一種紅外光電探測器及其制備方法

一種紅外光電探測器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種紅外光電探測器及其制備方法。本發明的探測器包括一襯底，在該襯底上依次為光學微腔的下反射鏡、下光程差補償層、上光程差補償層、光學微腔的上反射鏡，所述光學微腔內有作為吸光材料和導電通道的半導體碳納米材料光電器件；其中，所述光學微腔的腔態密度最大處與所述半導體碳納米材料光電器件的工作區重合，且對于同一波長的紅外光，通過所述下光程差補償層的光程與通過所述上光程差補償層的光程相等或相差半波長整數倍。本發明提高了對紅外弱光的探測能力，微腔加工工藝簡單、快捷；可應用于碳管電路光電器件的互聯，或者碳管與硅集成電路片上互聯，執行通訊波段紅外光的探測與響應。
【專利說明】一種紅外光電探測器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通訊波段的紅外光探測器，涉及一種光電探測器及其制備方法，特別是基于半導體碳納米管構建的紅外探測器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]紅外光電探測是光探測領域中一個非常重要的方向，不僅僅在于紅外波段對工業、軍事和科學的重要程度，包括監控、制造工藝控制、生物以及軍事上的紅外制導和水下探潛等，而且在以光纖主導的光通訊和越來越重要的硅基光電集成領域變得更加重要。在紅外探測領域，傳統的紅外探測器及材料雖然性能較好，但其制備存在苛刻的低溫工作環境，噪音大，高質量材料的制備困難和難以高度集成化等瓶頸問題，從而導致難以更大規模應用，在室溫條件下的針對特定波長的便于集成的高性能紅外探測并未很好的實現。
[0003]碳納米管作為一維半導體材料的代表，具有獨特而優良的電、光和熱學特性，被認為是構建納米尺度集成電子器件的代表。碳納米管具有很高的載流子遷移率，強的碳碳鍵使其能承受高的電流密度，強的高頻工作模式，小直徑對載流子的極強限制強化了柵控能力，同時抑制了短溝道效應，基于碳管的高性能CMOS器件已研制成功，因而在納集成電子學領域有極為重要的現實應用價值。在光電子領域，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I納米至5納米的較大范圍內進行調控，對應可探測波長范圍涵蓋I微米-12微米，在紅外探測領域具有重要意義。其次，碳納米管的制備相對傳統半導體的外延容易很多，制備過程中沒有相分離，晶格匹配的要求，使得它便于集成，并且納米尺度使其具備提升紅外探測分辨率的天然優勢。最后，不同于傳統半導體重摻雜制備歐姆接觸并通過互擴散實現結區的制備，半導體碳納米管表面沒有懸掛鍵，可以通過無摻雜，無勢壘，非對稱的金屬接觸來制備二極管，并同時實現歐姆接觸，載流子的橫向遷移也使復合減少，這個過程中，使用的金屬包括具有近乎完美的電子型接觸鈧(Sc)【Z.Y.Zhang, X.L.Liang, S.Wang, K.Yao, Y.F.Hu, Y.Ζ.Zhu, Q.Chen, ff.ff.Zhou, Y.Li, Y.G.Yao, J.Zhang, and L.-M.Peng, Nano Letters了 (12) (2007) 3603】和空穴型接觸 Pd[A.Javey, J.Guo, Q.Wang, M.Lundstrom, H.J.Dai, Nature424 (2003) 654】。基于這種器件的構型，前期研究工作圍繞碳納米管陣列的光伏型紅外探測器展開，采用Pd和Sc非對稱接觸形成二極管，獲得了接近商用水平的探測性能，其中響應率和探測率分別達到9.87X IO-5A/W 和 1.09X 107cmHz1/2/W 的較高水平【Q.S.Zeng et al., Opt.Mater.Express2 (2012) 839 ]D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。無論如何，雖然碳納米管的紅外探測器已經取得了一些很好的進展，但小的尺度抑制了其優異的光電性能的發揮，可以認為很小的直徑使其與探測光相互作用截面太小，影響了器件的探測效率和探測極限，尤其是對紅外弱光而言【L.Y.Liu et al., Sensors and Actuators Al 16 (2004) 394】。
