一种单分子层表面改性的InGaAs纳米线光电探测器及制备方法

一种单分子层表面改性的ingaas纳米线光电探测器及制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体光电器件领域以及电子器件制备工艺领域，具体设计一种单分子层表面改性的ingaas纳米线光电探测器的制备方法，该方法可以增强对纳米线表面态的操控能力，提高纳米线光电探测性能。


背景技术：

2.光电探测器广泛应用于光通信、图像传感、医学成像与空间监测等诸多重要领域。随着对光电探测器需求的提高，要求其具有小尺寸、高性能、柔韧性和易于集成等特点。iii-v族半导体纳米线以其高电子迁移率、优良的机械柔韧性和优异的光电特性，在高性能高频器件、光电探测、柔性电子器件和太阳能光伏等多个领域展现出广泛的应用前景。在iii-v族半导体纳米线中，三元ingaas纳米线具有连续可调的带隙(0.35-1.42ev)、较高的电子迁移率和量子效率、漏电流小和抗辐射性强等优点，引起了科学界浓厚的兴趣。ingaas可调的带隙覆盖近红外到红外区，通过调整铟和镓元素的组分比值，可以获得对不同波长的近红外/红外辐射敏感的器件，特别是在1.3μm和1.55μm光纤通讯波段具有很大的实际应用意义，而ingaas材料制作的光探测器具有高灵敏度、高探测率和高稳定性等诸多优点，因此，ingaas纳米线在光电探测领域展现出巨大潜力。然而，对于ingaas纳米线来说，由于表面存在不稳定的氧化物而形成表面态，大量的表面电荷不可避免地被纳米线表面所俘获，形成了一层电子表面积聚层，影响了纳米线的性能。因此，操控这些表面态从而提升纳米线的性能是非常必要的。
3.本发明公开了一种单分子层表面改性的ingaas纳米线光电探测器及其制备方法，通过含硫单分子层表面改性处理对ingaas纳米线进行表面钝化以降低纳米线表面态，增强对纳米线表面态的操控能力，有效调节纳米线的电子转移性能，提高ingaas纳米线光电探测器的光电性能和稳定性。该方法是提高纳米线光电探测性能的一种简单有效的途径，有助于获得高响应率、高稳定性的ingaas纳米线探测器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述问题中存在的不足之处，设计了一种单分子层表面改性的ingaas纳米线光电探测器，在器件的制备过程中通过简单的单分子层表面改性处理来提高对纳米线表面态的操控能力，该方法可以有效调节纳米线的电子转移性能，提高ingaas纳米线光电探测器的光电性能和稳定性。
5.为实现上述目的，本发明涉及一种单分子层表面改性的ingaas纳米线光电探测器的制备方法，其具体工艺步骤包括：
6.(1)ingaas纳米线的制备
7.使用固态源化学气相沉积法在非晶基底上制备出高质量高结晶度的ingaas纳米线。通过热蒸发的方式在衬底上镀一层0.5nm厚的金薄膜作为纳米线生长的催化剂，采用两
步法生长工艺制备ingaas纳米线。以高纯inas和gaas粉末为蒸发源，在两温区真空管式炉中使用高纯氢气作为载气，将蒸发源传输到下游镀金催化剂的生长基片上进行化学气相沉积生长。
8.(2)ingaas纳米线光电探测器器件组装
9.将步骤(1)生长好的ingaas纳米线放入无水乙醇中，通过超声处理的方式使纳米线悬浮于无水乙醇中；随后将纳米线的悬浮液滴涂在硅片基底上，依次使用lor3a和az5214光刻胶，采用正胶光刻工艺，显影掉曝光部分，制备背栅型纳米线场效应晶体管，通过磁控溅射的方式蒸镀一对厚度为50nm的镍金属薄膜作为源极和漏极电极。为了去除纳米线表面的氧化物并确保电极和纳米线之间良好的欧姆接触，在蒸镀电极之前采用1％的氢氟酸腐蚀10秒，即得ingaas纳米线光电探测器。
10.(3)单分子层表面改性处理
11.在单分子层表面改性过程中，使用硫化铵及芳香族硫醇化合物(no
2-c6h4sh、f-c6h4sh、ch3o-c6h4sh、ch
3-c6h4sh)，在氮气气氛下对ingaas纳米线表面进行改性处理。首先将步骤(3)中的器件在1％的氢氟酸中浸泡6秒并用去离子水清洗干净，随后将器件浸泡在浓度为30
