CN114520266A - 硫化铅光电导探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫化铅光电导探测器及其制备方法，其中硫化铅红外探测器，包括衬底，所述衬底向上依次覆盖有金属电极、石墨烯薄膜、金纳米颗粒、硫化铅单晶薄膜以及铋金属纳米颗粒，其中石墨烯薄膜下两端各铺设有一个所述金属电极。本发明旨在通过利用铋金属纳米粒子在硫化铅表面实现点状包覆增加硫化铅的光吸收从而提高传统的硫化铅光电导型红外探测器的响应度，基于此得到的金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导红外探测器可以将响应度提高两个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种硫化铅光电导探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是一种把光信号转变为电信号的器件，主要类别有光电导型、内建电场光伏型、光热电型和测辐射热计。光电探测器的最初被应用于军事作战，1930年德国研究人员研发出硫化铅红外光子探测器，探测波长可达到3微米左右。二战期间，硫化铅探测器作为秘密武器在战争中发挥了巨大的作用，红外探测技术成为军事领域的重要研究方向之一。光电探测器在现代军事上主要运用于夜视，制导，侦察，通讯等。铋具有很高的电子迁移率和较小的带隙 (14meV)使Bi成为高响应宽带隙的光电检测复合材料。
现有技术中，主要以硫化铅红外探测器为主，硫化铅红外探测器的光电流强度和响应度还有待进一步的提高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硫化铅光电导探测器及其制备方法。该红外探测器通过在硫化铅表面复合一层金属纳米颗粒增加其光吸收来提高探测器的响应度。
本发明通过硫化铅单晶纳米柱和铋金属纳米粒子结合，因纳米颗粒的曲率半径很小，红外光入射后收到硫化铅表面的金属纳米粒子散射而优先分布困在半导体薄膜中，有效的增加了光路强度；并且纳米颗粒的电场增强，使得低维硫化铅纳米柱与电场之间耦合增强，光吸收率增大，故本发明比一般的硫化铅红外探测器提高了光电流强度和响应度。
并且，本发明中利用电化学法制备硫化铅和铋薄膜，这是一种有效绿色的材料制备方法，并且克服了旋涂和水热法的材料工艺复杂，效率低，难以剥离或者刻蚀的困难，可以实现硫化铅和铋的图形化生长。
具体的，本发明采用以下技术方案：
一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导红外探测器，包括由下到上依次设置的硅衬底、氧化硅层、石墨烯层、金纳米颗粒层、硫化铅层及金属纳米颗粒层；其中，所述石墨烯层两端各铺设有一个所述的金属电极。
优选的，所述氧化硅层厚度为300nm。
优选的，所述金属电极与所述氧化硅层之间铺设一层石墨烯层。
优选的，所述金属电极包括金和铬，其中，铬位于石墨烯薄膜之上，金位于铬之上，厚度在100nm以内。
优选的，所述金纳米颗粒层厚度在4nm以内。
优选的，所述的硫化铅层为单晶硫化铅，厚度为500nm。
优选的，所述金属纳米颗粒为铋金属，厚度为2nm。
一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗衬底：将带有氧化层的硅片清洗干净；
(2)制作电极：在石墨烯薄膜表面沉积金属并图形化，利用电子束蒸发或者溅射的方法形成金属电极；
(3)将石墨烯薄膜转移带有电极的衬底上：通过PMMA将石墨烯薄膜从铜箔转移至所述衬底上；
(4)在石墨烯表面制备金纳米颗粒；
(5)涂胶，石墨烯条带化：将要生长硫化铅薄膜和金属纳米离子的部分暴露出来；
(6)硫化铅薄膜制备：在所述石墨烯薄膜表面和所述金属电极表面利用电化学沉积法制备单晶硫化铅纳米柱薄膜；
(7)金属纳米颗粒制备：在所述的硫化铅纳米柱薄膜表面利用电子束蒸发法或磁控溅射或电化学沉积制备铋金属纳米颗粒。
(8)石墨烯薄膜的图形化。
优选的，所述步骤(4)中利用磁控溅射的方法在石墨烯表面溅射一层2-4nm 厚的金纳米颗粒。
优选的，所述步骤(3)中采用湿法转移的方式，利用PMMA将所述石墨烯薄膜从铜箔转移至所述衬底上。
优选的，所述步骤(6)中硫化铅薄膜的制备：在所述石墨烯薄膜表面和所述金属电极表面利用电化学沉积法制备单晶硫化铅纳米柱薄膜，包括：
将乙酸铅和乙二胺四乙酸二钠配置成0.02M溶液A；
将硫化钠配置成0.02M溶液B；
将所述溶液A和所述溶液B混合配置成第一前驱体溶液，并将所述第一前驱体溶液的PH值调至9-10；
基于电化学工作站中恒电位沉积法，以一定的恒电位对所述第一前驱体溶液沉积得到硫化铅单晶纳米柱薄膜，通过控制沉积时间控制所述硫化铅单晶纳米柱薄膜的厚度。
优选的，所述步骤(7)金属纳米颗粒制备：在所述的硫化铅纳米柱薄膜表面利用电子束蒸发法或磁控溅射或电化学沉积制备铋金属纳米颗粒，包括：
将硝酸铋和乙二胺四乙酸二钠配置成第二前驱体溶液；
