[發明專利]一種室溫納米線光子數可分辨探測器及制備方法

在審

• 申請號: 201810092865.3
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108258064A
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 胡偉達;駱文錦;王鵬;龍明生;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: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/113;H01L31/18;B82Y40/00
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 李秀蘭

本發明公開了一種室溫納米線光子數可分辨探測器及制備方法。其特征在于，器件結構自下而上依次為是襯底、氧化物層、納米線半導體和金屬源漏電極。器件制備步驟是將CVD生長的具有豐富表面態納米線轉移到襯底上，運用紫外光刻或電子束光刻的方法結合傳統剝離工藝制備金屬電極作為源極和漏極，形成納米線半導體場效應晶體管結構。器件首先需要在源極和柵極間施加負向柵壓，使得場效應晶體管達到跨導最大處，通過納米線的豐富表面態可以長時間俘獲光生空穴，形成光柵效應，使得電流信號發生跳變，進而實現可分辨光子數探測。該光子探測器具有室溫工作、光子數可分辨、高靈敏、響應快、穩定性好及低功耗等特點。

技術領域

本發明涉及一種納米線半導體光電探測器件，具體指一種室溫納米線光子數可分辨探測器及制備方法。

背景技術

單光子探測器依靠其極為靈敏的探測能力來記錄光子—這一基本量子體系，它在在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質分析、高速現象檢測、精密分析、大氣測污、生物發光、放射探測、高能物理、天文測光、光時域反射、量子密鑰分發系統等領域有著廣泛的應用。然而，其一，傳統單光子探測器，比如光電倍增管、雪崩光電二極管和超導單光子探測器要么需要蓋格模式的百伏驅動電壓，要么需要極低溫的工作條件，使得它們的操作相對復雜。其二，單光子探測器擁有光子數分辨能力的也只是屈指可數，其三，大部分單光子探測器需要分子束外延這樣的高要求生長條件，給器件制備過程帶來困難。因此，迫切需要研究一種獨特的器件結構同時具有光子數分辨能力，易于制造(成本低廉)且可以在室溫下工作(操作簡單，節約能源)來滿足單光子探測器在現代科學和工程的各個領域的應用。

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。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，其具備半導體、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。

雖然已有一些新型低溫光子數可分辨探測器已被制備出來[Nature Photonics1，585(2007)]，但在室溫下的光子數可分辨易制造的探測器還沒有出現。

為了解決上述單光子探測器目前遇到的問題，本發明提出了一種室溫納米線可分辨光子數探測的方法。該方法是基于化學氣相沉積(CVD)生長的硫化鎘(CdS)制作場效應晶體管，由于CVD生長的CdS具有豐富的表面態、大的比表面積和高載流子遷移率，這三個性質可以一起助于納米線在室溫下響應一個光子且被探測到，其中表面態類似于量子點的作用，具有光柵(photongating)效應。

發明內容

本發明提出了一種室溫納米線光子數可分辨探測器及制備方法，實現了納米線半導體場效應結構在室溫光子探測領域的應用。

上述發明將納米線及其光柵效應引入單光子探測結構，該探測器結構基于場效應晶體管，在室溫下利用納米線表面態俘獲光生空穴，引起光柵效應，從而引起電流跳變，可實現器件的高靈敏、低功耗，光子數可分辨探測。

本發明指一種室溫納米線光子數可分辨探測器及制備方法，其特征在于，器件結構自下而上依次為：

-襯底1，

-氧化物層2、

-納米線半導體3、

-金屬源極4、金屬漏極5，

其中襯底1為重摻雜的Si襯底，厚度0.3-0.5毫米；

其中氧化物層2為SiO₂，厚度110±10納米；