基于硒化铟/硅的光电探测器及制备方法与流程

本发明属于新型光电探测器领域，具体涉及硒化铟纳米合成半导体材料与体硅形成的光电探测器。

背景技术：

光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途，如在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等。目前科学研究和市场发展领域利用半导体材料和体硅结合形成高效快速的光电探测器的研究正发展迅猛。

由于其特殊的电学和光学性能，III‐VI半导体材料在电子和光电子器件的具有巨大的潜在应用，在这些半导体中，硒化铟是一种重要的层叠型半导体，且具有最佳的直接带隙，有效可见光吸收和相变记忆效应。这使得它作为一种在如太阳能能量转换，温差发电，随机存取存储器等不同的领域中有希望的参与者。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种方便快速其能定形的合成γ‐In2Se3纳米薄膜技术，同时将此纳米材料与硅结合形成响应效率高，速度快的新型光电探测器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于硒化铟/硅的光电探测器，该光电探测器自下而上依次具有底电极、n型硅基体和二氧化硅隔离层，所述的二氧化硅隔离层上开有硅窗口，使二氧化硅隔离层成回形结构，在二氧化硅隔离层的上表面覆盖顶电极，顶电极的边界小于二氧化硅隔离层的边界(顶电极的内边界小于二氧化硅隔离层的内边界，顶电极的外边界小于二氧化硅隔离层的外边界)；在顶电极的上表面覆盖硒化铟薄膜，硒化铟薄膜分别与顶电极内侧壁、二氧化硅隔离层上表面、二氧化硅隔离层内侧壁和硅窗口的上表面接触；硒化铟薄膜与n型硅基体接触形成硒化铟/硅异质结。

进一步地，所述底电极是与n型硅基体形成欧姆接触的电极，材料为镓铟共晶合金。

进一步地，所述顶电极是与硒化铟薄膜形成欧姆接触的电极，材料为铬金电极。

进一步地，所述n型硅基体的厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm。

进一步地，所述二氧化硅隔离层的厚度为200～500nm。

进一步地，所述硒化铟薄膜的厚度为10～30nm。

一种基于硒化铟/硅的光电探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将商业标准4英寸低掺n型单抛氧化硅片(300nm厚度SiO2，电阻率为1～10Ω·cm，硅部分的厚度为300～500μm)，通过丙酮溶液、异丙醇分别超声3‐5分钟后，用去离子水超声5min并用高纯氮吹干净，在硅片上通过光刻工艺(一次光刻)定义出电极图案，然后采用电子束蒸发技术，生长厚度约为5nm的铬黏附层，再用热蒸发技术生长厚度60nm的金电极，即顶电极，该金电极的宽度为10～50μm，接着进行剥离和清洗工艺；

(2)通过光刻工艺(二次光刻)定义硅窗口图案，并用标准缓冲氧化刻蚀剂BOE溶液(体积比NH4F：HF＝6：1)，通过湿法刻蚀去除的二氧化硅(刻蚀时间4分钟)裸露出硅表面，该硅窗口为边长100～500μm的方孔；

(3)用涉及热喷射的简单胶质合成方法来合成γ‐In2Se3纳米花材料。具体为：将24mmol的二氧化硒和30ml的1‐十八烯倒入100ml的三颈烧瓶中，并在氩气环境中200℃的温度下搅拌加热数小时，直到二氧化硒完全溶解，形成0.8M硒前体溶液。将1mmol氯化铟，8mmol的1‐十六胺，15ml的1‐十八烯和6ml油酸在室温下脱气，然后在220℃加热30分钟，形成透明的黄色铟前体溶液。将8ml的0.8M硒前体溶液迅速注入到加热至220℃的黄色铟前体溶液。将混合物搅拌10分钟，然后冷却到室温，获得固体γ‐In2Se3纳米花。将所获得的固体γ‐In2Se3纳米花通过离心法收集，用氯仿和异丙醇洗涤数次，并在60℃的真空下干燥，得到硒化铟材料。

(4)将步骤3制得的硒化铟材料溶解在乙醇溶剂中，悬涂在顶电极上表面、顶电极内侧壁、二氧化硅隔离层上表面、二氧化硅隔离层内侧壁和硅窗口的上表面，悬涂条件是500r/min,30s。悬涂后在70℃的热板上烘干10min。

(5)在n型硅基体底部涂覆镓铟共晶合金，并用导电铜箔胶带粘接金线至镓铟合金上，引出金线；在上表面的金电极上通过引线键合技术将金线引出。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明采用新的制备硒化铟纳米材料的方法，将其做成纳米花状的III‐VI半导体薄膜，从而可以与硅形成良好接触，应用到光电探测器上，形成硒化铟/硅这种新型的异质pn结。获得的光电探测器具有响应高(开关比为1570)，响应时间短(175us)以及强稳定性。本发明的光电探测器基体材料，制备过程简单，成本低，易与现有半导体标准工艺兼容，并能集成到标准的PCB电路上。

