單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體光電器件技術領域，具體涉及一種基于單晶碳化硅納米線且能勝任高溫工作的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法。
【背景技術】
[0002]紫光光電探測器是將波長范圍為380-435nm的光信號轉換為電信號的半導體器件，主要應用于生化檢測、可燃性氣體尾焰探測及導彈羽煙的紫外輻射探測等領域。SiC具有較寬的帶隙(2.4-3.3eV)，能夠檢測500nm以下的光源，對近紫外和紫光具有很好的響應，且具有固有的高飽和電子迀移率、高抗擊穿場強、低熱膨脹系數等諸多優勢，完全能夠勝任大功率、高溫苛刻環境中的近紫外和紫光的靈敏探測。值得指出的是，其最高工作溫度有可能超過600 °C。
[0003]半導體材料晶體的質量決定著材料的紫外光電探測性能，制備高靈敏度和恢復時間短的紫外光電探測器，要求感光材料具有高的晶體結晶質量。目前傳統工藝制備的SiC塊材或者薄膜都無法得到高質量的單晶晶體，限制了其在紫外光電探測方面的應用。
[0004]一維納米結構通常是單晶材料，晶體質量高，缺陷少，有望實現單光子靈敏度的檢測，成為研發新穎的、性能優異的紫外探測器的理想材料。有研宄表明單根氧化鋅納米線的紫外光電響應和恢復時間為20-80毫秒，光電流響應強度2.6X 103A/W，性能優異。然而，已有技術所研發的基于SiC基光電探測器幾乎都是基于SiC單晶片或薄膜制備而成的，基于單晶SiC —維納米線的高靈敏光電探測器的研發，依然面臨挑戰。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決問題是實現基于單晶SiC納米線能高靈敏且能勝任高溫環境下對紫光響應的新型光電探測器的研發。
[0006]具體地說，以Si02/Si基片為襯底，以單根碳化硅(SiC)單晶納米線為核心敏感單元，以Cr/Au為金屬電極的肖特基結構半導體紫光光電探測器及其制備方法。本發明的目的是解決基于傳統塊體或者薄膜碳化硅材料的光電探測器響應和恢復時間慢的問題，同時具有高靈敏地探測紫光及紫外光和能在高溫下對上述光線進行響應。本發明提供了一種具備實用化前景的，具有高靈敏度和恢復時間短的新型紫光光電探測器的制備方法。
[0007]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I)基體制備:首先將3C_SiC單晶片經標準清洗工藝清洗后，再在其表面鍍金屬Ni薄膜從而得到基體；
[0009](2)納米材料制備:將步驟(I)得到的基體放入裝有硅碳前軀體的坩禍中，再把坩禍放入通有保護氣體Ar氣的高溫爐中，高溫爐經I小時升溫到1400°C，再保溫lh，然后自然冷卻到室溫，從而在基體上得到高質量的SiC納米線；
[0010](3)光電探測器構建:將步驟(2)得到的SiC納米線超聲分散在無水乙醇溶液中成納米線分散液，然后再將納米線分散液轉移到清洗好的Si/Si02基片；在分散有納米線的基底表面經處理得到叉指狀的電極圖案，然后在電極圖案的表面蒸鍍一層金屬薄膜，再經過剝離得到叉指狀的Cr/Au電極陣列，再實現單根納米線被兩電極的連接構成光探測器件。
[0011]相較于陣列狀的電極，本發明方案中采用交叉指狀的納米電極可以有效地降低SiC納米線與金屬電極的接觸電阻，繼而形成良好的歐姆接觸，通過減小噪聲對測量信號的干擾，增加光探測器的靈敏度、響應速度和穩定性。
[0012]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法的一種改進，步驟(I)中硅碳前軀體為硅碳干凝膠。
[0013]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法的一種改進，硅碳干凝膠為將蔗糖溶于醇水混合溶劑并攪拌澄清后，加入TEOS和草酸后反應至TEOS充分分解，振蕩攪拌，再加入六次甲基四胺和二茂鎳催化劑，反應充分后再經干燥后得到。
[0014]其中:醇水混合溶劑中醇和水的體積比為(2-5): 1，醇優選為無水乙醇或者無水丙醇，水為去離子水或者DDH2O ;蔗糖的添加量為占醇水混合溶劑總質量的20-40%;蔗糖的醇水溶液攪拌澄清后TEOS加入體積與醇水混合溶劑的體積比為(0.8-1.2): 1，草酸濃度為
