一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器及其制备方法技术

本发明专利技术属于光探测技术领域，具体涉及一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器，该具有纳米复合异质结构的红外光探测器，由上至下依次包括金属In点电极、金属Pd前电极、WO3‑x‑WSe2复合薄膜层、SiO2绝缘缓冲层、Si单晶基底和金属In背电极。WO3‑x‑WSe2复合薄膜层是通过在Si基底上射频磁控溅射WSe2薄膜及在空气中进行热处理制备的。测试结果显示，所制备薄膜器件表现出良好的红外光响应性能，具有响应速度快等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器及其制备方法
本专利技术属于光探测
，具体涉及一种红外光探测器及其制备方法。
技术介绍
光电探测器是指一种能将光信号转变为电信号的电子器件。红外光探测器已被广泛地应用于红外制导、生物成像、无损检测、通讯、环境监测等领域。但是目前报道的大部分红外光探测器具有成本高、制备工艺复杂等缺点，这严重阻碍了光探测器在实际生活中的应用[ACSnano,2017,11(7):7118]。因此，用更简单的工艺以及更低廉的成本制备高性能的光探测器具有重要的意义。硅是现代电子学中最常用的半导体，在商业电子设备市场中具有决定性的地位。但是，目前商用的硅基光探测器性能一般[NaturePhotonics,2016,10(2):81-92]，故进一步提升硅基光探测器的性能，获得具有更优性能的光探测器是非常有必要的。过渡金属硫属化合物由于具有优异的光电性能，已经被广泛地应用于光电子领域。另外，近些年来，有研究人员发现，过渡金属硫属化合物在空气中性质不稳定[ACSnano,2016,10(5):5153-5160]，这阻碍了其在实际生活中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构的红外光探测器及其制备方法，可以解决目前Si基红外光探测器的性能一般以及WSe2在空气中不稳定的问题。本专利技术为实现上述目的所要解决的技术问题是，通过磁控溅射以及氧化处理的方法，提高红外光探测器的性能；即通过磁控溅射和氧化处理方法制备WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构，从而增强其红外光探测能力。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是，一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器，其特征在于，为层状结构，由上至下依次包括金属In点电极、金属Pd前电极、WO3-x-WSe2复合薄膜层、SiO2绝缘缓冲层、Si单晶基底和金属In背电极；其中：优选的，所述Si单晶基底是单面抛光，晶面取向为(100)面，导电类型为n型，电阻率为1～3欧姆·厘米；优选的，所述SiO2绝缘缓冲层的厚度为1-3纳米；优选的，所述Si基底表面还覆盖有掩膜片，掩膜片位于WO3-x-WSe2复合薄膜层和带有SiO2绝缘缓冲层的Si基底之间；优选的，所述金属In点电极和金属In电极连接金属Cu导线。一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器的制备方法，包括以下步骤：(1)选取Si基底，对其进行清洗；(2)对清洗完成后的Si基底进行干燥；(3)将干燥完成的Si基底放入真空腔，在氩气环境下，采用射频磁控溅射技术，利用电离出的氩离子轰击WSe2靶材，在Si基底表面沉积WSe2薄膜层；所述WSe2靶材为WSe2陶瓷靶，靶材纯度为99.9％，所述氩气气压维持1.0帕斯卡不变，靶基距为50毫米，薄膜的沉积温度为20～25摄氏度，薄膜层厚度为40-100纳米；(4)将覆盖有WSe2薄膜层的Si基底放入管式电阻炉，在温度为100～400摄氏度下空气气氛中退火，温度上升速率为10摄氏度每分钟，至100～400摄氏度时保持30分钟，然后自然冷却至室温，得到WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构；(5)在WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构的WO3-x-WSe2侧覆盖掩膜片，然后将其放入真空腔，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的氩离子轰击金属Pd靶材，在WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构表面沉积金属Pd薄膜层；所述Pd靶材为Pd金属靶，靶材纯度为99.9％，所述氩气气压维持5.0帕斯卡不变，靶基距为50毫米，薄膜的沉积温度为20～25摄氏度，薄膜层厚度为10-30纳米；(6)将WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构背面的SiO2层用物理方法除去；(7)分别在金属Pd前电极和Si基底上完成金属电极的压制，并引出金属导线，完成器件的制备。优选的，步骤(1)中，所述Si基底为n型Si单晶基底，尺寸为10毫米×10毫米，电阻率为1～3欧姆·厘米；清洗过程如下：将Si基底依次在高纯酒精和丙酮溶液中多次超声清洗，每次清洗时间长度为180秒。优选的，步骤(2)中，所述Si基底干燥过程是用干燥氮气将衬底吹干，氮气纯度为99.95％。优选的，步骤(3)中，所述真空腔的背底真空度为5×10-5帕斯卡，真空条件是由机械泵和分子泵双级真空泵共同制得。优选的，步骤(5)中，所述掩模片材料为不锈钢，厚度为0.1毫米，尺寸为10毫米×10毫米，孔径尺寸为5毫米×5毫米；所述真空腔的背底真空度为5×10-5帕斯卡，真空条件是由机械泵和分子泵双级真空泵共同制得。优选的，步骤(6)中，所述物理方法为锉刀锉除法，锉除厚度为0.5毫米。