一种半导体薄膜光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体光电子器件领域，公开了一种半导体薄膜光电探测器及其制备方法，其中制备方法包括以下步骤：(1)配制用于生长硫属化合物光敏半导体薄膜的前体溶液，将洁净的衬底浸入前体溶液中进行一次化学浴沉积，对应得到20‑500nm厚的薄膜，利用仅一次化学浴沉积或重复多次化学浴沉积生长得到厚度达到目标要求的硫属化合物光敏半导体薄膜；(2)将衬底进行整体退火敏化处理；制作电极即可得到半导体薄膜光电探测器。本发明专利技术通过对制备方法整体流程工艺设计、以及关键化学浴沉积的参数条件等进行改进，能够解决现有半导体薄膜光电探测器制备条件复杂、大规模生产成本高昂、工艺可靠性低和难以实现柔性化的问题。

A Semiconductor Thin Film Photodetector and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种半导体薄膜光电探测器及其制备方法
本专利技术属于半导体光电子器件领域，更具体地，涉及一种半导体薄膜光电探测器及其制备方法，该半导体薄膜光电探测器具有低成本、宽光谱、室温工作等特点。
技术介绍
光是电磁波的一种表现形式，是人们认识客观世界的一种极为重要的物理感知信息，人眼只能感测到400-700nm波段的可见光，利用红外探测器可将人眼不可见的红外光信号转化为电信号，使人类探索客观世界信息的范围进一步拓展，已被广泛地应用在光传感、光通讯、成像和光谱分析等领域。在近红外、短波红外至中波红外波段，半导体光电探测器有着灵敏度高、响应时间快的优点，而且能在室温下工作，体积和功耗大幅降低，性能可以满足部分军事装备和绝大部分商业、民用领域的技术需要，主要使用半导体的块状晶体材料，如晶体硅、硅-锗异质结或三五族半导体合金，光谱响应可覆盖可见光至中红外波段，但是存在着厚度大、易碎、难以集成且无法实现柔性器件的问题，而基于半导体薄膜技术的红外光电探测器有望满足光电子器件轻量化、柔性化和集成化的需求。铅基硫属化合物半导体材料(如PbS、PbSe等)具有较小的禁带宽度和较大的激子波尔半径，其红外响应截止波长可至中波红外，因此可实现紫外、可见光、近红外、短波红外至中波红外的宽光谱光电探测器。基于真空方法如电子束蒸发、磁控溅射制备的铅基硫属化合物半导体薄膜，铅元素容易挥发，化学计量比难以控制从而影响器件性能，且制备条件苛刻、设备要求高、成本昂贵。溶液化学法制备薄膜是在非真空条件下进行，成本较低，是近年来薄膜器件发展的重要方向，溶液化学法制备铅基硫属化合物半导体薄膜光电探测器可望同时满足高性能与低成本的发展要求，并且其含铅量可低于1000ppm，满足欧盟ROHS环保要求。与溶胶凝胶、化学气相沉积或化学溶液电镀等化学方法相比，化学浴沉积(CBD)是一种利用溶液中金属络合物与还原性化合物缓慢反应并沉积在基底表面的化学过程，具有化学计量比可控、成膜均匀致密和低温工艺等优点，且兼容现有器件信号处理电路以及封装技术。2006年，Ghamsari和Farahani等人(MaterialsScienceandEngineeringB，2006，133，113–116)使用水合肼作为金属离子的还原剂，利用化学浴沉积制备了高性能的多晶纳米结构的PbS光敏薄膜，通过空气中210℃下14h的退火敏化，室温下对2.4μm红外光的比探测率达到4×109W-1Hz1/2cm，其光谱探测范围覆盖1.0～3.0μm。但是该方法中使用了高毒性、易爆炸且成本高昂的肼类化合物，对低成本、高安全性要求的工业化生产带来挑战。2001年，Larramendi等人(ThinSolidFilms，2001，389，301-306)通过在反应溶液中加入不同浓度的KBr溶液来控制化学浴沉积中生长的PbS多晶薄膜的微观形貌，从而优化器件光探性能。他们发现在加入0.36mMKBr时，薄膜平均晶粒尺寸为0.9μm，其光敏常数S(光电导/暗电导)达到了最大值840。