一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电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，具体涉及一种自驱动光电探测器，该光电探测器由上至下依次包括金属In点电极、金属Pd顶电极、掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层、p型单晶硅基底和金属In底电极，其中p型单晶硅层与掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层构成异质结。掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层是利用磁控溅射法和水热法制备的。测试结果显示，所制备的器件可以实现对从紫外到近红外波长范围内光的自驱动光电探测，且具有良好的稳定性和重复性等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器及其制备方法
本专利技术属于光探测
，具体涉及一种自驱动光电探测器及其制备方法。
技术介绍
光电探测器通过光电效应将光信号转换为电信号。基于异质结的自驱动光电探测器，不仅能够对入射光产生响应，还能够吸收入射光为自身工作提供能量，由于其重量轻、适用于极端环境、无需外部电源工作等优点，在环境检测、红外成像、图像传感和远程控制等方面具有重要的应用价值，有利于促进光电探测器向微型化、智能化、节能化方向转变，拓展了光电探测器在实际生活中的应用。[Adv.Mater.2018,30,1706262]开发高性能、成本低的自驱动光电探测器具有重要的意义。宽禁带的金属氧化物纳米结构在窄带隙半导体硅(1.1eV)上的集成以独特的物理特性在新一代电子与光电元件上有巨大的应用前景。氧化锌(ZnO)是一种直接带隙的无毒半导体，具有很高的化学稳定性和耐高温性质，但是利用水热法制备的氧化锌纳米棒阵列中存在大量的氧空位，不利于载流子的传输。[J.Mater.Chem.C,2019,7,5172--5183]因此，减少氧化锌纳米棒中氧空位的数量，将对于氧化锌纳米棒阵列/硅异质结光响应性能的提高的有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器及该探测器的制备方法。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、水热法在单晶硅基底上制备氮掺杂氧化锌纳米棒阵列薄膜层；即通过磁控溅射、水热法获得氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是，一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器，其特征在于：电探测器由上至下依次包括金属In点电极、金属Pd顶电极、掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层、p型单晶硅基底和金属In底电极，其中p型单晶硅层与掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层构成异质结；其中掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜的厚度为300～900纳米，优选700纳米，金属层的厚度为5～15纳米，优选10纳米。一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：(1)选取p型硅基底，清洗去除表面污染物并进行干燥；(2)将干燥完成的硅基底放入真空腔，采用射频磁控溅射技术，在氩气环境下，利用电离出的氩离子轰击氧化锌靶材，在硅基底表面沉积氧化锌薄膜层；所述氧化锌靶材为99.9％纯度的氧化锌陶瓷靶，所述氩气气压维持1.2帕斯卡不变，靶基距为40～60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；(3)将步骤(2)中获得的样品放入管式电阻炉，在温度为300～400摄氏度下空气气氛中热处理，温度上升速率为2摄氏度每分钟，至300～400摄氏度时保持60～180分钟，然后自然冷却至室温；(4)将0.3～0.5克六水合硝酸锌、0.15～0.25克乌洛托品和0.5～1毫升25％的氨水溶解于60～70毫升蒸馏水水中，充分搅拌5～10分钟，所得生长液倒入80～100毫升带有特氟龙内衬的高温反应釜中，将步骤(3)得到的样品放入溶液中，在80～100摄氏度环境下反应1～2小时，从溶液中取出后将样品用无水乙醇洗涤并充分干燥；(5)将步骤(4)得到的样品放入管式电阻炉，在温度为300～400摄氏度下空气气氛中热处理，温度上升速率为2摄氏度每分钟，至300～400摄氏度时保持60～180分钟，后自然冷却至室温；(6)将步骤(5)得到的样品放入装有40～80毫升三乙胺的80～100毫升的带有特氟龙内衬的高温反应釜中，在180～220摄氏度环境下反应2～5小时，将样品从溶液中取出后用乙醇清洗，室温下氮气环境下干燥；(7)将步骤(6)中得到的样品在表面覆盖掩膜片后放入溅射室，利用抽真空系统使溅射室处于真空状态，直到背景真空达到目标真空度10-3～10-5帕斯卡，向溅射室中通入氩气，待气压到达5帕斯卡稳定后，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，在样品表面沉积金属Pd顶电极；靶基距为50毫米，金属Pd薄膜的沉积温度为20～25摄氏度，金属Pd顶电极厚度为5～15纳米；(8)将步骤(7)中得到的样品分别在金属Pd顶电极和p型硅基底上完成金属In电极的压制，并引出金属Cu导线。优选的，步骤(1)中，所述p型硅基底，尺寸为10毫米×10毫米，电阻率为0.1～1欧姆·厘米。优选的，步骤(3)、(5)中，所述热处理温度为360摄氏度，热处理时间为120分钟。优选的，步骤(4)中，所述水热反应温度为90摄氏度，反应时间为90分钟，特氟龙内衬的容积为100毫升。优选的，步骤(7)中，所述金属In电极大小和厚度分别为1毫米×1.5毫米和1毫米，硅基底上金属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。由上述过程即可获得氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器。该器件在室温空气下，无外加偏压下具有光响应，可以实现从紫外到近红外的自驱动光探测，且具有优秀的稳定性和重复性。本专利技术所提供的光电探测器光响应性能优异，所提供制备方法无毒、成本低廉，可广泛应用于光电探测器领域。附图说明图1为氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器光探测性能测量的结构示意图。图2为氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器的伏安特性曲线。图3为氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器在无外加偏压时器件对不同波长单色光的周期响应性能。图4为氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器在无外加偏压时器件对不同光功率密度光的周期响应性能具体实施方式本专利技术利用磁控溅射、水热法制备氧化锌纳米棒阵列/硅异质结，利用水热法获得氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结，利用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制备自驱动光电探测器。当有光照射器件表面时，由于光电效应以及内建电场的存在，器件可以在无外加偏压条件下对光表现出明显的响应性能。上述器件的制备方法，具体包括以下步骤：(1)选取p型硅基底，清洗去除表面污染物并进行干燥；(2)将干燥完成的硅基底放入真空腔，采用射频磁控溅射技术，在氩气环境下，利用电离出的氩离子轰击氧化锌靶材，在硅基底表面沉积氧化锌薄膜层；所述氧化锌靶材为99.9％纯度的氧化锌陶瓷靶，所述氩气气压维持1.2帕斯卡不变，靶基距为40～60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；(3)将步骤(2)中获得的样品放入管式电阻炉，在温度为300～400摄氏度下空气气氛中热处理，温度上升速率为2摄氏度每分钟，至300～400摄氏度时保持60～180分钟，后自然冷却至室温；(4)将0.3～0.5克六水合硝酸锌、0.15～0.25克乌洛托品本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器，其特征在于：由上至下依次包括金属In点电极、金属Pd顶电极、约1微米厚的掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层、p型单晶硅基底和金属In底电极，所述p型单晶硅层与掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层构成异质结。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器，其特征在于：由上至下依次包括金属In点电极、金属Pd顶电极、约1微米厚的掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层、p型单晶硅基底和金属In底电极，所述p型单晶硅层与掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层构成异质结。


