基于豎直排列半導(dǎo)體納米線的光電探測器制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于豎直排列半導(dǎo)體納米線的光電探測器制備方法，該方法的核心工藝包括：豎直排列納米線的旋涂包裹支撐、低溫?zé)崽幚?、電極的配置等。該方法對于半導(dǎo)體納米線的尺寸、力學(xué)強(qiáng)度等沒有特殊要求，因而將不僅僅局限于常規(guī)的Si、ZnO等耐沖擊材料體系的的納米線探測器制備，同時(shí)適于研發(fā)GaAs、InAs等III-V族以及其他材料體系的納米線器件。另一方面所采用的低折射率旋涂介質(zhì)以及低溫?zé)崽幚砉に嚨葘⒂兄诖蠓嵘{米線器件的光電探測性能，這也是一直以來器件研發(fā)中所忽視的問題。該方法可以直接對外延生長的半導(dǎo)體納米線進(jìn)行器件制備，因此尤其適用于高靈敏度、大規(guī)模陣列型光電探測器的研發(fā)。
【專利說明】 基于豎直排列半導(dǎo)體納米線的光電探測器制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)光電探測器的制備方法，具體是指一種豎直排列納米線光電探測器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體納米線因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光電特性，在光電探測和太陽能收集領(lǐng)域的研究獲得了廣泛的關(guān)注，其部分核心性能已經(jīng)接近甚至超過經(jīng)典薄膜材料。特別是自組織生長的豎直排列納米線結(jié)構(gòu)，由于“光學(xué)陷阱”等效應(yīng)而具有極高的光吸收和轉(zhuǎn)換效率，因而是新型高靈敏度、高效光電子器件的天然優(yōu)異材質(zhì)。
[0003]而到目前為止，半導(dǎo)體納米線光電探測器多數(shù)摒棄了納米線天然的豎直排列結(jié)構(gòu)，同時(shí)工藝過程中的電子束光刻、刻蝕、高溫?zé)崽幚淼炔豢杀苊獾脮韺{米線的表面損傷，這些因素直接導(dǎo)致了納米線光電探測性能的急劇下降。此外，當(dāng)前國際上針對豎直排列納米線結(jié)構(gòu)已經(jīng)開展的光電探測器研發(fā)，其工藝條件多是針對S1、ZnO等耐沖擊材料體系，因而具有相當(dāng)?shù)木窒扌浴?br> [0004]本發(fā)明中將通過一些核心工藝:豎直排列納米線的旋涂包裹支撐、低溫?zé)崽幚怼㈦姌O的配置等的采用實(shí)現(xiàn)對自組織生長納米線的探測器應(yīng)用以及納米線光電性能的實(shí)質(zhì)性提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]當(dāng)前基于豎直排列納米線結(jié)構(gòu)的光電探測器存在的不足可以概括為2方面:①對納米線的包裹支撐等工藝只適用于S1、ZnO等耐沖擊材料體系，缺乏普適性；②大量的高溫?zé)崽幚磉^程中對納米線的損傷十分顯著，從而帶來器件性能的急劇下降。本發(fā)明針對這些問題，提供了一種普適的、高靈敏的半導(dǎo)體納米線光電探測器制備方法。
[0006]本方法中首先解決的是自組織生長納米線的無損包裹支撐。自組織生長納米線的豎直排列結(jié)構(gòu)是一種天然的、亞微米波長的類周期結(jié)構(gòu)，其對光波的增強(qiáng)耦合、吸收效應(yīng)一直以來都受到了廣泛的關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)對這種新結(jié)構(gòu)的器件應(yīng)用，如何提供必要的保護(hù)性支撐成為了當(dāng)前攻關(guān)的難題。機(jī)械旋涂是半導(dǎo)體器件中常用的一種成膜工藝，在此被靈活得應(yīng)用于對納米線的致密包裹和支撐。旋涂介質(zhì)的選擇是關(guān)乎包裹成敗的關(guān)鍵，其中介質(zhì)粘稠度的配置又是核心。特別是對于一些力學(xué)強(qiáng)度較弱的材料體系，旋涂介質(zhì)粘稠度的選取窗口更加狹窄。
[0007]實(shí)際上包裹不僅僅是對納米線的力學(xué)支撐，同時(shí)也是完善豎直排列納米線的光電耦合結(jié)構(gòu)、鈍化納米線表面進(jìn)而固化納米線電學(xué)特性的重要途徑。其中要著重關(guān)注的問題包括2方面:①旋涂介質(zhì)的烘焙應(yīng)采用低溫?zé)崽幚磉^程，目的是避免高溫對納米線，尤其是納米線表面的損傷。區(qū)別于體材料，納米線的高表面體積比使得表面損傷等對其性能的影響十分顯著。②包裹介質(zhì)層的折射率應(yīng)遠(yuǎn)小于納米線材料，目的是為了實(shí)現(xiàn)納米線與周圍介質(zhì)層的強(qiáng)烈介電常數(shù)對比，從而實(shí)現(xiàn)電磁場在納米線中的聚集效應(yīng)，即“光學(xué)陷阱”效應(yīng)。[0008]本發(fā)明其次要解決的是納米線探測器的電極配置問題。區(qū)別于常規(guī)光電探測器的上電極采用微區(qū)電極的方式，納米線器件為了實(shí)現(xiàn)對光敏元內(nèi)所有納米線的閉環(huán)導(dǎo)電接觸，其上電極必須做到對光敏元的完全覆蓋。同時(shí)考慮到襯底的重?fù)诫s特性，器件的光引入方式需采用頂端入射的方式，因而要求上電極需為透明電極。此外，為了滿足電學(xué)測試的需要，額外的金屬延伸電極是必須的。
