一种3D树枝状结构的光电探测器及其制作方法与流程

本发明涉及一种三维(3d)树枝状结构的光电探测器及其制作方法，属于光电探测器领域。

背景技术：

光电探测器在光波通讯、成像技术、光电电路、未来的光存储、空间探索、环境监测、生物和医疗等领域的作用至关重要。一维(1d)半导体纳米线结构由于其完美的结晶性、较大的比表面积和较高的载流子迁移率，被认为是构建未来高性能纳米器件的重要基本组成单元。然而，由于单一成分的1d半导体纳米线有限的光吸收和光电转换效率，使得纳米线基光电探测器很难获得广泛的光谱响应，大大限制了他们在光电开关、光学存储和紫外/可见光成像等宽光谱敏感器件中的应用。为克服上述问题，由两种不同物质组成的三维(3d)树枝状纳米材料及其在光电、光催化、光伏和传感器方面的应用受到了广泛的关注。由于此特殊结构集成了两种不同材料，可以利用两种材料的不同特性来获得各种功能的集成，从而实现单一组分材料所不能达到的效果。另外，由于其树枝状结构的超大比表面积，可以有效的提高光吸收率、增大材料与探测物质的接触面积。而且，相对于较大尺寸的纳米线主干，更小尺寸的纳米线枝杈可以使载流子更高效的分离和收集。

zno和sic由于其各自优异的光电特性，近些年在光电探测器领域得到了极大的关注。然而由于zno的氧空位和锌填隙的本征缺陷，导致其制备的光电探测器的光电流不稳定而且响应时间长。并且zno的禁带宽度为3.37ev，只能吸收紫外光，这也限制了zno基光电探测器在其他方面的应用。

技术实现要素：

为了解决zno基紫外探测器所表现出来的问题，本发明的目的是提供一种3d树枝状结构的光电探测器及其制作方法，以提高光电探测器的性能和应用范围。

为了实现以上目的，本发明的光电探测器所采用的技术方案是：

一种3d树枝状结构的光电探测器，该光电探测器包括si衬底，在si衬底表面沉积有绝缘的sio2层，在sio2层的表面设置有3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料，在3c-sic/zno树枝状异质结材料两端沉积有金属电极，且形成欧姆接触。

所述的3c-sic/zno树枝状结构异质结材料的个数为1～20根；所述的金属电极为al、ti/au、cr/au、ni/au、ti/al/ti/au或ti/al/ni/au；所述的金属电极的厚度为100至200纳米。

所述的3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料中，自内而外依次有3c-sic纳米线主干、zno种子层、zno纳米线枝杈，3c-sic纳米线为三维树枝状结构的主干、zno纳米线为三维树枝状结构的枝杈。

所述的3c-sic纳米线主干的长度为100纳米至1毫米，直径为10纳米至10微米；所述的zno纳米线枝杈的长度为20纳米至20微米，直径为10纳米至1微米。

所述的3d树枝状结构的光电探测器的制作方法，包括如下步骤：

1)取相同摩尔数的二氧化硅和碳的粉末在石英舟中混合均匀，将混合后的粉末放入高温管式炉中加热并保温，在加热过程中持续通入保护性气体，得到3c-sic纳米线；

2)利用沉积的方法在已合成的3c-sic纳米线表面均匀的溅射一层zno种子层；

3)将20～30mm的六水合硝酸锌和20～30mm的六亚甲基四胺晶体放入80～120ml的水中充分搅拌，将搅拌后的溶液转移至水热反应釜中；将溶液加热并保温，得到3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料；

4)将得到的3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料放入管式炉中，在300～400℃的温度下退火0.5～2小时；

5)利用超声振荡、旋涂的方法，将3c-sic/zno树枝状结异质结材料转移至表面长有sio2层的si基片上；采用光刻工艺和剥离技术在树枝状异质材料的两端沉积一层金属电极，形成最终的3c-sic/zno树枝状紫外/可见光电探测器。

所述的3d树枝状结构的光电探测器的制作方法，步骤(1)中，所述的加热温度为1200～1400℃，保温时间为0.5～2h。

所述的3d树枝状结构的光电探测器的制作方法，步骤(1)中，所述的保护性气体为氩气或氮气。

所述的3d树枝状结构的光电探测器的制作方法，步骤(2)中，所述的沉积的方法为磁控溅射、电化学沉积、分子束外延、溶胶-凝胶、化学气相沉积或原子层沉积；所述的zno种子层的厚度为10～100纳米。

所述的3d树枝状结构的光电探测器的制作方法，步骤(3)中，所述的搅拌的时间为10～60分钟；所述的加热温度为70～90℃，保温时间为1～8小时。

所述的3d树枝状结构的光电探测器的制作方法，步骤(5)中，所述的sio2层的厚度为100～500纳米。

本发明具有以下优点及有益效果：

1)本发明中的3c-sic纳米线主干和zno纳米线枝杈晶格匹配度高、热失配率小，有利于zno纳米线在3c-sic纳米线上的生长和光生载流子的转移。

2)由于zno的导带高于3c-sic的导带，使得zno枝杈的光生载流子会更有效的转移至3c-sic主干上，从而更容易被电极收集。因此将这两种材料组装成三维树枝状结构将会使光电探测器的性能得到大幅度的提高。

