[發明專利]基于豎直排列半導體納米線的光電探測器制備方法

有效

• 申請號: 201310591009.X
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN103681962A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 夏輝;李天信;姚碧霂;盧振宇;陳平平
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及半導體低維結構光電探測器的制備方法，具體是指一種豎直排列納米線光電探測器的制備方法。

背景技術

半導體納米線因其獨特的結構和光電特性，在光電探測和太陽能收集領域的研究獲得了廣泛的關注，其部分核心性能已經接近甚至超過經典薄膜材料。特別是自組織生長的豎直排列納米線結構，由于“光學陷阱”等效應而具有極高的光吸收和轉換效率，因而是新型高靈敏度、高效光電子器件的天然優異材質。

而到目前為止，半導體納米線光電探測器多數摒棄了納米線天然的豎直排列結構，同時工藝過程中的電子束光刻、刻蝕、高溫熱處理等不可避免得會帶來對納米線的表面損傷，這些因素直接導致了納米線光電探測性能的急劇下降。此外，當前國際上針對豎直排列納米線結構已經開展的光電探測器研發，其工藝條件多是針對Si、ZnO等耐沖擊材料體系，因而具有相當的局限性。

本發明中將通過一些核心工藝：豎直排列納米線的旋涂包裹支撐、低溫熱處理、電極的配置等的采用實現對自組織生長納米線的探測器應用以及納米線光電性能的實質性提升。

發明內容

當前基于豎直排列納米線結構的光電探測器存在的不足可以概括為2方面：①對納米線的包裹支撐等工藝只適用于Si、ZnO等耐沖擊材料體系，缺乏普適性；②大量的高溫熱處理過程中對納米線的損傷十分顯著，從而帶來器件性能的急劇下降。本發明針對這些問題，提供了一種普適的、高靈敏的半導體納米線光電探測器制備方法。

本方法中首先解決的是自組織生長納米線的無損包裹支撐。自組織生長納米線的豎直排列結構是一種天然的、亞微米波長的類周期結構，其對光波的增強耦合、吸收效應一直以來都受到了廣泛的關注。為了實現對這種新結構的器件應用，如何提供必要的保護性支撐成為了當前攻關的難題。機械旋涂是半導體器件中常用的一種成膜工藝，在此被靈活得應用于對納米線的致密包裹和支撐。旋涂介質的選擇是關乎包裹成敗的關鍵，其中介質粘稠度的配置又是核心。特別是對于一些力學強度較弱的材料體系，旋涂介質粘稠度的選取窗口更加狹窄。

實際上包裹不僅僅是對納米線的力學支撐，同時也是完善豎直排列納米線的光電耦合結構、鈍化納米線表面進而固化納米線電學特性的重要途徑。其中要著重關注的問題包括2方面：①旋涂介質的烘焙應采用低溫熱處理過程，目的是避免高溫對納米線，尤其是納米線表面的損傷。區別于體材料，納米線的高表面體積比使得表面損傷等對其性能的影響十分顯著。②包裹介質層的折射率應遠小于納米線材料，目的是為了實現納米線與周圍介質層的強烈介電常數對比，從而實現電磁場在納米線中的聚集效應，即“光學陷阱”效應。

本發明其次要解決的是納米線探測器的電極配置問題。區別于常規光電探測器的上電極采用微區電極的方式，納米線器件為了實現對光敏元內所有納米線的閉環導電接觸，其上電極必須做到對光敏元的完全覆蓋。同時考慮到襯底的重摻雜特性，器件的光引入方式需采用頂端入射的方式，因而要求上電極需為透明電極。此外，為了滿足電學測試的需要，額外的金屬延伸電極是必須的。

本發明半導體納米線光電探測器的具體制備步驟如下：

1）對豎直排列納米線進行絕緣旋涂包裹，采用機械旋涂方法來完成，旋涂介質的粘稠度應在300-500mPa之間，固化后旋涂介質的折射率要小于納米線的折射率；

2）對旋涂介質的低溫烘焙固化，溫度小于150℃；

3）通過拋光減薄納米線及其支撐介質，使納米線頂端裸露出來；

4）第一次光刻，制備器件頂端透明電極的圖形結構；

5）蒸鍍ITO透明電極、浮膠及退火，以作為豎直排列納米線的頂端接觸電極；

6）第二次光刻，制備延伸電極的圖形結構；

7）蒸鍍延伸金屬電極、浮膠、退火，作為納米線的電學測試用電極；

8）試樣基片形成歐姆接觸，用來作為公共下電極。

本發明的優勢體現在其工藝方案具有相當的普適性，不僅僅可以用于Si、ZnO等耐沖擊材料體系的納米線器件制備，同時也能滿足III-V族以及其他材料體系納米線光電探測器的研發要求。一些核心工藝中的細節，也是之前一直被忽視的問題，如包裹介質粘稠度、器件熱處理的溫度等將有可能成為納米線光電探測器性能提升、進而逼近其極限的關鍵。

附圖說明

圖1為本發明核心工藝的流程圖。其中（a）為自組織生長的納米線樣品示意圖，(b)為經過機械旋涂、烘焙、減薄后的樣品示意圖，(c)為制備ITO電極后的樣品結構示意圖，（d）為延伸電極制備后的樣品結構示意圖。

具體實施方式