[0004]在光子器件的制備中，研究人員通常希望在特定結構處增大光強度，稱之為“陷光技術”【R.Pala, E.C.Garnett, S.Fan, Nature Communications^: (2013) 2095】。類似于這種思想，美國IBM沃森研究中心利用光學微腔集成并控制碳管的紅外發光器件，其中微腔由金屬反射端面，聚甲基丙烯酸甲酯，二氧化硅和氧化鋁組成。微腔的光學反射譜測量表征的品質因子接近40，很好的實現了對1.6微米波長光的束縛。研究發現微腔的引入改變了光與碳管的相互作用方式，碳管的輻射效率增強4倍【F.Xia，M.Steiner, Y.Lin andP.Avouris, Nature Nanotechnology3 (2008) 609】。與此同時，日本先進技術研究所和巴黎第十一大學研究人員共同發表文章，報道了單壁碳納米管與法布里-帕羅微腔集成的高效熒光器件，光學微腔采用二氧化硅和氮化硅的交替生長模式，發現碳管熒光強度增強近30 倍[E.Gauges, N.1zard, X.Roux, S.Kazaoui, D.Morini, E.Cassan, and L.Vivien OpticsExpress, 18(2010)5740】。這些近期發表的研究成果表明光學微腔對改善碳管光電性能有很好的提升作用。基于陷光結構的碳納米管紅外探測對于改進碳管紅外探測器的性能來說很有必要。
[0005]因此，如何將一維碳納米管與法布里-帕羅光學微腔很好的集成起來，實現針對包括特定通訊波段紅外光的探測，對構建出室溫下運用的，高性能紅外探測器具有極為重要的意義。

【發明內容】

[0006]針對通訊光波段或硅片上光電集成紅外光的探測，本發明提供一種半導體碳納米管二極管與法布里-帕羅光學微腔集成的 紅外光電探測器及其制備方法，獲得一種高靈敏度紅外光探測器，器件可以應用于特定波長的紅外弱光探測以及片上光電轉換核心部件。
[0007]本發明的技術方案如下:
[0008]—種紅外光電探測器,其特征在于包括一襯底，在該襯底上依次為光學微腔的下反射鏡、下光程差補償層、上光程差補償層、光學微腔的上反射鏡，所述光學微腔內有作為吸光材料和導電通道的半導體碳納米材料光電器件；其中，所述光學微腔的腔態密度最大處與所述半導體碳納米材料光電器件的工作區重合，且對于同一波長的紅外光，通過所述下光程差補償層的光程與通過所述上光程差補償層的光程相等或相差半波長整數倍。
[0009]一種紅外光電探測器的制備方法，其步驟為:
[0010]I)在所選襯底上依次制備光學微腔的下反射鏡、下光程差補償層；
[0011]2)在所述下光程差補償層上制備半導體碳納米材料光電器件；
[0012]3)在半導體碳納米材料光電器件的半導體碳納米材料上依次制備上光程差補償層和光
[0013]學微腔的上反射鏡；
[0014]其中，所述光學微腔的腔態密度最大處與所述半導體碳納米材料光電器件的工作區重合，且對于同一波長的紅外光，通過所述下光程差補償層的光程與通過所述上光程差補償層的光程相等或相差半波長整數倍。
[0015]進一步的，所述半導體碳納米材料光電器件為基于半導體碳納米管或半導體碳納米管陣列的光電器件；所述半導體碳納米管的兩端設有電極，與所述半導體碳納米管構成二極管；所述二極管的電極為非對稱電極，其中一端為鈀電極，另一端為鈧或釔電極。
[0016]進一步的，所述下反射鏡為銀反射鏡，所述下光程差補償層上設有一紅外通光電學絕緣層，所述半導體碳納米材料光電器件的半導體碳納米材料位于所述紅外通光電學絕緣層上(如果下光程差補償層絕緣性能好，可省略紅外通光電絕緣層的制備)，紅外光通過所述下光程差補償層和所述紅外通光電學絕緣層的光程與通過所述上光程差補償層的光程相等或相差半波長整數倍，所述上反射鏡為金反射鏡；或者所述下反射鏡、上反射鏡分別為分布式布拉格反射鏡。
[0017]進一步的，所述半導體碳納米材料為半導體納米線、或半導體納米管、或半導體納米條帶；所述上光程差補償層為高分子聚合物；所述下光程差補償層為二氧化硅，所述紅外通光電學絕緣層為氧化鉿；所述碳納米管的長度為0.5微米到4微米。
