一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的高性能红外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的高性能红外探测器及其制备方法，采用双温区气相法、选择金属锡作为催化剂和轻掺杂源，实现了高空穴迁移率GaSb纳米线的可控生长，其场效应空穴迁移率超过1000cm

A High Performance Infrared Detector Based on GaSb Nanowires with High Hole Mobility and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的高性能红外探测器及其制备方法
本专利技术涉及一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的高性能红外探测器及其制备方法，属于半导体纳米材料及器件领域。
技术介绍
半导体红外探测器在情报、监视、侦查、精确制导、激光定位等国防领域及农业监测、生物医疗、空间遥感、机器视觉等民用领域均具有重要应用。红外探测器的特征性能包括等效噪声功率或探测率、响应度、光电流增益、响应时间等。其中，响应度和响应时间是分别描述器件光电转换能力和速度的重要参数，高响应度要求探测器迁移率高、自由载流子寿命长、量子效率高、厚度小；快速响应时间要求光生载流子的扩散速度和漂移速度快。因此，提高器件的迁移率将有利于进一步提升红外探测器的性能。目前，红外探测器大多基于有毒性的碲镉汞材料，而三族锑化物半导体由于其窄带宽、高载流子迁移率以及适中的热传导系数等优点，被认为是在未来高性能红外探测器领域中替代碲镉汞的材料之一。同时，一维纳米线材料凭借其超高的比表面积、高光吸收能力、高灵敏度及低功耗的优势受到越来越多的关注。其中，锑化镓(GaSb)纳米线具有超高的理论空穴迁移率(1000cm2V-1s-1)和窄带宽(0.72eV)，在制备高性能红外探测器方面具有先天优势。虽然在之前的生长方法中，GaSb纳米线的直径、长度、生长方向和结晶度等都得到了很好的控制，场效应空穴迁移率达到了330-400cm2V-1s-1，但仍远低于高性能的电子型半导体材料，这直接导致GaSb纳米线基光电子器件的发展遇到瓶颈。因此，获得更高迁移率的GaSb纳米线并实现高性能光电子器件具有重要意义。在本征空穴型(p型)半导体中，轻掺杂将有效改善晶体质量而降低库仑散射作用，有利于空穴迁移率的提高。另一方面，在化学气相沉积合成纳米线的方法中，所使用的金属催化剂被证明可以微量的掺杂到纳米线晶格中，调控纳米线的能带结构及其电学输运性质。因此，选择合适的与现有硅工艺相兼容的金属催化剂，并实现对纳米线的轻掺杂而调控其迁移率和能带结构是现今GaSb纳米线研究面临的难点。由此可见，优化GaSb纳米线的生长方法对进一步提升其红外探性能具有重要的意义。基于上述研究现状，提出本专利技术。
技术实现思路
针对目前GaSb纳米线空穴迁移率较低的难题，以及现有的红外探测器大多基于有毒性的碲镉汞材料的缺陷，本专利技术提供一种高空穴迁移率GaSb纳米线的合成方法及基于该GaSb纳米线的高性能红外探测器件及制备方法。本专利技术通过表面活性剂辅助化学气相沉积方法、选择金属锡作为生长GaSb纳米线的催化剂和轻掺杂源，制备出密度均匀、表面光滑的高迁移率GaSb纳米线，其场效应空穴迁移率超过1000cm2V-1s-1。进一步，本专利技术利用生长的高空穴迁移率GaSb纳米线制备出响应度高、响应速度快的纳米线红外探测器件，操作简单，成本低廉。本专利技术的技术方案如下：一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件，所述半导体器件包括p型硅作为底栅电极、Si/SiO2衬底上的源极和漏极、源极和漏极之间由GaSb纳米线材料组成的沟道，所述的GaSb纳米线掺杂有锡。根据本专利技术，优选的，所述的GaSb纳米线直径为30-50纳米，长度≥10微米，纳米线表面光滑。根据本专利技术，优选的，所述的GaSb纳米线由于锡催化剂的轻掺杂作用，其禁带宽度减小到0.69eV。根据本专利技术，优选的，所述的源极和漏极为镍电极，保证与GaSb纳米线之间形成良好的欧姆接触；进一步优选的镍电极厚度为50纳米；优选的，源极和漏极的电极间距为2-5微米。一种包括上述基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件的高性能红外探测器。本专利技术还提供一种高空穴迁移率GaSb纳米线的合成方法，包括：采用双温区气相法生长，选择金属锡作为催化剂和轻掺杂源，所述的双温区包括源区和生长区，所述的源区放置GaSb半导体粉末，用于提供源材料；所述的生长区放置覆盖有锡金属催化剂的衬底，用于纳米线的生长。根据本专利技术，优选的，所述的源区和生长区之间放置表面活性剂，用于改良纳米线。根据本专利技术，优选的，纳米线生长时源区温度区间为730-780℃，生长区温度区间为530-570℃，保证了源材料的分解供给与纳米线的高质量生长；保温生长时间为20-30分钟，生长结束后，源区和生长区同时停止加热并逐渐冷却至室温。