CN112531122B - 一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器及其制备方法,包括以下步骤:步骤1、SnO2微米线的生长制备;步骤2、利用步骤1中所得SnO2微米线制备异质结光电探测器。本发明氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器,并测试了其光电性能,该器件具有响应度高、响应速度快、稳定性好,响应光谱宽(响应波长区间:200‑350纳米)等特点,所以本发明设计的PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器件具有重要的研究和应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器领域,具体涉及一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器及其的制备方法。
背景技术
半导体材料作为新材料的重要组成部分,它支撑着电子信息产业的发展。随着科学技术的高速发展,现代高科技对半导体材料需求越来越大,半导体市场具有非常大的发展潜力。近年来,宽禁带半导体材料受到了国内外科研工作者的广泛研究,其主要研究领域包括光电探测器、太阳能电池、高功率器件等。
紫外光是指光谱中波长从10~400nm波段的总称,自紫外光被发现以来,紫外探测技术便引起了国内外科研工作者的广泛研究。光电探测器是一种可以把光信号转化为电信号的器件,其中紫外光电探测器广泛应用于导弹预警、空间探测、生物医学、太空无线电通讯等领域。在现阶段,已经有宽带隙半导体材料如金刚石,氧化镓,氮化镓,氧化锌以及合金材料GaAlN、ZnMgO等应用于紫外探测。通过调研,发现在紫外波段250nm-350nm区间,只有通过调节合金GaAlN或ZnMgO组分改变带宽,才能在该波段探测。但是组分调节会引起晶格结构的改变,进而引起材料内部形成大量晶格缺陷,导致器件功能下降。
二氧化锡(SnO2)作为一种宽禁带半导体材料,在室温下,禁带宽度为3.6~4.15eV,正对应着波长在250nm-350nm之间的紫外波段。但是从目前报道来看,还没有报道利用SnO2本征带宽的特性实现紫外探测。
发明内容
本发明设计了一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器及其制备方法,其解决的技术问题是现有设计中对于紫外波段250nm-350nm区间,只有通过调节合金GaAlN或ZnMgO组分改变带宽,才能在该波段探测。但是组分调节会引起晶格结构的改变,进而引起材料内部形成大量晶格缺陷,导致器件功能的下降。
为了解决上述存在的技术问题,本发明采用了以下方案:
一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,包括以下步骤:步骤1、SnO2微米线的生长制备;步骤2、利用步骤1中所得SnO2微米线制备异质结光电探测器。
优选地,所述步骤1中包括以下分步骤:先将二氧化锡粉末和碳粉混合,并研磨均匀成混合粉末;在反应容器中放入所述混合粉末,并将洁净的硅片放在所述反应容器上方;加热装置中以固定的升温速率升至生长温度,保持所述生长温度不变,并持续向所述加热装置中通入保护气和反应气的混合气体;洁净的硅片和反应容器放置在所述加热装置中,碳粉将二氧化锡还原成单质锡的蒸气,单质锡的蒸气再与反应气气发生反应,重新结晶,在硅片上生成二氧化锡微米线,待生长完成后,可得到高结晶质量的SnO2微米线。
其中,反应容器可以为刚玉。加热装置可以为水平管式炉;刚玉放入水平管式炉之前可以先放入石英管中,再将石英管放入水平管式炉中。
优选地,所述步骤1中二氧化锡和碳粉质量比为1:0.8~1.2。
优选地,所述步骤1中所述生长温度为900~1100 ℃。
优选地,所述步骤1中保护气为氩气或者氮气的一种,反应气为氧气;保护气流量为100~200sccm,反应气流量为0~10 sccm。
优选地,所述步骤1中样品的生长时间为30-60min。
优选地,所述步骤2中包括以下分步骤:选出一根结晶度良好的SnO2微米线,将其放置在洁净的衬底上,利用掩膜或光刻工艺,在其一端蒸镀金属接触电极;然后向SnO2微米线另一端上滴PEDOT:PSS溶液,PEDOT:PSS溶液可以很好地将SnO2微米线包裹,然后将其烘干干燥,烘干后两种不同半导体形成核壳结构,最后再利用掩膜或光刻工艺,在PEDOT:PSS上再蒸镀金属接触电极,即得到PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器。