[0009]本發(fā)明半導(dǎo)體納米線光電探測器的具體制備步驟如下:
[0010]I)對豎直排列納米線進(jìn)行絕緣旋涂包裹，采用機(jī)械旋涂方法來完成，旋涂介質(zhì)的粘稠度應(yīng)在300-500mPa之間，固化后旋涂介質(zhì)的折射率要小于納米線的折射率；
[0011]2)對旋涂介質(zhì)的低溫烘焙固化，溫度小于150°C ；
[0012]3)通過拋光減薄納米線及其支撐介質(zhì)，使納米線頂端裸露出來；
[0013]4)第一次光刻，制備器件頂端透明電極的圖形結(jié)構(gòu)；
[0014]5)蒸鍍ITO透明電極、浮膠及退火，以作為豎直排列納米線的頂端接觸電極；
[0015]6)第二次光刻，制備延伸電極的圖形結(jié)構(gòu)；
[0016]7)蒸鍍延伸金屬電極、浮膠、退火，作為納米線的電學(xué)測試用電極；
[0017]8)試樣基片形成歐姆接觸，用來作為公共下電極。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)勢體現(xiàn)在其工藝方案具有相當(dāng)?shù)钠者m性，不僅僅可以用于S1、ZnO等耐沖擊材料體系的納米線器件制備，同時(shí)也能滿足II1-V族以及其他材料體系納米線光電探測器的研發(fā)要求。一些核心工藝中的細(xì)節(jié)，也是之前一直被忽視的問題，如包裹介質(zhì)粘稠度、器件熱處理的溫度等將有可能成為納米線光電探測器性能提升、進(jìn)而逼近其極限的關(guān)鍵。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明核心工藝的流程圖。其中(a)為自組織生長的納米線樣品示意圖，(b)為經(jīng)過機(jī)械旋涂、烘焙、減薄后的樣品示意圖，(c)為制備ITO電極后的樣品結(jié)構(gòu)示意圖，Cd)為延伸電極制備后的樣品結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面以GaAs納米線為實(shí)施例，結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說明。
[0021]豎直排列納米線光電探測器的核心工藝流程如圖1所示，包括機(jī)械旋涂、烘焙、拋光減薄、光刻、ITO電極制備、金屬外延電極制備等。
[0022]首先通過機(jī)械旋涂的方法在樣品上表面旋涂一層均勻的PMMA聚合物(折射率要低于納米線材料，厚度略高于納米線的高度)；然后對包裹的樣品進(jìn)行烘焙，使其完全固化；最后通過拋光減薄的方法去除頂端的包裹物，使得納米線頂端裸露出來，以達(dá)到后續(xù)電極制備的要求。
[0023]其次如圖1 (C)所示意，通過光刻、電極蒸鍍、退火等工藝，在裸露出來的納米線頂端制備ITO透明電極，其目的一方面是為了形成光敏元內(nèi)所有納米線的閉環(huán)導(dǎo)電接觸，另一方面透明電極的使用也為正上方光引入提供了方便。圖1 (d)所示為后續(xù)金屬延伸電極的制備示意圖，其目的是為器件電學(xué)測試提供方便。
[0024]以上所述的實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的范圍不僅局限于上述具體實(shí)施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于豎直排列半導(dǎo)體納米線的光電探測器制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)對豎直排列納米線進(jìn)行絕緣旋涂包裹。采用機(jī)械旋涂的方法，旋涂介質(zhì)的粘稠度應(yīng)在300-500mPa之間，固化后介質(zhì)的折射率小于納米線的折射率； 2)對旋涂介質(zhì)的低溫烘焙固化，溫度小于150°C； 3)通過拋光減薄納米線及其支撐介質(zhì)，使納米線頂端裸露出來； 4)第一次光刻，制備器件頂端透明電極的圖形結(jié)構(gòu)； 5)蒸鍍ITO透明電極、浮膠及退火，以作為豎直排列納米線的頂端接觸電極； 6)第二次光刻，制備延伸電極的圖形結(jié)構(gòu)； 7)蒸鍍延伸金屬電極、浮膠、退火，作為納米線的電學(xué)測試用電極； . 8 )試樣基片形成歐姆接觸，用來作為公共下電極。
【文檔編號】H01L31/18GK103681962SQ201310591009
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】夏輝, 李天信, 姚碧霂, 盧振宇, 陳平平 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所