米线的制备方法制备得到。
20.本发明实施例第三部分所采取的技术方案是：
21.一种光电探测器，包括：
22.衬底；
23.前面所述的超晶格纳米线，设置在所述衬底上；
24.电极，设置在所述超晶格纳米线的两端。
25.作为一种可选的实施方式，所述超晶格纳米线的长度为100μm-900μm，直径为500nm-5μm。
26.作为一种可选的实施方式，所述电极为金属电极，所述金属电极为铬/金电极。
27.作为一种可选的实施方式，所述金属电极中铬的厚度为8nm-12nm，所述金属电极中金的厚度为45nm-55nm。
28.本发明实施例第四部分所采取的技术方案是：
29.一种光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
30.清洗衬底；
31.通过探针挑出权利要求5所述的超晶格纳米线，并将所述超晶格纳米线置于所述衬底上；
32.加热所述衬底和所述超晶格纳米线；
33.在所述超晶格纳米线的两端制备电极，完成所述光电探测器的制备。
34.本发明实施例的一种超晶格纳米线、光电探测器及其制备方法，通过制备两种材料交替构成的超晶格纳米线，并制备基于所述超晶格纳米线的光电探测器，使得在超晶格纳米线内形成内建电场，有效地将光生载流子进行分离，相较于基于一维纳米线的光电探测器，实现了具有高性能的自供偏振的光电探测性能，从而实现了较高的响应度、探测率以及偏振度。
附图说明
35.图1为本发明实施例超晶格纳米线的制备方法流程图；
36.图2为本发明实施例超晶格纳米线的形貌图；
37.图3为本发明实施例光电探测器的形貌图；
38.图4为本发明实施例光电探测器的制备方法流程图；
39.图5为本发明实施例光电探测器的基本光电性能表征图；
40.图6为本发明实施例光电探测器的偏振光电性能表征图。
具体实施方式
41.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的
附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
42.本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
43.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
44.超晶格纳米线大多用来调整产品的电子波段位置，但在调制光传播的应用上没有相关报道。目前，由于一维纳米结构对超晶格纳米线的限制，基于超晶格纳米线的光电探测器仍然存在响应度低、探测率低以及偏振度低的问题。为此，本发明实施例提出了一种超晶格纳米线、光电探测器及其制备方法，通过制备两种材料交替构成的超晶格纳米线，并制备基于所述超晶格纳米线的光电探测器，使得在超晶格纳米线内形成内建电场，有效地将光生载流子进行分离，相较于基于一维纳米线的光电探测器，实现了具有高性能的自供偏振的光电探测性能，从而实现了较高的响应度、探测率以及偏振度。
45.如图1所示，本发明实施例首先提出了一种超晶格纳米线的制备方法，该制备方法包括以下步骤s101-s104：
46.s101、将硫化镉固体粉末和二氧化锡粉末进行配比、研磨并混合均匀，得到前驱体混合粉末；
47.其中，在本发明的实施例中，所述硫化镉固体粉末和所述二氧化锡粉末的质量比为10:1-12:1。
48.s102、清洗硅衬底；
49.具体地，将硅衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗。在所述硅衬底清洗完成后通过氮气枪吹干。
50.s103、将所述前驱体混合粉末置于所述管式炉的中心加热温区；
51.其中，在将所述前驱体混合粉末置于所述管式炉的中心加热温区前，先通过氢气和氩气的混合气体将所述管式炉的石英管内的空气排净。在本发明的实施例中，采用氢气和氩气的混合气体(8-10％)通过石英管排气1-2h。
52.具体地，在本发明的实施例中，在石英管内的空气被排净后，通过将所述前驱体混合粉末倒入瓷舟中，并将承载所述前驱体混合粉末的瓷舟置于所述管式炉的中心加热温区处的石英管。
53.s104、在所述硅衬底上得到所述超晶格纳米线。
54.s104可以进一步划分为以下步骤s1041-s1043：
55.步骤s1041、将所述硅衬底置于中心加热温区的下游沉积区；
56.具体地，将硅衬底放置到瓷舟上，并将承载所述硅衬底的瓷舟置于距离中心加热温区12cm-13cm处的下游沉淀区。
57.步骤s1042、将所述管式炉内的温度升至900-950℃，并保持20-30sccm的气流速率，进行反应；
58.具体地，通过sn催化化学气相沉积的生长机制在管式炉中反应，合成cds/cds:sns2超晶格纳米线。
59.步骤s1043、待反应结束后将温度降至室温，在所述硅衬底上得到所述超晶格纳米线。
60.具体地，在本发明的实施例中，通过自然降温将温度降至室温，最终在所述硅衬底上制得cds/cds:sns2超晶格纳米线。
61.其次，基于图1所示的一种超晶格纳米线的制备方法，本发明实施例提供了一种超晶格纳米线，如图2所示。
62.所述超晶格纳米线通过步骤s101-s104所述的一种超晶格纳米线的制备方法制备得到。
