[发明专利]基于半导体碳纳米管的级联红外光探测器

说明书

技术领域

本发明涉及红外光探测器，特别是基于半导体碳纳米管构建的红外探测器。

背景技术

红外光探测是在光探测领域中一个非常重要的方向，在工业、军事和科学应用中大量应用，包括监控、制造工艺控制、光通讯、生物以及军事上的夜间探测等。基于各种材料的红外光探测器目前是各国科学家的研究热点。基于传统半导体材料的红外探测器，虽然量子效率较高，低温下的极限探测性能好，可以达到高的探测度和快的响应速度，但是由于技术难度大，工艺复杂，价格较高，难以更大规模应用，尤其在室温条件下的高性能宽谱红外探测器一直未能得到较好实现。

碳纳米管材料具有独特的电学特性和光学特性，被认为是构建新型红外探测器的优选材料。作为一维半导体材料的代表，具有构建高效纳米光电子器件特别是红外光探测的几乎所有需要的优异性质。首先，半导体纳米碳管是直接带隙材料，在红外波段具有很好的光吸收特性，由于碳管直径可以在很大范围进行调控，对应的可探测波长范围达到1微米-12微米，远远超过一般的红外探测器。其次，碳纳米管具有较高的室温迁移率，是良好的导电通道材料。此外，碳纳米管薄膜具有极低的光反射系数。碳纳米管的独特的能带结构使得碳纳米管中存在光生载流子倍增效应，其量子效率远远高于一般的块体半导体材料，使得基于碳纳米管材料的红外探测器量子效率得到极大提高。最后尤其重要的是，半导体碳纳米管同时具有近乎完美的电子型接触金属钪(Sc)【Z.Y.Zhang，X.L.Liang，S.Wang，K.Yao，Y.F.Hu，Y.Z.Zhu，Q.Chen，W.W.Zhou，Y.Li，Y.G.Yao，J.Zhang，and L.M.Peng，Nano Letters 7(12)(2007)3603】和金属钇(Y)【L.Ding，S.Wang，Z.Y.Zhang，Q.S.Zeng，Z.X.Wang，T.Pei，L.J.Yang，X.L.Liang，J.Shen，Q.Chen，R.L.Cui，Y.Li，and L.-M.Peng，Nano Letters 9(2009)4209】，以及空穴型接触金属Pd【A.Javey，J.Guo，Q.Wang，M.Lundstrom，H.J.Dai，Nature 424(2003)654】。采用不同的金属分别实现电子和空穴的欧姆接触为构建基于碳纳米管的高性能红外探测器的实现提供了保证。我们先前在单根半导体碳纳米管两端分别采用Pd和Sc接触电极已经成功制备出高性能的光电二极管【S.Wang，L.H.Zhang，Z.Y.Zhang，L.Ding，Q.S.Zeng，Z.X.Wang，X.L.Liang，M.Gao，J.Shen，H.L.Xu，Q.Chen，R.L.Cui，Y.Li and Lian-Mao Peng，J.Phys.Chem.C 113(2009)6891】，如图1所示，这种结构的光电二极管具有较好的光电转换特性。但作为红外光探测器的应用而言，基于这种结构的单根碳纳米管的红外探测器的一个明显的缺点是输出光电流太小，探测器的电流响应度低，无法满足实际的弱光探测需要，这主要是由于单根碳纳米管材料的对入射光相对较小的光吸收面积。

传统的红外光伏探测器单个像素一般为几十平方微米，通过级联几十甚至几百个光电二极管来提高探测器总的信噪比【Edson Gomes Camargo，Koichiro Ueno，Yoshifumi Kawakami，Yoshitaka Moriyasu，Kazuhiro Nagase，Masayuki Satou，Hidetoshi Endo，Kazutoshi Ishibashi，Naohiro Kuze，Optical Engineering 47(2008)014402】。而在传统的多结级联的红外光探测器中，一般采用金属加上隧穿结的方式将不同材料或者相同材料的探测器单元进行连接，隧穿结的制备工艺复杂，需要考虑晶格匹配，带隙等多种因素，例如需要采用不同的重掺杂材料进行连接，隧穿结的性能往往决定了探测器的最后性能。

因此，如何将基于一维碳纳米管材料的光探测器级联起来，对于构建出能在室温下运用的高性能红外探测器具有极为重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将基于单根半导体碳纳米管的光电二极管级联起来的方法，获得一种高灵敏度、高信噪比的级联红外光探测器。

本发明的技术方案如下：