3.5wt%，草酸加入體積與醇水混合溶劑的體積比為(0.1-0.5):1 ;蔗糖的醇水溶液攪拌澄清后TEOS與草酸加入體積比為(1-11):1 ;35wt%六次甲基四胺和二茂鎳催化劑的添加以預先制得的混合溶液的方式添加時混合溶液(可以為水溶液)的加入體積與醇水混合溶劑的體積的10-50%，35wt%六次甲基四胺用量為8-12mL，二茂鎳催化劑用量為3_7g，35wt%六次甲基四胺和二茂鎳催化劑的添加還可以為在反應體系中直接加入對應量的35#%六次甲基四胺和二茂鎳催化劑。
[0015]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法的一種改進，步驟(I)中金屬Ni薄膜厚度為5?30nm。
[0016]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法的一種改進，步驟(3)中金屬薄膜包括Cr緩沖層和厚的Au電極層。
[0017]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法的一種改進，步驟(3)中金屬薄膜中的Cr緩沖層為鍍制在納米線表面的底層，Au電極層在底層上。
[0018]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法的一種改進，步驟(3)中金屬薄膜中Cr緩沖層厚度為5?20nm。
[0019]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法的一種改進，步驟⑶中金屬薄膜中的Au電極層厚度為60?lOOnm。
[0020]本發明公開的單晶碳化硅納米線高靈敏紫光光電探測器的制備方法的一種改進，步驟(3)中Cr/Au電極陣列的剝離采用丙酮溶液浸泡。
[0021]有益效果:
[0022]相比于已報道的SiC單晶塊體材料和薄膜材料，本發明實現了具有高快速響應(200ms)，恢復時間短(90ms)，高光響應度(3.3X106A/W)和高外量子效率(9.7X108% )的單晶SiC納米線高靈敏紫光光電探測器的制備。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明實施例一所制得的SiC納米線的掃錨電鏡(SEM)圖；
[0024]圖2為本發明實施例一所制得的SiC納米線的透射電鏡(TEM)圖；
[0025]圖3本發明實施例一所制得的(a) SiC納米線的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖及其(b)選區電子衍射(SAED)圖；
[0026]圖4為為本發明實施例一所構建的SiC納米線光電探測器中單元結構示意圖，其中l、Si/Si02基片；2、Cr/Au電極；3、單晶碳化娃納米線；
[0027]圖5本發明實施例一所構建的單根SiC納米線光電探測器的掃描電鏡(SEM)圖；
[0028]圖6為本發明實施例一所制得的單根SiC納米線光電探測器在黑暗及420nm波長下的電流(I)-電壓(V)曲線圖；
[0029]圖7為本發明實施例一所制得的高靈敏單根SiC納米線光電探測器在50mV偏壓及420nm紫光入射光照射下的電流(I)-時間(T)曲線圖；
[0030]圖8為本發明實施例一所制得的高靈敏SiC納米線光電探測器上升時間/衰減時間的局部放大圖；
[0031]圖9為本發明實施例一所制得的高靈敏SiC納米線光電探測器在50mV偏壓及420nm入射光照射下的隨溫度從室溫到200°C變化的電流(I)-時間(T)曲線圖；
【具體實施方式】
[0032]為使本發明技術方案清晰明白，下面對本發明中的技術方案進行詳細、完整地描述。
[0033]本發明技術方案中，以下實施例的實施時有關醇水混合時體積縮小小于Iml的則歸于誤差范圍，不予考慮，但不應當影響實施例對于本發明權利要求書所要求范圍的解釋，同時在下列實施例中丙醇與乙醇的密度均以0.8g/cm3計，去離子水或者DDH2O的密度均以lg/cm3計，在所有數據轉換時均精確到十分位。
[0034]以下為有關硅碳