单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体光电器件技术领域，具体涉及一种基于单晶碳化硅纳米线且能胜任高温工作的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法。
【背景技术】
[0002]紫光光电探测器是将波长范围为380-435nm的光信号转换为电信号的半导体器件，主要应用于生化检测、可燃性气体尾焰探测及导弹羽烟的紫外辐射探测等领域。SiC具有较宽的带隙(2.4-3.3eV)，能够检测500nm以下的光源，对近紫外和紫光具有很好的响应，且具有固有的高饱和电子迀移率、高抗击穿场强、低热膨胀系数等诸多优势，完全能够胜任大功率、高温苛刻环境中的近紫外和紫光的灵敏探测。值得指出的是，其最高工作温度有可能超过600 °C。
[0003]半导体材料晶体的质量决定着材料的紫外光电探测性能，制备高灵敏度和恢复时间短的紫外光电探测器，要求感光材料具有高的晶体结晶质量。目前传统工艺制备的SiC块材或者薄膜都无法得到高质量的单晶晶体，限制了其在紫外光电探测方面的应用。
[0004]一维纳米结构通常是单晶材料，晶体质量高，缺陷少，有望实现单光子灵敏度的检测，成为研发新颖的、性能优异的紫外探测器的理想材料。有研宄表明单根氧化锌纳米线的紫外光电响应和恢复时间为20-80毫秒，光电流响应强度2.6X 103A/W，性能优异。然而，已有技术所研发的基于SiC基光电探测器几乎都是基于SiC单晶片或薄膜制备而成的，基于单晶SiC —维纳米线的高灵敏光电探测器的研发，依然面临挑战。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决问题是实现基于单晶SiC纳米线能高灵敏且能胜任高温环境下对紫光响应的新型光电探测器的研发。
[0006]具体地说，以Si02/Si基片为衬底，以单根碳化硅(SiC)单晶纳米线为核心敏感单元，以Cr/Au为金属电极的肖特基结构半导体紫光光电探测器及其制备方法。本发明的目的是解决基于传统块体或者薄膜碳化硅材料的光电探测器响应和恢复时间慢的问题，同时具有高灵敏地探测紫光及紫外光和能在高温下对上述光线进行响应。本发明提供了一种具备实用化前景的，具有高灵敏度和恢复时间短的新型紫光光电探测器的制备方法。
[0007]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法，包括以下步骤:
[0008](I)基体制备:首先将3C_SiC单晶片经标准清洗工艺清洗后，再在其表面镀金属Ni薄膜从而得到基体；
[0009](2)纳米材料制备:将步骤(I)得到的基体放入装有硅碳前躯体的坩祸中，再把坩祸放入通有保护气体Ar气的高温炉中，高温炉经I小时升温到1400°C，再保温lh，然后自然冷却到室温，从而在基体上得到高质量的SiC纳米线；
[0010](3)光电探测器构建:将步骤(2)得到的SiC纳米线超声分散在无水乙醇溶液中成纳米线分散液，然后再将纳米线分散液转移到清洗好的Si/Si02基片；在分散有纳米线的基底表面经处理得到叉指状的电极图案，然后在电极图案的表面蒸镀一层金属薄膜，再经过剥离得到叉指状的Cr/Au电极阵列，再实现单根纳米线被两电极的连接构成光探测器件。
[0011]相较于阵列状的电极，本发明方案中采用交叉指状的纳米电极可以有效地降低SiC纳米线与金属电极的接触电阻，继而形成良好的欧姆接触，通过减小噪声对测量信号的干扰，增加光探测器的灵敏度、响应速度和稳定性。
[0012]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法的一种改进，步骤(I)中硅碳前躯体为硅碳干凝胶。
[0013]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法的一种改进，硅碳干凝胶为将蔗糖溶于醇水混合溶剂并搅拌澄清后，加入TEOS和草酸后反应至TEOS充分分解，振荡搅拌，再加入六次甲基四胺和二茂镍催化剂，反应充分后再经干燥后得到。