2.根据权利要求1所述光电探测器件，其特征在于：掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层在p型硅基底表面，金属Pd顶电极在掺杂氮的氧化锌纳米棒阵列薄膜层表面，金属In底电极压制于硅基底背表面。


3.根据权利要求1-2任一所述光电探测器件，其特征在于：所述顶电极为Al、Au、Ag、Pd或Pt；所述p型硅单晶基底电阻率为0.1～1欧姆·厘米。


4.一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器，其特征在于：氧化锌纳米棒中有氮元素的存在，所述光电探测器件在无外加偏压下对紫外到近红外波长范围的光具有光响应。


5.一种基于氮掺杂氧化锌纳米棒阵列/硅异质结的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)选取p型硅基底，清洗去除表面污染物并进行干燥；
(2)将干燥完成的硅基底放入真空腔，采用射频磁控溅射技术，在氩气环境下，利用电离出的氩离子轰击氧化锌靶材，在硅基底表面沉积氧化锌薄膜层；所述氧化锌靶材为99.9％纯度的氧化锌陶瓷靶，所述氩气气压维持1.2帕斯卡不变，靶基距为40～60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；
(3)将步骤(2)中获得的样品放入管式电阻炉，在温度为300～400摄氏度下空气气氛中热处理，温度上升速率为2摄氏度每分钟，至300～400摄氏度时保持60～180分钟，然后自然冷却至室温；
(4)将0.3～0.5克六水合硝酸锌、0.15～0.25克乌洛托品和0.5～1毫升25％的氨水溶解于60～70毫升蒸馏水水中，充分搅拌5～10分钟，所得生长液倒入80～100毫升的带有特氟龙内衬的高温反应釜中，将步骤(3)得到的样品放入反应釜中，在80～100摄...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌翠翠，侯志栋，郭天超，张拓，冯冰心，曹敏，
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