63.其中，图2(a)为本发明实施例的超晶格纳米线的sem图像，图2(a)中的插图为所述超晶格纳米线两端的sem放大图像。参照插图可知，本发明实施例的超晶格纳米线的截面为实心的六边形，进一步证实了cds/cds:sns2超晶格纳米线的纤锌矿结构。本发明实施例的超晶格纳米线另一端的sn金属球体现了本发明实施例的一种超晶格纳米线的制备方法中sn催化化学气相沉积的生长机制。图2(b)为cds/cds:sns2超晶格纳米线的光学显微镜的明场图。由图可以看出，一维纳米线纵向cds黄色较透明的部分与cds:sns2部分间隔分布形成的超晶格结构。
64.通过cds和cds:sns2两种材料交替构成的超晶格纳米线，在两种材料的接触面上会形成异质结。
65.进一步地，基于图2所示的一种超晶格纳米线，本发明实施例提供了一种光电探测器，参照图3，所述光电探测器包括：
66.衬底；
67.图2所示的超晶格纳米线，设置在所述衬底上；
68.电极，设置在所述超晶格纳米线的两端。
69.其中，在本发明的实施例中，衬底为si/sio2衬底。由于si衬底为高掺杂材料，具有很强的导电性，在si衬底上设置一层绝缘的sio2衬底。sio2衬底的厚度为280-320nm。
70.由前述可知，超晶格纳米线为通过cds和cds:sns2两种材料交替构成的cds/cds:sns2超晶格纳米线，在两种材料的接触面上存在异质结。可以理解的是，由于cds和cds:sns2两种材料的导带和价带位置不同，形成能带异质结构。同时，由于cds和cds:sns2两种材料的费米能级不同，在形成异质结后，为了实现热平衡，异质结区域的cds:sns2中的空穴向cds移动，cds中的电子向cds:sns2移动，使得在异质结区域，cds的能带向上弯曲，最终cds和cds:sns2的费米能级在同一水平上。与此同时，在cds和cds:sns2两种材料的接触面上会形成内建电场，光生载流子在异质结之间的势垒差异下迅速分离。电子和空穴通过内置电场传输到两端的电极，从而产生光电流。因此，由于cds和cds:sns2两种材料之间异质结和内建电场的存在，本发明实施例的基于cds/cds:sns2超晶格纳米线的光电探测器相较于基
于一维纳米线的光电探测器，具有更高的光响应度以及探测率。
71.作为一种可选的实施方式，所述超晶格纳米线的长度为100μm-900μm，直径为500nm-5μm。
72.作为一种可选的实施方式，所述电极为金属电极，所述金属电极为铬/金电极。
73.作为一种可选的实施方式，所述金属电极中铬的厚度为8nm-12nm，所述金属电极中金的厚度为45nm-55nm。
74.最后，基于图3所示的光电探测器，本发明实施例提供了一种光电探测器的制备方法，如图4所示，该制备方法包括以下步骤s401-s404：
75.s401、清洗衬底；
76.具体地，衬底包括硅衬底以及设置在所述硅衬底上的二氧化硅衬底。首先采用丙酮、乙醇以及去离子水分别清洗硅衬底，并在清洗完成后通过氮气枪吹干。然后通过等离子体增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition,pecvd)在硅衬底上沉积二氧化硅薄膜，形成二氧化硅衬底，完成衬底的处理。
77.s402、通过探针挑出本发明实施例的(图2所示的)超晶格纳米线，并将所述超晶格纳米线置于所述衬底上；
78.s403、加热所述衬底和所述超晶格纳米线；
79.具体地，在热台上以80-100℃的温度加热所述衬底和所述超晶格纳米线1-5min，使得cds/cds:sns2超晶格纳米线与si/sio2衬底更好地贴合在一起。
80.s404、在所述超晶格纳米线的两端制备电极，完成所述光电探测器的制备。
81.具体地，采用无掩膜紫外曝光光刻技术与电子束蒸发工艺在所述cds/cds:sns2超晶格纳米线的两端制备金属电极(铬/金电极)。
82.参照图5，本发明实施例通过图4所述的一种光电探测器的制备方法(步骤s401-s404)制备的光电探测器在405nm的光照以及0v偏压的条件下的性能表征图。由图5可知，本发明实施例的光电探测器在405nm的光照下具有光相应性能稳定、响应速度快以及灵敏度高的特点。
83.光响应度和探测率为表征光电探测器性能的两个重要参数，计算公式如下：
[0084][0085][0086]
其中，r为响应度，i
ph
为光电流，p为光功率，s为有效光照面积(4πcm2)，d
*
为探测率，a为有效面积(123μm2)，q为电荷量，i
dark
为暗电流。
[0087]
本发明实施例的光电探测器在405nm的光照下表现出900ma/w的光响应度、10
12
jones的探测率。使得本发明实施例的基于cds/cds:sns2超晶格纳米线的光电探测器在高性能自供电可见光电探测器中具有广阔的应用前景。
[0088]
图6为本发明实施例通过图4所述的一种光电探测器的制备方法(步骤s401-s404)制备的光电探测器在不同偏振光(405nm)下的光响应曲线以及光电流强度随偏振光变化而变化的拟合曲线。由图6(a)可知，本发明实施例的基于cds/cds:sns2超晶格纳米线的光电探测器在405nm的光照以及0v偏压的条件下随着偏振光的变化表现出明显的变化；图6(b)
是从图6(a)中提取的随着偏振光变化的光电流强度的拟合曲线。由图6(b)可知，在405nm的光照以及0v偏压的条件下，本发明实施例的基于cds/cds:sns2超晶格纳米线的光电探测器的光电流各向异性比达到1.9，相较于基于一维纳米线的光电探测器有明显的提升，即偏振比得到了明显的提升。
[0089]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。