[0014]其中:醇水混合溶剂中醇和水的体积比为(2-5): 1，醇优选为无水乙醇或者无水丙醇，水为去离子水或者DDH2O ;蔗糖的添加量为占醇水混合溶剂总质量的20-40%;蔗糖的醇水溶液搅拌澄清后TEOS加入体积与醇水混合溶剂的体积比为(0.8-1.2): 1，草酸浓度为
3.5wt%，草酸加入体积与醇水混合溶剂的体积比为(0.1-0.5):1 ;蔗糖的醇水溶液搅拌澄清后TEOS与草酸加入体积比为(1-11):1 ;35wt%六次甲基四胺和二茂镍催化剂的添加以预先制得的混合溶液的方式添加时混合溶液(可以为水溶液)的加入体积与醇水混合溶剂的体积的10-50%，35wt%六次甲基四胺用量为8-12mL，二茂镍催化剂用量为3_7g，35wt%六次甲基四胺和二茂镍催化剂的添加还可以为在反应体系中直接加入对应量的35#%六次甲基四胺和二茂镍催化剂。
[0015]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法的一种改进，步骤(I)中金属Ni薄膜厚度为5?30nm。
[0016]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法的一种改进，步骤(3)中金属薄膜包括Cr缓冲层和厚的Au电极层。
[0017]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法的一种改进，步骤(3)中金属薄膜中的Cr缓冲层为镀制在纳米线表面的底层，Au电极层在底层上。
[0018]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法的一种改进，步骤(3)中金属薄膜中Cr缓冲层厚度为5?20nm。
[0019]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法的一种改进，步骤⑶中金属薄膜中的Au电极层厚度为60?lOOnm。
[0020]本发明公开的单晶碳化硅纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备方法的一种改进，步骤(3)中Cr/Au电极阵列的剥离采用丙酮溶液浸泡。
[0021]有益效果:
[0022]相比于已报道的SiC单晶块体材料和薄膜材料，本发明实现了具有高快速响应(200ms)，恢复时间短(90ms)，高光响应度(3.3X106A/W)和高外量子效率(9.7X108% )的单晶SiC纳米线高灵敏紫光光电探测器的制备。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例一所制得的SiC纳米线的扫锚电镜(SEM)图；
[0024]图2为本发明实施例一所制得的SiC纳米线的透射电镜(TEM)图；
[0025]图3本发明实施例一所制得的(a) SiC纳米线的高分辨透射电镜(HRTEM)图及其(b)选区电子衍射(SAED)图；
[0026]图4为为本发明实施例一所构建的SiC纳米线光电探测器中单元结构示意图，其中l、Si/Si02基片；2、Cr/Au电极；3、单晶碳化娃纳米线；
[0027]图5本发明实施例一所构建的单根SiC纳米线光电探测器的扫描电镜(SEM)图；
[0028]图6为本发明实施例一所制得的单根SiC纳米线光电探测器在黑暗及420nm波长下的电流(I)-电压(V)曲线图；
[0029]图7为本发明实施例一所制得的高灵敏单根SiC纳米线光电探测器在50mV偏压及420nm紫光入射光照射下的电流(I)-时间(T)曲线图；
[0030]图8为本发明实施例一所制得的高灵敏SiC纳米线光电探测器上升时间/衰减时间的局部放大图；
[0031]图9为本发明实施例一所制得的高灵敏SiC纳米线光电探测器在50mV偏压及420nm入射光照射下的随温度从室温到200°C变化的电流(I)-时间(T)曲线图；
【具体实施方式】
[0032]为使本发明技术方案清晰明白，下面对本发明中的技术方案进行详细、完整地描述。
[0033]本发明技术方案中，以下实施例的实施时有关醇水混合时体积缩小小于Iml的则归于误差范围，不予考虑，但不应当影响实施例对于本发明权利要求书所要求范围的解释，同时在下列实施例中丙醇与乙醇的密度均以0.8g/cm3计，去离子水或者DDH2O的密度均以lg/cm3计，在所有数据转换时均精确到十分位。
[0034]以下为有关硅碳