3)zno的能带较大(3.37ev)可以吸收紫外光，3c-sic的能带较小(2.3ev)可以吸收可见光，将这两种材料复合将拓宽光电探测器的应用领域。

4)本发明这种特殊的3d树枝状结构相对于单一成分的三维块状结构、二维薄膜结构、一维纳米线结构，不仅集成了两种材料的优点，而且极大的增加了材料的吸光面积。

附图说明

图1为本发明的制备流程图。

图2是3d树枝状结构光电探测器的三维结构示意图；图中，1、si基底；2、绝缘sio2层；3、3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料；4、金属电极。

图3是3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料的三维示意图。图中，3、3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料；5、3c-sic纳米线主干；6、zno种子层；7、zno纳米线枝杈。

图4是3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料的sem图像。

图5是3d树枝状结构光电探测器在不同波长光照下的iv特性曲线。

图6是3d树枝状结构光电探测器在370nm光照条件下，不同光功率的iv特性曲线。

图7是3d树枝状结构光电探测器的开光特性曲线。

具体实施方式：

以下，结合附图和实施例详细叙述本发明。

参照图1，本发明的制备流程如下：

本发明的3d树枝状结构的光电探测器的制作方法，首先，利用热碳还原的方法制备3c-sic纳米线主干；然后，采用沉积的方法在3c-sic纳米线表面沉积一层zno种子层；再利用水热的方法在zno种子层上生长zno纳米线枝杈，形成3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料；最后，将单根3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料转移至sio2/si衬底，利用光刻和剥离技术在异质结材料两端镀上金属电极，既得所述光电探测器。

参照图2，本发明的3d树枝状结构光电探测器，该器件的结构为金属-半导体-金属接触型，自下而上依次为：si基底1、绝缘sio2层2、3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料3，3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料3的两端为金属电极4。金属电极4分别覆盖在3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料3的两端，且形成欧姆接触。

参照图3，本发明的3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料3，自内而外依次有3c-sic纳米线主干5、zno种子层6、zno纳米线枝杈7。

实施例：

1)取0.1mol的高纯度(99.99wt％)sio2和c的粉末在石英舟中混合均匀，然后将混合后的粉末放入高温管式炉中，加热至1400℃并恒温30分钟。在加热过程中持续通入流量为100ml/min的ar气。在高温下，硅蒸汽的碳化将会产生大量的3c-sic纳米线，其直径约为200nm，长度约为几十微米。

2)将3c-sic纳米线放入磁控溅射沉积设备的反应腔中，选择zno陶瓷靶作为靶材，调节溅射功率为80w、溅射时间为10min、ar气流量为8sccm，利用射频磁控溅射的方法在已合成的3c-sic纳米线表面均匀溅射一层厚度为50nm的zno种子层。

3)将25mm的六水合硝酸锌和六亚甲基四胺晶体放入100ml的水中搅拌30分钟。然后将搅拌后的溶液转移至水热反应釜中，将溶液加热到90℃并保温4小时，得到3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料，其中zno纳米线枝杈的长度约为300nm、直径约为50nm。

4)将得到的3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料放入管式炉中，在350℃的温度下退火1小时，以提高材料的结晶质量。

5)以表面长有厚度为100纳米sio2层的si片作为绝缘衬底，分别在去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗10分钟，并用氮气吹干。用酒精作为分散液，将3c-sic/zno树枝状结构异质结材料加入分散液，超声振荡使异质结材料均匀悬浮在分散液中。将含有3c-sic/zno树枝状结构异质结材料的分散液滴在sio2/si绝缘衬底上，利用旋涂的方法，使滴在sio2/si基底上的每根3c-sic/zno树枝状结构互相分离。挑选其中一根树枝状结构异质结材料，采用传统的光刻工艺和剥离技术在树枝状结构异质结材料的两端沉积一层ti/au金属电极，形成最终的3c-sic/zno3d树枝状结构光电探测器。

参照图4，从3c-sic/zno三维树枝状结构异质结材料的sem图像可以看出，本发明的3c-sic/zno异质结材料有着树枝状结构，3c-sic纳米线为树枝状结构的主干，zno纳米棒为树枝状结构的枝杈。并且，zno纳米棒枝杈很好的覆盖在3c-sic纳米线主干表面。材料尺寸均一、形貌整齐、可重复性高。

参照图5，从3d树枝状结构光电探测器在不同波长光照下的iv特性曲线可以看出，本发明的光电探测器在没有光照的条件下显示出很小的暗电流，0.68na(3v偏压条件下)。当有光照并且光子能量大于3c-sic(2.3ev)或zno(3.37ev)能带时，光电探测器产生了很强的光电流。同时，随着入射光波长的减小，光电流逐渐增加。在3v偏压、350nm光照条件下，本发明的光电探测器的光电流可达到127.7na，显示出探测器较大的光电流增益以及非常优异的波长选择特性和光响应特性。

参照图6，从不同光功率的iv特性曲线可以看出，随着入射光(350nm)功率的增加光电流也逐渐增加，表明本发明的光电探测器非常优秀的光强敏感特性。

参照图7，从3d树枝状结构光电探测器的开光特性曲线可以看出，本发明的光电探测器的光、暗电流稳定、开关重复性高，并且响应时间快(约40ms)，显示出非常优异的光电信号转换特性和开关特性。

实施例结果表明，相比于传统的光电探测器，本发明这种由特殊的3d树枝状结构制作的光电探测器具有更大的吸光面积和吸光范围，以及更有效的光生载流子分离率、更高的光电流增益和更快的光响应速度。其制作工艺简单、成本低，有利于广泛应用。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。