[實用新型]全耗盡鐵電側柵單根納米線近紅外光電探測器

有效

• 申請號: 201621120159.8
• 申請日: 2016-10-13
• 公開（公告）號: CN206282869U
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 胡偉達;王建祿;鄭定山;駱文錦;王鵬;陳效雙;陸衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0352;H01L31/0224;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

本專利涉及鐵電聚合物材料及其與納米線相結合的側柵結構探測器的設計與測試，具體是指利用這種獨特的側柵器件結構，并通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產生的本征載流子，從而大大降低探測器在無柵壓下的暗電流，提高器件的信噪比和探測能力。

背景技術

一維半導體納米線由于具有特殊的光、電、磁等物理化學性能及納米結構的奇特性能，引起了科學家們的廣泛關注，被公認為是發展下一代納米光電器件和集成系統的基礎，成為當今納米材料研究領域的前沿。磷化銦(InP)作為重要的III-V族化合物半導體材料，具有閃鋅礦結構，是一種直接帶隙半導體，常溫下禁帶寬度為1.35eV。InP納米線具有諸多優越的物理性能，如豐富的表面態、大的比表面積和高載流子遷移率，具備半導體、光電、熱電、壓電、氣敏和透明導電等特性，作為光電子器件可以在納米激光器、發光二極管、光纖通訊、高速電子器件、光電子器件、生物傳感器、光電探測器和通訊衛星以及太陽能電池等諸多技術領域有著廣闊的應用價值。近年來，對于制備InP納米線及其異質材料以及相關性能的研究已成為半導體材料領域的熱點。基于InP納米線的光電探測器因其具有可調光波長靈敏度、響應快以及高效的光電轉換特性而備受關注。此外，硫化鎘(CdS)作為一種重要的直接帶隙II-VI族化合物半導體材料，常溫下禁帶寬度為2.4eV，被廣泛應用于信號檢測、液晶顯示器和太陽能電池等高科技領域。然而，基于這些半導體納米線的光電探測器因其大的比表面積、表面態和晶格缺陷會產生高的本征載流子濃度，在一定程度上導致器件具有較大的暗電流，從而嚴重影響了器件的光探測性能。因此，迫切需要研究一種獨特的器件結構來耗盡這些因缺陷或陷阱所產生的本征載流子以降低暗電流，從而提高器件的信噪比和探測能力。

為了解決上述問題，本發明提出了一種全耗盡鐵電側柵單根納米線近紅外光電探測器及其制備方法。該方法是結合P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料和納米線制備成具有側柵結構的納米線光電探測器。利用側柵施加一瞬間負向電壓，并通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中因缺陷或陷阱所產生的本征載流子，從而大大降低了探測器在無柵壓下的暗電流，提高了器件的信噪比和探測能力。

發明內容

本專利提供了一種全耗盡鐵電側柵單根納米線近紅外光電探測器。該探測器利用獨特的側柵結構，并通過P(VDF-TrFE)鐵電聚合物材料負向極化所產生的超強靜電場來完全耗盡納米線溝道中的本征載流子，顯著抑制了探測器的暗電流，大幅提高了探測器的靈敏度。

所述的探測器的結構為：在P型Si襯底1上是SiO₂氧化層2、在SiO₂氧化層2上制備有InP或CdS納米線3，在InP或CdS納米線3納米線兩端是源或漏電極4、在其兩側有側柵電極5，鐵電聚合物薄膜6覆蓋在InP或CdS納米線3及電極上，并且保證每個電極有部分裸露在外；

所述的的P型Si襯底1是硼重摻雜，電阻率小于0.05Ω·cm；

所述的SiO₂氧化層2厚度是110nm；

所述的InP或CdS納米線3長度是5μm到20μm，直徑是50nm到300nm；

所述的源或漏電極4是金屬Cr和Au，厚度分別是15和50nm；

所述的側柵電極5是金屬Cr和Au，厚度分別是15和50nm，與納米線距離是100nm到1μm；

所述的鐵電聚合物薄膜6是聚偏氟乙烯基[P(VDF-TrFE)]，厚度是200nm。

本專利的一種鐵電側柵單根納米線光電探測器的制備方法步驟如下：

1.采用化學氣相沉積方法在Si襯底上利用Au催化劑生長制備InP及CdS納米線，利用XRD、SEM、TEM、EDS等對納米線的微觀形貌、結構及物性進行表征；

2.將生長的納米線物理轉移到有SiO₂氧化層的Si襯底上，利用電子束曝光EBL技術，對單根納米線利用預先沉積的金屬坐標進行定位，利用熱蒸鍍和剝離等技術沉積鉻和金作為源、漏和側柵電極，形成以納米線為溝道兩端金屬接觸的場效應晶體管。其中溝道長度1μm到5μm，側柵電極距離納米線100nm到1μm；

3.在制備好的背柵器件上旋涂P(VDF-TrFE)鐵電聚合物薄膜，并在130℃溫度下退火2小時，以改善鐵電聚合物薄膜的結晶性，從而制備成具有側柵結構的鐵電側柵單根納米線光電探測器。