尽管他们通过SEM、AFM等表征证明了PbS表面并没有引入Br、K杂质，但是通过加入额外试剂调控薄膜微观形貌仍然增加了工艺复杂度和制备成本，更加理想的方法是只通过改变化学浴沉积本身的工艺参数便能调控薄膜的表面形貌和光学特性。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种半导体薄膜光电探测器及其制备方法，其中通过对制备方法整体流程工艺设计、以及关键化学浴沉积的参数条件等进行改进，能够解决现有半导体薄膜光电探测器制备条件复杂、大规模生产成本高昂、工艺可靠性低和难以实现柔性化的问题，本专利技术基于化学浴沉积法的宽光谱型半导体薄膜光电探测器及其制备方法，成本低廉、可大面积制备、工艺简单，尤其可制得铅基硫属化合物半导体薄膜，本专利技术化学浴沉积法制备得到的铅基硫属化合物半导体薄膜作为光敏材料，可进一步结合薄膜组分、微观形貌调控和薄膜掺杂、气氛下退火敏化工艺，得到高性能、低成本、适于柔性衬底且可大规模制备的宽光谱、高灵敏半导体薄膜光电探测器。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种半导体薄膜光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制用于生长硫属化合物光敏半导体薄膜的前体溶液，该前体溶液呈碱性环境，其中包括金属阳离子源物质、以及含有S元素或Se元素的硫源物质或硒源物质；所述金属阳离子源物质具体为含金属阳离子的醋酸盐、硝酸盐、盐酸盐或硫酸盐；所述硫源物质具体为含S元素的单质、无机化合物或有机化合物，所述硒源物质具体为含Se元素的单质、无机化合物或有机化合物；接着，将洁净的衬底浸入所述前体溶液中，在0℃-200℃的温度条件下反应5min-24h，进行一次化学浴沉积，得到与一次化学沉积过程相对应的20-500nm厚的薄膜；根据预先设定的薄膜厚度目标要求，判断是否重复进行化学浴沉积，如果需要重复进行化学浴沉积，则在将上一次沉积结束得到的衬底浸入前体溶液中，再次进行化学浴沉积以重复多次化学浴沉积，从而利用仅一次化学浴沉积或重复多次化学浴沉积生长得到厚度达到目标要求的硫属化合物光敏半导体薄膜；(2)将所述步骤(1)得到的生长有硫属化合物光敏半导体薄膜的衬底进行整体退火敏化处理；然后，在光敏半导体薄膜上制作电极即可得到半导体薄膜光电探测器。作为本专利技术的进一步优选，所述硫属化合物为PbS、PbSe、CuS、CuSe、CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、Bi2S3、或Bi2Se3。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述前体溶液中，所述金属阳离子的浓度为1mM-10M，所述S元素或所述Se元素的浓度均为1mM-10M。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述前体溶液中还包括钝化剂，该钝化剂在所述前体溶液中的浓度为0.1mM-1M；优选的，所述钝化剂为三乙醇胺、柠檬酸三钠中的至少一种。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述硫源物质或硒源物质为硫粉、硒粉、硒代硫酸钠、硫脲、硒脲、或二甲基硒脲。作为本专利技术的进一步优选，所述前体溶液的碱性环境，对应的pH值为8-14，并且具体是通过向该前体溶液中添加氨水、氢氧化钠、或氢氧化钾实现的。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述衬底为刚性衬底或柔性衬底；其中，所述刚性衬底包括硅片、陶瓷片、玻璃片、导电玻璃、砷化镓中的任意一种；所述柔性衬底包括纸基衬底、金属箔片、有机聚合物衬底中的任意一种，优选的，所述有机聚合物衬底为PET基衬底、或PEN基衬底。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述退火敏化处理具体是在空气、氧气、氩气、或氮气，或者是在含氯气、溴蒸气或碘蒸气的载气气氛下，于70℃～260℃退火处理1分钟～24小时。