基于电化学工作站中恒电位沉积法，以一定的恒电位对所述第二前驱体溶液沉积得到铋金属纳米薄膜，通过控制沉积时间控制所述铋金属纳米薄膜的厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明设计一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器，通过在硫化铅表面引入铋金属纳米颗粒，可以有效地提高光吸收效率，增加光电流强度和探测器响应度。与此同时，本发明还提供了一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器制备方法，该方法工艺简单，重复性好，为高响应硫化铅红外探测器大规模制备提供了一种方案。
附图说明
图1为本发明一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器的制备方法的一实施流程图；
图2为本发明一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器的一实施例剖面结构图；
图3为本发明一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器的一实施例扫描电子显微镜图像。
图4为本发明一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器的一实施例硫化铅和铋扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
为使本发明的技术方案以及优点更加清楚明了，下面将结合本发明的附图以及具体的实施例，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述，使得本领域的技术人员不必再付出创造性劳动就能实现该发明，需要说明，附图采用简化的形式仅仅用于方便、清楚地说明本发明实施例的目的。附图展示的结构不是实际结构的全部而只是实际结构的部分。很明显，所列举的实施例是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。应理解，基于本发明中的实施例，本领域所属的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有的实施例，都在本发明的保护范围之内。
以下列举的部分实施例仅仅是为了更好地对本发明进行说明，但本发明的内容并不局限在应用于所举的实施例中。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整而应用于其他实施例中，仍在本发明的保护范围之内。
需要注意，下列实施例中没有标明具体条件的实验方法，应按照常规或生产厂商所建议的条件进行。
参考图1、图2和图3，分别为本发明一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器的制备方法的一实施例流程图、一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器的一实施例剖面结构示意图和一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器的扫描电子显微镜图片。具体地，一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在洁净的衬底上沉积金属并图形化，形成金属电极；
本实例中在使用衬底之前，分别用去离子水、丙酮和酒精各超声15分钟，然后用氮气吹干备用。
首先，在带有300nm氧化层的硅衬底上旋涂双层光刻胶，曝光显影留下胶结构，然后通过溅射沉积铬和金薄膜，再利用丙酮去除光刻胶，最终形成金属电极的源漏极。
(2)将单层石墨烯薄膜转移到带有金属电极的衬底上；
在本实例中，通过PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)将制备出的石墨烯薄膜从铜箔转移至带有金属电极的衬底上。具体地，将石墨烯薄膜用滚轮刀切割成3cm x 2cm尺寸大小，用胶带粘贴到清洁的硅片上，将PMMA溶液旋涂至石墨烯薄膜2表面，转速为2500RPM，时间为35秒，随后在烘箱中90度烘烤8分钟。将上述旋涂有PMMA的石墨烯薄膜和铜箔从硅片上取下，先用RIE刻蚀机刻蚀去除背面的石墨烯刻蚀时间2分钟，氧气流量30sccm，然后用湿法腐蚀去除铜箔，以HCl+H2O2溶液(3:1)为刻蚀溶液，反应时间为3小时。溶铜完成后，利用去离子水反复漂洗，用衬底1捞出石墨烯薄膜2，将其放在空气中自然晾干，再放入丙酮中去除PMMA胶，完成石墨烯薄膜的转移。
(3)石墨烯薄膜的条带化；
本实例中，利用单层胶工艺进行曝光显影，将石墨烯条带暴露出来以便于下一步材料生长。
(4)硫化铅薄膜制备；
在所述石墨烯薄膜表面和所述金属电极表面利用电化学沉积法制备单晶硫化铅纳米柱薄膜。将乙酸铅和乙二胺四乙酸二钠配置成0.02M溶液A，将硫化钠配置成0.02M溶液B，将A液和B液以一定比例混合配置成前驱体溶液，并调整其PH值至9.5左右，将其转移到电解槽中，恒电位为0.7V，沉积时间1.5h。
(5)铋金属纳米粒子的制备；
