一种可见光探测器及其制备方法

1.本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种可见光探测器及其制备方法。


背景技术：

2.随着新一代无线通信技术的发展，可见光波段的巨大频谱资源使可见光通信技术在新一代移动通信技术中占据举足轻重的地位。可见光探测器作为一种可将所检测到的光信号转换成电信号的半导体器件，是决定着整个可见光通信系统优劣的关键器件之一。in
x
ga
1-x
n(0《x《1)具有从0.68ev到3.4ev的可调带隙，这使其可实现对整个可见光光谱的光探测。而且，ingan材料具有良好的波长选择性、高的饱和电子迁移率、直接带隙以及带边光吸收系数高等优势，因此ingan基可见光探测器更利于实现高速可见光通信系统的需求。
3.一维ingan纳米棒/纳米柱/纳米线材料由于其大的表面体积比，可以显著增加光吸收和光生载流子密度；而且一维纳米结构短的、直接的传输路径也可有效缩短载流子传输时间，利于实现快速的光响应。而目前ingan纳米棒面临着表面态较多影响光生载流子的输运，同时表面态捕获光生载流子而降低器件的光响应电流，这使得高性能ingan纳米棒可见光探测器的实现需要进一步优化设计。对此，我们采用pedot:pss钝化表面态，同时引入au纳米颗粒改善入射光场，提高光吸收。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种可见光探测器及其制备方法。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种可见光探测器，所述可见光探测器结构包括：
7.单晶硅衬底；
8.位于所述单晶硅衬底上表面的ingan纳米棒和第一金属电极；
9.位于所述ingan纳米棒表面的金纳米颗粒与pedot:pss混合溶液；
10.位于所述具有金纳米颗粒与pedot:pss混合溶液包覆的ingan纳米棒上的第二金属电极。
11.第一金属电极为ti/au合金电极，ti厚度为20～30nm，au厚度为250～350nm。
12.第二金属电极为ag电极，ag厚度为200～300nm。
13.ingan纳米棒的in组分为0.1～0.2，纳米棒高度为200～500nm，纳米棒直径为30～80nm。
14.金纳米颗粒直径为10-30nm，浓度为0.05～0.2mg/ml。
15.pedot:pss浓度为1％～3％wt％。
16.金纳米颗粒与pedot:pss混合溶液体积比为2:1～1:2。
17.本发明可见光探测器的制备方法，包括如下步骤：
18.s1、清洗单晶硅衬底，在单晶硅衬底上通过mbe设备生长ingan纳米棒；
19.s2、掩膜沉积第一金属电极；
20.s3、按一定溶液体积比进行混合金纳米颗粒和pedot:pss的溶液，并通过1500rpm磁力搅拌1h；
21.s4、将s2沉积的电极进行保护防止混合溶液旋涂到第一金属电极上，然后将混合后的溶液旋涂到生长的ingan纳米棒上，旋涂机转速2000rpm，时间为15s，将旋涂混合溶液后的样品在100℃条件下退火10min；
22.s5、在旋涂了混合溶液的ingan纳米棒上掩膜沉积第二金属电极。
23.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
24.本发明具有金纳米颗粒和pedot:pss混合溶液包覆的ingan纳米棒结构。采用pedot:pss可以有效钝化ingan纳米棒的表面态，抑制表面态对光生载流子的捕获同时改善光生载流子的输运。
25.本发明采用金纳米颗粒可以诱导表面等离激元效应，改善光吸收，提高光响应电流。pedot:pss的引入可有效钝化ingan纳米棒的表面态，降低暗电流；金纳米颗粒的引入可诱导表面等离激元效应，提升光响应电流；相比于无金纳米颗粒和pedot:pss的混合溶液修饰的探测器，该探测器表现出较高的光电流和较低的暗电流。
26.本发明具有成本低、性能优异和制备简单等优点。
27.本发明提供的可见光探测器及其制备方法可应用于可见光通信领域中。
附图说明
28.图1为本发明的可见光探测器的结构示意图；
29.图2为本发明的可见光探测器的制备流程图；
30.图3为本发明的ingan纳米棒截面图和顶部俯视图；
31.图4为本发明的可见光探测器在光照及黑暗条件下iv特性曲线，以及无金纳米颗粒和pedot:pss包覆ingan纳米棒器件的iv特性曲线；
32.图5为本发明的可见光探测器的瞬态响应曲线；
33.其中，图1中：101为单晶硅衬底，102为第一金属电极，103为pedot:pss，104为金纳米颗粒，105为ingan纳米棒，106为第二金属电极。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
35.如图1所示，本发明公开了一种可见光探测器。
36.所述可见光探测器结构包括：
37.单晶硅衬底101，位于所述单晶硅衬底101上表面的ingan纳米棒105和第一金属电极102；位于所述ingan纳米棒105表面的金纳米颗粒104与pedot:pss 103混合溶液；位于所述具有金纳米颗粒104与pedot:pss 103混合溶液包覆的ingan纳米棒105上的第二金属电极106。