×
10-3
m的表面改性剂溶液中12小时，从表面改性剂中取出的器件后经过无水乙醇冲洗并用气枪吹干，即得单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器。
12.本发明与现有技术相比，在器件的制备过程中通过简单的单分子层表面改性处理能够有效调节纳米线的电子转移性能，提高ingaas纳米线光电探测器的光电性能和稳定性，其制备工艺成熟、简单、高效，能够应用于大规模器件制备，在光电器件、探测器和柔性器件领域具有广阔的应用前景。
附图说明
13.图1：本发明中使用固态源化学气相沉积法制备出的高质量ingaas纳米线的sem图片。
14.图2：本发明中使用的组分为in
0.56
ga
0.44
as的纳米线eds图片。
15.图3：本发明提出的单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器的三维结构示意图；
16.图中：3.1-p型硅片衬底，3.2-sio2氧化层，3.3-单分子层表面改性ingaas纳米线沟道，3.4-镍电极。
17.图4：本发明中ingaas纳米线光电探测器的制备流程图；
18.图中：4.1-滴涂纳米线，4.2-依次旋涂lor3a和az5214光刻胶，4.3-曝光，4.4-显影，4.5-磁控溅射镍金属，4.6-剥离形成源漏电极。
19.图5：为本发明的单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器和未经单分子层表面改性的ingaas纳米线光电探测器的光电测试结果图；
20.图中：5.1-单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器和未经单分子层表面改性的ingaas纳米线光电探测器的转移特性曲线图，5.2-单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器的输出特性曲线图，5.3-ingaas纳米线光电探测器的光响应特性曲线图，5.4-单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器的光响应特性曲线图。
具体实施方式
21.本发明的单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器的结构，如图3所示，结构从下至上依次是，3.1-p型硅片衬底，3.2-sio2氧化层，3.3-单分子层表面改性ingaas纳米线沟道，3.4-镍电极。
22.其中，本发明的硅片衬底为表面有50nm厚的sio2氧化层的掺硼p型硅片。
23.本发明的ingaas纳米线是使用固态源化学气相沉积法在非晶衬底上生长的，纳米线生长的催化剂为0.5nm厚的金薄膜。通过两步法生长出的ingaas纳米线sem图如图1所示，平均直径约30nm，长度5-10μm，具有单晶闪锌矿结构，结晶度高，展现出良好的形貌特征。
24.本发明的表面改性剂溶液为硫化铵及芳香族硫醇化合物(no
2-c6h4sh、f-c6h4sh、ch3o-c6h4sh、ch
3-c6h4sh)，优选浓度为30
×
10-3
m，处理时间为12小时。
25.本发明的镍电极是通过磁控溅射技术沉积而成，镍电极优选厚度为50nm。
26.如下为本发明的实施例，对本发明进行进一步解释说明，但不限于以下实施例。
27.实施例1：单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器的制备方法
28.制备单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器，本发明的制备方法步骤如下：
29.(1)ingaas纳米线的制备
30.使用固态源化学气相沉积法在非晶基底上制备出高质量高结晶度的ingaas纳米线。通过热蒸发的方式在衬底上镀一层0.5nm厚的金薄膜作为纳米线生长的催化剂，采用两步法生长工艺制备ingaas纳米线。以高纯inas和gaas粉末为蒸发源，在两温区真空管式炉中使用高纯氢气作为载气，将蒸发源传输到下游镀金催化剂的生长基片上进行化学气相沉积生长。