[0018]本發明的紅外光電探測器，以半導體碳納米管作為吸光材料和導電通道，半導體碳納米管的兩端是金屬電極，一般的，它們可以是如金，銀或者鈦等金屬，但由于金屬與半導體碳管間接觸勢壘的存在，普遍需外加電壓才能工作，這樣的工藝制備出的探測器性能較差。本工藝優先選用非對稱的金屬電極:一端為IE(Pd)電極,另一端為鈧(Sc)或乾(Y)電極，非對稱金屬電極的作用在于金屬鈀、釔和鈧與碳納米管形成無勢壘接觸，通過金屬功函數的調節，可以實現無摻雜的碳納米管二極管的制備；上述的碳納米管二極管的制備是在以下反射鏡為襯底上生長的氧化物如氧化硅和氧化鉿上進行的，到此，下半部微腔和它上面的二極管器件制備完畢，接著可以選用各類聚甲基丙烯酸甲酯或高分子聚合物和反射鏡作為上半部微腔的組成。同時必須要保證光學微腔態密度最大處與碳納米管電學器件工作區位置重合；對于半波長微腔，所述光學微腔態密度最大處可以形象的理解為包含上下金屬端面反射相移在內，紅外光在微腔內相反傳播，光程差相等處，也稱為“駐波最強點”。測量時，將位于碳納米管兩端的非對稱金屬電極中的一個接地，另一個與電壓測量電路或者電壓表連接，當紅外光照射半導體碳納米管二極管與法布里-帕羅光學微腔集成的紅外光電探測器時，所述半導體碳納米管吸收紅外光，產生的光電壓信號由所述電壓測量電路或電壓表測得。
[0019]上述半導體碳納米管二極管與法布里-帕羅光學微腔集成的紅外光電探測器中，所述半導體碳納米管優選為本征半導體碳納米管。
[0020]對于導電通道為半導體碳納米管的上述碳納米管二極管與法布里-帕羅光學微腔集成的紅外光電探測器，器件電極之間的碳納米管長度優選為0.5微米到4微米，最優選為1.5微米，減小碳納米管與電極接觸電阻的同時，增加碳納米管內光生載流子被電極俘
獲效率。
[0021]上述的光學微腔，上下反射鏡面可以采用金屬反射鏡或者布拉格反射鏡，本研究中分別選用金和銀作為上下兩個反射鏡面。而對特定波長的設計，需要考慮組成微腔的材料的光學參數，包括能帶帶隙、厚度和折射率等。在忽略各界面反射相移的情形下，微腔內的光程差將最終決定其共振波長。
[0022]上述微腔組成材料的制備可以采用多種不同的薄膜材料設備沉積，包括分子束外延，磁控濺射，旋涂和熱蒸發等類似工藝，這里采用電子束鍍膜方法。
[0023]本發明的半導體碳納米管二極管與法布里-帕羅光學微腔集成的紅外光電探測器，通過特定設計光波長，如針對片上集成或紅外通訊?1550納米波段的法布里-帕羅光學微腔對入射紅外弱光的壓縮，來達到對特定波長紅外光增強探測和響應的目的。其原理如下:
[0024]圖1所示的是一個非對稱接觸的半導體碳納米管光電二極管。二極管的導電通道
Xl由長度約為1.5微米的本征半導體碳納米管11構成。碳納米管11的一端電極12由金屬鈀Pd構成，另一端電極13由金屬鈧Sc或釔Y構成。如圖2所示，理想狀態下，金屬鈧Sc和金屬鈀Pd分別與半導體碳納米管的導帶和價帶相對接，電子和空穴沒有注入勢壘，并且通過金屬功函數的調節，在碳納米管的內部形成了無摻雜的內建電場，稱為二極管。半導體碳納米管二極管的工作原理是:在正偏壓V作用下，Sc電位提高，Pd電極電位降低，電子和空穴分別通過相應的Sc電極和Pd電極無勢壘地被注入到碳納米管的導帶和價帶，形成隨偏壓迅速增加的電流。在反偏壓下，電子和空穴的注入都要經過一個和碳納米管能隙相當的勢壘，導致很小的反向電流，且反向漏電流基本不隨反向偏壓變化。在不加偏壓情況下，光照將在碳納米管中激發電子和空穴對，內部電場將其分離，使它們分別流向Sc電極和Pd電極，產生一個比Eg/2稍高一點的光電壓(一般約為0.2伏特)。
[0025]這種非對稱，非摻雜的碳納米管二極管在形式上的確可以完成上述功能，一段非對稱接觸的半導體納米碳管在外界光照之下可以產生一個約0.1-0.2伏特的光電壓，但是，由于碳納米管的直徑，使得光能量大多數將穿過碳管而不被吸收，這使得最終的光電流很小。如果把碳管二極管器件放置在陷光的結構中，使得光強最大處與碳納米管二極管工作區相重合，就可以很大程度上增強光與碳管的相互作用。如圖3 (a)所示，入射的光學波從頂層金層I射入，穿過上光程差補償層(聚甲基丙烯酸甲酯或者其他高分子聚合物)2后，與平行于反射鏡的半導體碳納米管二極管3相互作用；而后繼續向下穿過電學絕緣層(氧化鉿)4、下光程差補償層(二氧化硅)5，在與底層的銀反射鏡6作用被反射回來，同上所述，光路反向傳播并與半導體碳納米管再次相互作用；因而，光波在微腔內循環往復形成駐波的干涉強度分布，可以看成被法布里-帕羅光學微腔壓縮而在一個維度上形成“光陷結構”，對應波形如圖3 (b)所示，這種形式增強了光與碳管的相互作用。在微腔設計中，我們采用了二氧化硅，氧化鉿，聚甲基丙烯酸甲酯作為主要的微腔構成材料。我們在實驗上，通過類似的微腔結構，采用差值法推導出了它們在所需共振波長λ納米波段的折射率。如圖4所示，針對聚甲基丙烯酸甲酯中200Κ電子束光刻膠(K是分子量對應1000的縮寫)，實驗測定對應1500納米波段的折射率，分別制備出聚甲基丙烯酸甲酯(200Κ)不同厚