附图说明

图1为本发明光电探测器的三维结构示意图；

图2本发明光电探测器在880nm波长的不同功率光照下的光电响应；

图中，n型硅基体1、二氧化硅隔离层2、顶电极3、硒化铟薄膜4、硅窗口5、底电极6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于硒化铟/硅的光电探测器，该光电探测器自下而上依次具有底电极6、n型硅基体1和二氧化硅隔离层2，所述的二氧化硅隔离层2上开有硅窗口5，使二氧化硅隔离层2成回形结构，在二氧化硅隔离层2的上表面覆盖顶电极3，顶电极3的边界小于二氧化硅隔离层2的边界(顶电极3的内边界小于二氧化硅隔离层2的内边界，顶电极3的外边界小于二氧化硅隔离层2的外边界)；在顶电极3的上表面覆盖硒化铟薄膜4，硒化铟薄膜4分别与顶电极3内侧壁、二氧化硅隔离层2上表面、二氧化硅隔离层2内侧壁和硅窗口5的上表面接触；硒化铟薄膜4与n型硅基体1接触形成硒化铟/硅异质结。

进一步地，所述底电极6是与n型硅基体1形成欧姆接触的电极，材料为镓铟共晶合金。

进一步地，所述顶电极3是与硒化铟薄膜4形成欧姆接触的电极，材料为铬金电极。

进一步地，所述n型硅基体1的厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm。

进一步地，所述二氧化硅隔离层2的厚度为200～500nm。

进一步地，所述硒化铟薄膜4的厚度为10～30nm。

一种基于硒化铟/硅的光电探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将商业标准4英寸低掺n型单抛氧化硅片(300nm厚度SiO2，电阻率为1～10Ω·cm，硅部分的厚度为300～500μm)，通过丙酮溶液、异丙醇分别超声3‐5分钟后，用去离子水超声5min并用高纯氮吹干净，在硅片上通过光刻工艺(一次光刻)定义出电极图案，然后采用电子束蒸发技术，生长厚度约为5nm的铬黏附层，再用热蒸发技术生长厚度60nm的金电极，即顶电极，该金电极的宽度为10～50μm，接着进行剥离和清洗工艺；

(2)通过光刻工艺(二次光刻)定义硅窗口图案，并用标准缓冲氧化刻蚀剂BOE溶液(体积比NH4F：HF＝6：1)，通过湿法刻蚀去除的二氧化硅(刻蚀时间4分钟)裸露出硅表面，该硅窗口为边长100～500μm的方孔；

(3)用涉及热喷射的简单胶质合成方法来合成γ‐In2Se3纳米花材料。具体为：将24mmol的二氧化硒和30ml的1‐十八烯倒入100ml的三颈烧瓶中，并在氩气环境中200℃的温度下搅拌加热数小时，直到二氧化硒完全溶解，形成0.8M硒前体溶液。将1mmol氯化铟，8mmol的1‐十六胺，15ml的1‐十八烯和6ml油酸在室温下脱气，然后在220℃加热30分钟，形成透明的黄色铟前体溶液。将8ml的0.8M硒前体溶液迅速注入到加热至220℃的黄色铟前体溶液。将混合物搅拌10分钟，然后冷却到室温，获得固体γ‐In2Se3纳米花。将所获得的固体γ‐In2Se3纳米花通过离心法收集，用氯仿和异丙醇洗涤数次，并在60℃的真空下干燥，得到硒化铟材料。本发明采用新的制备硒化铟纳米材料的方法，将其做成纳米花状的III‐VI半导体薄膜，从而可以与硅形成良好接触，应用到光电探测器上，形成硒化铟/硅这种新型的异质pn结，且部分与顶电极接触形成良好欧姆接触，将载流子导出。

(4)将步骤3制得的硒化铟材料溶解在乙醇溶剂中，悬涂在顶电极3上表面、顶电极3内侧壁、二氧化硅隔离层2上表面、二氧化硅隔离层2内侧壁和硅窗口5的上表面，悬涂条件是500r/min,30s。悬涂后在70℃的热板上烘干10min。

(5)在n型硅基体底部涂覆镓铟共晶合金，并用导电铜箔胶带粘接金线至镓铟合金上，引出金线；在上表面的金电极上通过引线键合技术将金线引出。

采用本发明制备的基于硒化铟/硅的光电探测器响应范围广，本实施例制得的光电探测器的响应曲线如图2所示，光电探测器响应高，响应时间短，强稳定性。本发明中的光电探测器可以扩展到采用成熟的工业半导体硅技术结合封装制备成新型光电传感器件，市场化前景可观。