将硝酸铋和乙二胺四乙酸二钠配置成0.02M的前驱体溶液，将其转移到电解槽中，恒电位为0.5V，沉积时间1min。其形貌如图4所示。
(6)石墨烯图形化，刻蚀多余的石墨烯。
采用双层胶工艺曝光显影，随后通过等离子体刻蚀材料之外部分的石墨烯薄膜，最后去胶完成石墨烯薄膜的图形化。
根据以上制备方法，可以得到如图2所示结构的石墨烯/硫化铅红外探测器，具体包括由下到上依次设置的硅衬底1、氧化硅层2、石墨烯层4、金纳米颗粒层5、硫化铅层6及金属纳米颗粒层7；其中，所述石墨烯层4的两端各铺设有一个所述的金属电极3。
经测试，本实施例中得到的一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导探测器在1550nm波长入射光下，测得器件的响应度达到2A/W。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述。上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点,其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导红外探测器，其特征在于，包括由下到上依次设置的硅衬底(1)、氧化硅层(2)、石墨烯层(4)、金纳米颗粒层(5)、硫化铅层(6)及金属纳米颗粒层(7)；其中，所述石墨烯层(4)两端各铺设有一个所述的金属电极(3)。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述氧化硅层(2)厚度为300nm。
3.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述金属电极(3)与所述氧化硅层(2)之间铺设一层石墨烯层(4)。
4.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述金属电极(3)包括金和铬，其中，铬位于石墨烯薄膜之上，金位于铬之上，厚度在100nm以内。
5.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述金纳米颗粒层厚度在4nm以内。
6.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述的硫化铅层(6)为单晶硫化铅，厚度为500nm。
7.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述金属纳米颗粒(7)为铋金属，厚度为2nm。
8.一种基于金属纳米粒子光吸收增强型硫化铅光电导红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗衬底：将带有氧化层的硅片清洗干净；
(2)制作电极：在石墨烯薄膜表面沉积金属并图形化，利用电子束蒸发或者溅射的方法形成金属电极；
(3)将石墨烯薄膜转移带有电极的衬底上：通过PMMA将石墨烯薄膜从铜箔转移至所述衬底上；
(4)在石墨烯表面制备金纳米颗粒；
(5)涂胶，石墨烯条带化：将要生长硫化铅薄膜和金属纳米离子的部分暴露出来；
(6)硫化铅薄膜制备：在所述石墨烯薄膜表面和所述金属电极表面利用电化学沉积法制备单晶硫化铅纳米柱薄膜；
(7)金属纳米颗粒制备：在所述的硫化铅纳米柱薄膜表面利用电子束蒸发法或磁控溅射或电化学沉积制备铋金属纳米颗粒。
(8)石墨烯薄膜的图形化。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中利用磁控溅射的方法在石墨烯表面溅射一层2-4nm厚的金纳米颗粒。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用湿法转移的方式，利用PMMA将所述石墨烯薄膜从铜箔转移至所述衬底上。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中硫化铅薄膜的制备：在所述石墨烯薄膜表面和所述金属电极表面利用电化学沉积法制备单晶硫化铅纳米柱薄膜，包括：
将乙酸铅和乙二胺四乙酸二钠配置成0.02M溶液A；
将硫化钠配置成0.02M溶液B；
将所述溶液A和所述溶液B混合配置成第一前驱体溶液，并将所述第一前驱体溶液的PH值调至9-10；
基于电化学工作站中恒电位沉积法，以一定的恒电位对所述第一前驱体溶液沉积得到硫化铅单晶纳米柱薄膜，通过控制沉积时间控制所述硫化铅单晶纳米柱薄膜的厚度。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)金属纳米颗粒制备：在所述的硫化铅纳米柱薄膜表面利用电子束蒸发法或磁控溅射或电化学沉积制备铋金属纳米颗粒，包括：
将硝酸铋和乙二胺四乙酸二钠配置成第二前驱体溶液；
基于电化学工作站中恒电位沉积法，以一定的恒电位对所述第二前驱体溶液沉积得到铋金属纳米薄膜，通过控制沉积时间控制所述铋金属纳米薄膜的厚度。
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