优选地,所述步骤2中的所述金属接触电极为钛、铝、铟、镍、铂、金、银、钼、钽、钴和钨构成的单层金属或它们中多种组合而成金属复合层。
优选地,所述步骤2中,所述衬底为刚性衬底或柔性衬底;所述刚性衬底为硅,石英玻璃、蓝宝石或云母;所述柔性衬底为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器,其特征在于:包括:衬底、n型SnO2半导体材料和p型有机导电聚合物PEDOT:PSS材料,以及在p、n型层上制备的金属接触电极材料;其中,单根SnO2微米线的截面宽度为1-15微米,截面厚度为1-15微米,微米线的长度为0.1-1.5厘米,PEDOT:PSS有机导电聚合物薄膜的厚度为10-1000纳米。
进一步,氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器有源区为p/n结异质结构,所述n型为SnO2宽带隙材料,所述p型为PEDOT:PSS薄膜。
该氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器及其制备方法具有以下有益效果:
(1)本发明氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器,并测试了其光电性能,该器件具有响应度高、响应速度快、稳定性好,响应光谱宽(响应波长区间:200-350纳米)等特点,所以本发明设计的PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器件具有重要的研究和应用价值。
(2)本发明宽谱紫外光电探测器为PN异质结结构,具有良好的整流效果。
(3)本发明宽谱紫外光电探测器具有很高的响应度,在-5V偏压下,响应度可达35A/W。微纳米器件由于尺寸小,电极间距近,光生载流子在电场作用下向两端电极渡越时间短,相比传统平面PN异质结器件,其响应速度和响应度都会提高。
(4)本发明宽谱紫外光电探测器在不加偏压的情况下,具有自驱动的特性,响应度可达50mA/W。
(5)本发明宽谱紫外光电探测器克服了SnO2自身固有的持续光电导效应,响应速度提高显著,由单根SnO2的几分钟缩短至了0.2s。导致二氧化锡持续光电导效应的原因之一为其表面对气体的吸附,由于PEDOT:PSS包裹在微米线外侧,减少了对气体的吸附,相应的改善了材料的持续光电导效应,加快了器件的响应时间。
(6)本发明宽谱紫外光电探测器具有很好的稳定性,可在自然环境下长期保存,不影响其性能。
附图说明
图1为本发明PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器的结构示意图。
图2为单根SnO2微米线的SEM图片。
图3为本发明PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器在不同波段的I-V曲线。
图4为本发明PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器在不同波段的响应度曲线。
图5为本发明PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器在不同波段的重复性曲线。
图6为本发明PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器的响应速度曲线。
具体实施方式
下面结合图1至图6,对本发明做进一步说明:
如图1所示,
实施例1:
SnO2微米线的制备。第一步清洗硅片,分别称取质量比1:1的SnO2粉末和石墨粉末,将粉末放入研钵中混合均匀,然后充分研磨,研磨时间为2小时以上。第二步清洗硅片,具体流程为①将硅片切成2cm×2cm大小的正方形薄片,所用硅片为N型硅;②将硅片放入烧杯中,先后使用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗,清洗时间为10min,清洗完成后用氮气吹干;③第三步准备样品,称取3g研磨均匀的混合粉末放入刚玉舟中,然后将硅片竖直放置在刚玉舟的上方;第三步管式炉升温,将石英管放入水平管式炉中,石英管一端通入混合气体,气体流量为Ar:120sccm,O2:2sccm,另一端开口。然后将管式炉200min内升温至1050℃,并保持该温度不变。第四步进行实验,将刚玉舟放入石英管,使其处于管式炉恒温区处。生长时间为60min,降至室温后取出样品,在硅片上可得到高结晶质量的SnO2微米线。
PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器的制备。第一步清洗衬底,衬底为切好的石英玻璃片,玻璃片的大小为1×1 cm,先后用丙酮、酒精、去离子水清洗10min,清洗完成后用氮气吹干。精选出一根高结晶质量的SnO2微米线,将其转移到洁净的石英玻璃片上,然后在微米线一端蒸镀金属铟作为电极,再将适量的PEDOT:PSS溶液滴在SnO2微米线另一侧,覆盖面积为单根微米线的一半,将未完成的器件放入烘箱中,烘干后取出,在另一端PEDOT:PSS薄膜上蒸镀铟作为电极,器件制备完成。
实施例2:
本实施例除下述特征外,其它均与实施例 1 相同:本实施例中称取质量比为5:4的SnO2粉末与石墨粉混合后充分研磨。
实施例3:
本实施例除下述特征外,其它均与实施例 1 相同:本实施例中管式炉升温至1000℃,并保持该温度不变。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述,显然本发明的实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、SnO2微米线的生长制备;
步骤2、利用步骤1中所得SnO2微米线制备异质结光电探测器;
所述步骤2中包括以下分步骤:选出一根结晶度良好的SnO2微米线,将其放置在洁净的衬底上,利用掩膜或光刻工艺,在其一端蒸镀金属接触电极;然后向SnO2微米线上滴PEDOT:PSS溶液,PEDOT:PSS溶液很好地将SnO2微米线包裹,然后将其烘干干燥,烘干后两种不同半导体形成核壳结构,最后再利用掩膜或光刻工艺,在PEDOT:PSS上再蒸镀金属接触电极,即得到PEDOT:PSS/SnO2异质结光电探测器。
2.根据权利要求1所述的氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:
所述步骤1中包括以下分步骤:
先将二氧化锡粉末和碳粉混合,并研磨均匀成混合粉末;
在反应容器中放入所述混合粉末,并将洁净的硅片放在所述反应容器上方;
加热装置中以固定的升温速率升至生长温度,保持所述生长温度不变,并持续向所述加热装置中通入保护气和反应气的混合气体;
洁净的硅片和反应容器放置在所述加热装置中,碳粉将二氧化锡还原成单质锡的蒸气,单质锡的蒸气再与反应气气发生反应,重新结晶,在硅片上生成二氧化锡微米线,待生长完成后,可得到高结晶质量的SnO2微米线。
3.根据权利要求2所述的氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:
所述步骤1中二氧化锡和碳粉质量比为1:0.8~1.2。
4.根据权利要求2所述的氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:所述步骤1中所述生长温度为900~1100 ℃。
5.根据权利要求2所述的氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:所述步骤1中保护气为氩气或者氮气的一种,反应气为氧气;保护气流量为100~200sccm,反应气流量为0~10 sccm。
6.根据权利要求2所述的氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:所述步骤1中样品的生长时间为30-60min。
7.根据权利要求1所述的氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:
所述步骤2中的所述金属接触电极为钛、铝、铟、镍、铂、金、银、钼、钽、钴和钨构成的单层金属或它们中多种组合而成金属复合层。
8.根据权利要求1所述的氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:所述步骤2中,所述衬底为刚性衬底或柔性衬底;所述刚性衬底为硅,石英玻璃、蓝宝石或云母;所述柔性衬底为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
9.一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器,其特征在于:包括:衬底、n型SnO2半导体材料和p型有机导电聚合物PEDOT:PSS材料,以及在p、n型层上制备的金属接触电极材料;其中,单根SnO2微米线的截面宽度为1-15微米,截面厚度为1-15微米,微米线的长度为0.1-1.5厘米,PEDOT:PSS有机导电聚合物薄膜的厚度为10-1000纳米。
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