根据本专利技术，优选的，高空穴迁移率GaSb纳米线的源材料为GaSb，纯度为99.999％，粉末形态，粒径≤100目；优选的，表面活性剂为硫族元素，进一步优选硫单质，粉末形态。根据本专利技术，优选的，锡金属催化剂的厚度为120-500纳米。根据本专利技术，优选的，GaSb纳米线生长前将生长系统抽真空至10-3托，后通入载气H2，其纯度为99.999％，通载气的时间为20-40分钟。根据本专利技术，优选的，GaSb源材料与覆盖有锡金属催化剂的衬底的距离为15厘米；表面活性剂与覆盖有锡金属催化剂的衬底的距离为9厘米。本专利技术还提供上述基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件的制备方法，包括：将生长的高空穴迁移率GaSb纳米线通过液滴涂布法转移至Si/SiO2衬底，形成分散的单根纳米线；通过电子束蒸发或热蒸发沉积工艺制备金属电极，作为源极和漏极，Si/SiO2衬底中的p型硅作为栅极；利用去胶剂进行剥离，完成半导体器件的器件的制备。根据本专利技术，所述的一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件的制备方法，一种优选的实施方案，包括以下步骤：(1)采用双温区水平管式炉生长高空穴迁移率GaSb纳米线：将盛有GaSb粉末的氮化硼坩埚放置于上游源区，距离用于生长纳米线的衬底15厘米，将覆盖120-500纳米锡金属催化剂的衬底放置于下游生长区，用于生长纳米线，盛有表面活性剂硫粉末的坩埚放置于两温区中间，距离用于生长纳米线的衬底9厘米；(2)将双温区管式炉系统的压强抽至10-3托，后通入纯度为99.999％的载气氢气，通气时间20-40分钟；(3)将源区温度升高至730-780℃，同时生长区温度升高至530-570℃，保温20-40分钟；(4)生长结束后，源区和生长区停止加热并逐渐冷却至室温，完成GaSb纳米线的合成步骤；(5)将合成的GaSb纳米线分散至无水乙醇中，通过液滴涂布法转移至Si/SiO2衬底，形成分散的纳米线；(6)通过紫外光刻技术定义器件的源、漏电极图案，经过旋胶、烘胶、曝光、显影过程；(7)通过电子束蒸发或热蒸发方法蒸镀50纳米金属镍作为源、漏电极；(8)利用去胶剂进行剥离，完成半导体器件的制备。根据本专利技术，利用显微镜定位源、漏两电极之间具有单根GaSb纳米线的器件，将硅衬底作为底栅电极。可利用直流探针台及1550纳米红外激光器对器件进行电学性能及光电性能的测试。本专利技术未详尽说明的，均按本领域现有技术。本专利技术首次通过化学气相沉积方法、选择金属锡作为生长GaSb纳米线的催化剂及轻掺杂源，首次将GaSb纳米线场效应空穴迁移率提升至1000cm2V-1s-1以上，并制备出响应度高、响应时间快的高性能红外探测器件。本专利技术的有益效果在于：本专利技术实现了将金属催化剂锡轻掺杂进入GaSb纳米线，从而实现了对纳米线空穴迁移率，空穴迁移率超过1000cm2V-1s-1，和能带结构的调控，禁带宽度减小到0.69eV。采用微纳加工技术制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括p型硅作为底栅电极、Si/SiO2衬底上的源极和漏极、源极和漏极之间由GaSb纳米线材料组成的沟道，所述的GaSb纳米线掺杂有锡。

【技术特征摘要】
1.一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括p型硅作为底栅电极、Si/SiO2衬底上的源极和漏极、源极和漏极之间由GaSb纳米线材料组成的沟道，所述的GaSb纳米线掺杂有锡。2.根据权利要求1所述的基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件，其特征在于，所述的GaSb纳米线直径为30-50纳米，长度≥10微米。3.根据权利要求1所述的基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件，其特征在于，所述的GaSb纳米线空穴迁移率可超过1000cm2V-1s-1，所述的GaSb纳米线禁带宽度减小到0.69eV。4.根据权利要求1所述的基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件，其特征在于，所述的源极和漏极为镍电极；优选的，镍电极厚度为50纳米，源极和漏极的电极间距为2-5微米。5.一种包含权利要求1-4任一项所述的基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件的高性能红外探测器。6.一种高空穴迁移率GaSb纳米线的合成方法，包括：采用双温区气相法生长，选择金属锡作为催化剂和轻掺杂源，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨再兴，孙嘉敏，韩明明，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37