31.(2)ingaas纳米线光电探测器器件组装
32.将步骤(1)生长好的ingaas纳米线放入无水乙醇中，通过超声处理的方式使纳米线悬浮于无水乙醇中；随后将纳米线的悬浮液滴涂在硅片基底上，依次使用lor3a和az5214光刻胶，采用正胶光刻工艺，显影掉曝光部分，制备背栅型纳米线场效应晶体管，通过磁控溅射的方式蒸镀一对厚度为50nm的镍金属薄膜作为源极和漏极电极。为了去除纳米线表面的氧化物并确保电极和纳米线之间良好的欧姆接触，在蒸镀电极之前采用1％的氢氟酸腐蚀10秒，即得ingaas纳米线光电探测器。
33.(3)单分子层表面改性处理
34.在单分子层表面改性过程中，使用硫化铵及芳香族硫醇化合物(no
2-c6h4sh、f-c6h4sh、ch3o-c6h4sh、ch
3-c6h4sh)，在氮气气氛下对ingaas纳米线表面进行改性处理。首先将步骤(3)中的器件在1％的氢氟酸中浸泡6秒并用去离子水清洗干净，随后将器件浸泡在浓度为30
×
10-3
m的表面改性剂溶液中12小时，从表面改性剂中取出的器件后经过无水乙醇冲洗并用气枪吹干。制备完成的器件如图3所示。
35.实施例2：ingaas纳米线光电探测器(未经单分子层表面改性)的光电测试
36.一种ingaas纳米线光电探测器(未经单分子层表面改性处理)，该器件结构包括：表面有50nm厚的sio2氧化层的掺硼p型硅片作为器件的衬底；未经单分子层表面改性处理的ingaas纳米线作为器件的光吸收和电子传输沟道；未经单分子层表面改性处理的ingaas纳米线两侧是镍电极连接外部电源。参考图5.1中虚线转移特性曲线，未经单分子层表面改性处理的ingaas纳米线展现出n型半导体特性，其开态电流为10-7
a，关态电流为10-9
a，阈值
电压为-1.3v。在室温、标准大气压强的环境下进行测试，采用1550nm激光器作为测试光源，光源光功率为1.2mw mm-2
，在vg＝-1v下的光响应特性曲线如图5.3所示。
37.实施例3：单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器的光电流测试
38.一种单分子层表面改性ingaas纳米线光电探测器，该器件结构包括：表面有50nm厚的sio2氧化层的掺硼p型硅片作为器件的衬底；经单分子层表面改性处理的ingaas纳米线作为器件的光吸收和电子传输沟道；经单分子层表面改性处理的ingaas纳米线两侧是镍电极连接外部电源。参考图5.1中实线转移特性曲线，经单分子层表面改性处理的ingaas纳米线展现出n型半导体特性，其开态电流约为10-6
a，关态电流为10-9
a，阈值电压为-3.7v。经过单分子层表面改性处理后，器件仍然保持着良好的欧姆接触，如图5.2所示。在室温、标准大气压强的环境下进行测试，采用1550nm激光器作为测试光源，光源光功率为1.2mw mm-2
，在vg＝-1v下的光响应特性曲线如图5.4所示，器件的恢复时间为200ms，响应时间为18ms。
39.根据实施例2和3的实验结果表明，经单分子层表面改性处理的ingaas纳米线光电探测器产生的光电流是未经单分子层表面改性处理的ingaas纳米线光电探测器的3倍左右，表面处理后器件的阈值电压负向移动了约2.4v，开关电流比约提高了10倍，器件获得了较好的电学性能。说明本发明的光电探测器能够有效产生更多的光电流，增加器件的光响应度和稳定性。
40.以上为本发明的一种单分子层表面改性的ingaas纳米线光电探测器及其制备方法的详细介绍，对本发明的基本结构、制备方法和实施方式进行描述，上述实施例用于帮助解释本发明的基本思想。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明进行若干改进和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。