(? Αφ (O，A)) X(x y)
度的光學微腔，根據實驗測出的反射光譜，對公式
【權利要求】
1.一種紅外光電探測器，其特征在于包括一襯底，在該襯底上依次為光學微腔的下反射鏡、下光程差補償層、上光程差補償層、光學微腔的上反射鏡，所述光學微腔內有作為吸光材料和導電通道的半導體碳納米材料光電器件；其中，所述光學微腔的腔態密度最大處與所述半導體碳納米材料光電器件的工作區重合，且對于同一波長的紅外光，通過所述下光程差補償層的光程與通過所述上光程差補償層的光程相等或相差半波長整數倍。
2.如權利要求1所述的紅外光電探測器，其特征在于所述半導體碳納米材料光電器件為基于半導體碳納米管或半導體碳納米管陣列的光電器件；所述半導體碳納米管的兩端設有電極，與所述半導體碳納米管構成二極管；所述電極為非對稱電極，其中一端為鈀電極，另一端為鈧或釔電極。
3.如權利要求2所述的紅外光電探測器，其特征在于所述碳納米管的長度為0.5微米到4微米。
4.如權利要求3所述的紅外光電探測器，其特征在于所述二極管器件中的碳納米管溝道長度為1.5微米。
5.如權利要求1或2所述的紅外光電探測器，其特征在于所述下反射鏡為銀反射鏡，所述下光程差補償層上設有一紅外通光電學絕緣層，所述半導體碳納米材料光電器件的半導體碳納米材料位于所述紅外通光電學絕緣層上，紅外光通過所述下光程差補償層和所述紅外通光電學絕緣層的光程與通過所述上光程差補償層的光程相等或相差半波長整數倍，所述上反射鏡為金反射鏡；或者所述下反射鏡、上反射鏡分別為分布式布拉格反射鏡。
6.如權利要求5所述的紅外光電探測器，其特征在于所述上光程差補償層為高分子聚合物；所述下光程差補償層為二氧化硅，所述紅外通光電學絕緣層為氧化鉿；所述半導體碳納米材料為半導體納米線、或半導體納米管、或半導體納米條帶。
7.—種紅外光電探測器的制備方法，其步驟為: 1)在所選襯底上依次制備光學微腔的下反射鏡、下光程差補償層；` 2)在所述下光程差補償層上制備半導體碳納米材料光電器件； 3)在半導體碳納米材料光電器件上依次制備上光程差補償層和光學微腔的上反射鏡; 其中，所述光學微腔的腔態密度最大處與所述半導體碳納米材料光電器件的工作區重合，且對于同一波長的紅外光，通過所述下光程差補償層的光程與通過所述上光程差補償層的光程相等或相差半波長整數倍。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述半導體碳納米材料光電器件為基于半導體碳納米管或半導體碳納米管陣列的光電器件；所述半導體碳納米管的兩端設有電極，與所述半導體碳納米管構成二極管；所述二極管的電極為非對稱電極，其中一端為鈀電極，另一端為鈧或釔電極。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述下反射鏡為銀反射鏡，所述下光程差補償層上設有一紅外通光電學絕緣層，所述半導體碳納米材料光電器件位于所述紅外通光電學絕緣層上，紅外光通過所述下光程差補償層和所述紅外通光電學絕緣層的光程與通過所述上光程差補償層的光程相等或相差半波長整數倍，所述上反射鏡為金反射鏡；或者所述下反射鏡、上反射鏡分別為分布式布拉格反射鏡。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于所述半導體碳納米材料為半導體納米線、或半導體納米管、或半導 體納米條帶；所述上光程差補償層為高分子聚合物；所述下光程差補償層為二氧化硅，所述紅外通光電學絕緣層為氧化鉿；所述碳納米管的長度為0.5微米到4微米。
【文檔編號】H01L31/18GK103681897SQ201310579131
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月18日 優先權日:2013年11月18日
【發明者】梁爽, 王勝, 魏楠, 彭練矛 申請人:北京大學