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述电极为叉指电极。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了利用上述半导体薄膜光电探测器的制备方法制备得到的半导体薄膜光电探测器。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，避免了肼类化合物的使用，也无需使用额外试剂(如KBr)即可调控薄膜微观形貌。本专利技术中的半导体薄膜使用化学浴沉积法制备而成，可以通过薄膜组分、微观形貌调控和薄膜掺杂、退火敏化工艺优化器件性能。本专利技术能够实现具有低成本、宽光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体薄膜光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制用于生长硫属化合物光敏半导体薄膜的前体溶液，该前体溶液呈碱性环境，其中包括金属阳离子源物质、以及含有S元素或Se元素的硫源物质或硒源物质；所述金属阳离子源物质具体为含金属阳离子的醋酸盐、硝酸盐、盐酸盐或硫酸盐；所述硫源物质具体为含S元素的单质、无机化合物或有机化合物，所述硒源物质具体为含Se元素的单质、无机化合物或有机化合物；接着，将洁净的衬底浸入所述前体溶液中，在0℃‑200℃的温度条件下反应5min‑24h，进行一次化学浴沉积，得到与一次化学沉积过程相对应的20‑500nm厚的薄膜；根据预先设定的薄膜厚度目标要求，判断是否重复进行化学浴沉积，如果需要重复进行化学浴沉积，则在将上一次沉积结束得到的衬底浸入前体溶液中，再次进行化学浴沉积以重复多次化学浴沉积，从而利用仅一次化学浴沉积或重复多次化学浴沉积生长得到厚度达到目标要求的硫属化合物光敏半导体薄膜；(2)将所述步骤(1)得到的生长有硫属化合物光敏半导体薄膜的衬底进行整体退火敏化处理；然后，在光敏半导体薄膜上制作电极即可得到半导体薄膜光电探测器。

【技术特征摘要】
1.一种半导体薄膜光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制用于生长硫属化合物光敏半导体薄膜的前体溶液，该前体溶液呈碱性环境，其中包括金属阳离子源物质、以及含有S元素或Se元素的硫源物质或硒源物质；所述金属阳离子源物质具体为含金属阳离子的醋酸盐、硝酸盐、盐酸盐或硫酸盐；所述硫源物质具体为含S元素的单质、无机化合物或有机化合物，所述硒源物质具体为含Se元素的单质、无机化合物或有机化合物；接着，将洁净的衬底浸入所述前体溶液中，在0℃-200℃的温度条件下反应5min-24h，进行一次化学浴沉积，得到与一次化学沉积过程相对应的20-500nm厚的薄膜；根据预先设定的薄膜厚度目标要求，判断是否重复进行化学浴沉积，如果需要重复进行化学浴沉积，则在将上一次沉积结束得到的衬底浸入前体溶液中，再次进行化学浴沉积以重复多次化学浴沉积，从而利用仅一次化学浴沉积或重复多次化学浴沉积生长得到厚度达到目标要求的硫属化合物光敏半导体薄膜；(2)将所述步骤(1)得到的生长有硫属化合物光敏半导体薄膜的衬底进行整体退火敏化处理；然后，在光敏半导体薄膜上制作电极即可得到半导体薄膜光电探测器。2.如权利要求1所述半导体薄膜光电探测器的制备方法，其特征在于，所述硫属化合物为PbS、PbSe、CuS、CuSe、CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、Bi2S3、或Bi2Se3。3.如权利要求1所述半导体薄膜光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述前体溶液中，所述金属阳离子的浓度为1mM-10M，所述S元素或...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，唐江，高亮，胡志响，陈壮，杨剑弦，严棋，易飞，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42