38.所述可见光探测器的制备方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
39.s1、依次通过丙酮、异丙醇和去离子水溶液超声10分钟清洗单晶硅衬底，利用mbe外延设备，在2英寸单晶硅衬底上生长ingan纳米棒，衬底温度为900℃，衬底转速为5r/min，
等离子体功率为300w，生长时间为2h；
40.s2、通过硬掩膜版保护ingan纳米棒区域不被沉积金属，采用电子束蒸发设备沉积ti/au合金作为第一金属电极，ti厚度为20nm，au厚度为300nm；
41.s3、通过移液枪转移浓度为0.05mg/ml、体积为5ml的金纳米颗粒胶体溶液，另外通过移液枪转移浓度为1.3wt％、体积为10ml的pedot:pss溶液，并将两种溶液进行混合，1500rpm磁力搅拌1h；
42.s4、将s2沉积的电极进行保护防止混合溶液旋涂到第一金属电极上，然后将混合后的溶液旋涂到生长的ingan纳米棒上，旋涂机转速2000rpm，时间为15s，将旋涂混合溶液后的样品在100℃条件下退火10min；
43.s5、通过硬掩膜版暴露ingan纳米棒区域，并在旋涂了混合溶液的ingan纳米棒上沉积ag作为第二金属电极，ag金属薄膜的厚度为300nm；
44.材料表征及性能测试：
45.将本发明实施例制备的可见光探测器进行材料表征：
46.如图3所示，左侧为硅衬底上生长ingan纳米棒后的截面sem图，右侧为顶部俯视图，可以看到纳米棒较为紧密的簇拥在一起，纳米棒的直径50nm左右，纳米棒的长度在270nm左右。
47.将本发明实施例制备的可见光探测器进行光电性能测试：
48.为体现本专利的增益效果，本实施例做了一组对比实验，即无金纳米颗粒与pedot:pss混合溶液包覆ingan纳米棒的ingan/si可见光探测器。如图4所示的iv特性曲线，在420nm可见光照射下和-2v反向偏压时，本发明的可见光探测器表现出更高的光响应电流及更低的暗电流。
49.如图5所示，瞬态光响应特性分析表明上升/下降时间都是6.2s。
50.如上所述，便可较好地实现本发明。
51.本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可见光探测器，其特征在于，所述可见光探测器结构包括：单晶硅衬底；位于所述单晶硅衬底上表面的ingan纳米棒和第一金属电极；位于所述ingan纳米棒表面的金纳米颗粒与pedot:pss混合溶液；位于所述具有金纳米颗粒与pedot:pss混合溶液包覆的ingan纳米棒上的第二金属电极。2.根据权利要求1所述可见光探测器，其特征在于，所述第一金属电极为ti/au合金电极，ti厚度为20～30nm，au厚度为250～350nm。3.根据权利要求1所述可见光探测器，其特征在于，所述第二金属电极为ag电极，ag厚度为200～300nm。4.根据权利要求1所述可见光探测器，其特征在于，所述ingan纳米棒的in组分为0.1～0.2，纳米棒高度为200～500nm，纳米棒直径为30～80nm。5.根据权利要求1所述可见光探测器，其特征在于，所述金纳米颗粒直径为10-30nm，浓度为0.05～0.2mg/ml。6.根据权利要求1所述可见光探测器，其特征在于，所述pedot:pss浓度为1％～3％wt％。7.根据权利要求1所述可见光探测器，其特征在于，所述金纳米颗粒与pedot:pss混合溶液体积比为2:1～1:2。8.根据权利要求1～7任一项所述可见光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、清洗单晶硅衬底，在单晶硅衬底上通过mbe设备生长ingan纳米棒；s2、掩膜沉积第一金属电极；s3、混合金纳米颗粒和pedot:pss的溶液，并通过1500rpm磁力搅拌1h；s4、将步骤s2沉积的电极进行保护防止混合溶液旋涂到第一金属电极上，然后将混合后的溶液旋涂到生长的ingan纳米棒上，旋涂机转速2000rpm，时间为15s，将旋涂混合溶液后的样品在100℃条件下退火10min；s5、在旋涂了混合溶液的ingan纳米棒上掩膜沉积第二金属电极。

技术总结
本发明公开了一种可见光探测器及其制备方法；该可见光探测器结构包括：生长在硅衬底上的InGaN纳米棒、位于硅衬底上的第一金属电极、包覆InGaN纳米棒表面的金纳米颗粒和PEDOT:PSS的混合溶液、位于具有金纳米颗粒和PEDOT:PSS混合溶液包覆的InGaN纳米棒上的第二金属电极。PEDOT:PSS的引入可有效钝化InGaN纳米棒的表面态，降低暗电流；金纳米颗粒的引入可诱导表面等离激元效应，提升光响应电流；相比于无金纳米颗粒和PEDOT:PSS的混合溶液修饰的探测器，该探测器表现出较高的光电流和较低的暗电流；该发明具有成本低、性能优异和制备简单等优点，该发明提供的可见光探测器及其制备方法可应用于可见光通信领域中。制备方法可应用于可见光通信领域中。制备方法可应用于可见光通信领域中。


技术研发人员：李国强 陈亮 王文樑 柴吉星
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/19