优选的，步骤(7)中，所述金属电极和导线材料分别是In和Cu，其中In的纯度为99.5％，金属Pd薄膜层上金属In电极大小和厚度分别为1毫米×1.5毫米和1毫米，Si基底上金属In电极大小和厚度均分别为10毫米×10毫米和2毫米，Cu导线直径为0.1毫米。上述具有红外光探测能力的器件可在制备红外光探测器方面进行应用。本专利技术的有益技术效果是：专利技术通过在Si基底表面沉积WSe2薄膜，并进行简单的氧化，利用制备的纳米复合异质结构优异光敏性能，研制出具有对红外光具有敏感效应的薄膜器件。测试结果显示：所制备的薄膜器件对红外光具有明显的敏感性能，即在红外光照条件下器件反向电流显著增加。所制备薄膜器件对红外光响应随光照强度的增加而增大。同时，该器件对红外光响应具有响应速度快、周期重复性好等优点。与目前存在的红外光探测器相比较，本专利技术所涉及器件的制备方法简单，成本低廉，并具有红外光响应性能显著等优点，可广泛应用于红外光探测领域。附图说明图1为所制备器件红外光探测性能测量的结构示意图。图2为光照和黑暗条件下所制备器件的I-V曲线比较。图3为器件的器件对红外光的周期响应性能。具体实施方式本专利技术利用射频磁控溅射技术，在Si半导体基底上沉积WSe2薄膜层，通过在空气中热处理得到WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构，通过直流磁控溅射技术沉积金属Pd前电极并压制金属In电极和连接金属导线，形成器件。当暴露于红外光下时，由于光电效应，纳米复合异质结构中产生光生载流子，这导致器件电流发生明显变化，从而使所制备的WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构对红外光表现出明显的响应性能。下面结合实施例和附图，对本专利技术进行详细说明。本专利技术是一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器，包括WO3-x-WSe2复合薄膜层和Si半导体基底，Si基底作为WO3-x-WSe2复合薄膜层的载体，WO3-x-WSe2复合薄膜层设置在Si基底表面。Si基底为n型Si单晶基底，电阻率为1～3欧姆·厘米，结晶取向为(100)取向。所述WO3-x-WSe2复合薄膜层是采用射频磁控溅射技术及空气中热处理技术制备的，厚度为40～100纳米。进一步地说，所述WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构表面还覆盖有掩模片，掩模片位于WO3-x-WSe2复合薄膜层与金属Pd前电极之间，掩模片所用材料为不锈钢，掩模片厚度为0.1毫米，尺寸为10毫米×10毫米，孔径尺寸为5毫米×5毫米；金属Pd前电极是利用直流磁控溅射技术制备的，厚度为10～30纳米。更进一步地，在金属Pd前电极上和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器，其特征在于：包括金属In点电极、金属Pd前电极、WO3‑x‑WSe2复合薄膜层、SiO2绝缘缓冲层、Si单晶基底和金属In背电极，WO3‑x‑WSe2复合薄膜层设置在Si基底表面，WO3‑x‑WSe2复合薄膜层厚度为40‑100纳米，金属Pd前电极在WO3‑x‑WSe2复合薄膜层表面，金属In电极分别压制于金属Pd前电极和Si基底表面。

【技术特征摘要】
1.一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器，其特征在于：包括金属In点电极、金属Pd前电极、WO3-x-WSe2复合薄膜层、SiO2绝缘缓冲层、Si单晶基底和金属In背电极，WO3-x-WSe2复合薄膜层设置在Si基底表面，WO3-x-WSe2复合薄膜层厚度为40-100纳米，金属Pd前电极在WO3-x-WSe2复合薄膜层表面，金属In电极分别压制于金属Pd前电极和Si基底表面。2.根据权利要求1所述的一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器，其特征在于：所述Si基底为n型Si单晶基底，电阻率为1～3欧姆·厘米。3.根据权利要求1所述的一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器，其特征在于：所述金属In电极连接金属Cu导线。4.一种具有纳米复合异质结构的红外光探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选取Si基底，对其进行清洗；(2)对清洗完成后的Si基底进行干燥；(3)将干燥完成的Si基底放入真空腔，在氩气环境下，采用射频磁控溅射技术，利用电离出的氩离子轰击WSe2靶材，在Si基底表面沉积WSe2薄膜层；所述WSe2靶材为WSe2陶瓷靶，靶材纯度为99.9％，所述氩气气压维持1.0帕斯卡不变，靶基距为50毫米，薄膜的沉积温度为20～25摄氏度，薄膜层厚度为40-100纳米；(4)将覆盖有WSe2薄膜层的Si基底放入管式电阻炉，在温度为100～400摄氏度下空气气氛中热处理，温度上升速率为10摄氏度每分钟，至100～400摄氏度时保持30分钟，然后自然冷却至室温，得到WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构；(5)在WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构的WO3-x-WSe2侧覆盖掩膜片；将覆盖有掩膜片的WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构放入真空腔；采用直流磁控溅射技术，利用电离出的氩离子轰击金属Pd靶材，在WO3-x-WSe2/Si纳米复合异质结构表面沉积金属Pd前电极；所述Pd靶材为Pd金属靶，靶材纯度为99.9％；所述氩气气压维持5.0帕斯卡不变，靶基...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌翠翠，郭天超，薛庆忠，李晖，李潇，赵琳，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37