[發明專利]基于半導體碳納米管的級聯紅外光探測器

無效

• 申請號: 201210186935.4
• 申請日: 2012-06-07
• 公開（公告）號: CN102723348A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 王勝;彭練矛;曾慶圣;張志勇;楊雷靜
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L31/102;H01L31/0224;B82Y15/00
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 李稚婷

技術領域

本發明涉及紅外光探測器，特別是基于半導體碳納米管構建的紅外探測器。

背景技術

紅外光探測是在光探測領域中一個非常重要的方向，在工業、軍事和科學應用中大量應用，包括監控、制造工藝控制、光通訊、生物以及軍事上的夜間探測等。基于各種材料的紅外光探測器目前是各國科學家的研究熱點。基于傳統半導體材料的紅外探測器，雖然量子效率較高，低溫下的極限探測性能好，可以達到高的探測度和快的響應速度，但是由于技術難度大，工藝復雜，價格較高，難以更大規模應用，尤其在室溫條件下的高性能寬譜紅外探測器一直未能得到較好實現。

碳納米管材料具有獨特的電學特性和光學特性，被認為是構建新型紅外探測器的優選材料。作為一維半導體材料的代表，具有構建高效納米光電子器件特別是紅外光探測的幾乎所有需要的優異性質。首先，半導體納米碳管是直接帶隙材料，在紅外波段具有很好的光吸收特性，由于碳管直徑可以在很大范圍進行調控，對應的可探測波長范圍達到1微米-12微米，遠遠超過一般的紅外探測器。其次，碳納米管具有較高的室溫遷移率，是良好的導電通道材料。此外，碳納米管薄膜具有極低的光反射系數。碳納米管的獨特的能帶結構使得碳納米管中存在光生載流子倍增效應，其量子效率遠遠高于一般的塊體半導體材料，使得基于碳納米管材料的紅外探測器量子效率得到極大提高。最后尤其重要的是，半導體碳納米管同時具有近乎完美的電子型接觸金屬鈧(Sc)【Z.Y.Zhang，X.L.Liang，S.Wang，K.Yao，Y.F.Hu，Y.Z.Zhu，Q.Chen，W.W.Zhou，Y.Li，Y.G.Yao，J.Zhang，and?L.M.Peng，Nano?Letters?7(12)(2007)3603】和金屬釔(Y)【L.Ding，S.Wang，Z.Y.Zhang，Q.S.Zeng，Z.X.Wang，T.Pei，L.J.Yang，X.L.Liang，J.Shen，Q.Chen，R.L.Cui，Y.Li，and?L.-M.Peng，Nano?Letters?9(2009)4209】，以及空穴型接觸金屬Pd【A.Javey，J.Guo，Q.Wang，M.Lundstrom，H.J.Dai，Nature?424(2003)654】。采用不同的金屬分別實現電子和空穴的歐姆接觸為構建基于碳納米管的高性能紅外探測器的實現提供了保證。我們先前在單根半導體碳納米管兩端分別采用Pd和Sc接觸電極已經成功制備出高性能的光電二極管【S.Wang，L.H.Zhang，Z.Y.Zhang，L.Ding，Q.S.Zeng，Z.X.Wang，X.L.Liang，M.Gao，J.Shen，H.L.Xu，Q.Chen，R.L.Cui，Y.Li?and?Lian-Mao?Peng，J.Phys.Chem.C?113(2009)6891】，如圖1所示，這種結構的光電二極管具有較好的光電轉換特性。但作為紅外光探測器的應用而言，基于這種結構的單根碳納米管的紅外探測器的一個明顯的缺點是輸出光電流太小，探測器的電流響應度低，無法滿足實際的弱光探測需要，這主要是由于單根碳納米管材料的對入射光相對較小的光吸收面積。

傳統的紅外光伏探測器單個像素一般為幾十平方微米，通過級聯幾十甚至幾百個光電二極管來提高探測器總的信噪比【Edson?Gomes?Camargo，Koichiro?Ueno，Yoshifumi?Kawakami，Yoshitaka?Moriyasu，Kazuhiro?Nagase，Masayuki?Satou，Hidetoshi?Endo，Kazutoshi?Ishibashi，Naohiro?Kuze，Optical?Engineering?47(2008)014402】。而在傳統的多結級聯的紅外光探測器中，一般采用金屬加上隧穿結的方式將不同材料或者相同材料的探測器單元進行連接，隧穿結的制備工藝復雜，需要考慮晶格匹配，帶隙等多種因素，例如需要采用不同的重摻雜材料進行連接，隧穿結的性能往往決定了探測器的最后性能。

因此，如何將基于一維碳納米管材料的光探測器級聯起來，對于構建出能在室溫下運用的高性能紅外探測器具有極為重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種將基于單根半導體碳納米管的光電二極管級聯起來的方法，獲得一種高靈敏度、高信噪比的級聯紅外光探測器。

本發明的技術方案如下：