[发明专利]一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的高性能红外探测器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的高性能红外探测器及其制备方法，采用双温区气相法、选择金属锡作为催化剂和轻掺杂源，实现了高空穴迁移率GaSb纳米线的可控生长，其场效应空穴迁移率超过1000cm²V^‑1s^‑1。采用微纳加工技术制备的高性能GaSb纳米线红外探测器件包括Si/SiO₂衬底、单根GaSb纳米线及金属电极。器件具有优良的光电特性，对1550纳米的红外光展现了10⁴安/瓦的高响应度，及143.4微秒和237.0微秒的超快响应时间，工艺可控性强，操作简单，成本低廉。

技术领域

本发明涉及一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的高性能红外探测器及其制备方法，属于半导体纳米材料及器件领域。

背景技术

半导体红外探测器在情报、监视、侦查、精确制导、激光定位等国防领域及农业监测、生物医疗、空间遥感、机器视觉等民用领域均具有重要应用。红外探测器的特征性能包括等效噪声功率或探测率、响应度、光电流增益、响应时间等。其中，响应度和响应时间是分别描述器件光电转换能力和速度的重要参数，高响应度要求探测器迁移率高、自由载流子寿命长、量子效率高、厚度小；快速响应时间要求光生载流子的扩散速度和漂移速度快。因此，提高器件的迁移率将有利于进一步提升红外探测器的性能。目前，红外探测器大多基于有毒性的碲镉汞材料，而三族锑化物半导体由于其窄带宽、高载流子迁移率以及适中的热传导系数等优点，被认为是在未来高性能红外探测器领域中替代碲镉汞的材料之一。同时，一维纳米线材料凭借其超高的比表面积、高光吸收能力、高灵敏度及低功耗的优势受到越来越多的关注。其中，锑化镓(GaSb)纳米线具有超高的理论空穴迁移率(1000cm²V^-1s^-1)和窄带宽(0.72eV)，在制备高性能红外探测器方面具有先天优势。

虽然在之前的生长方法中，GaSb纳米线的直径、长度、生长方向和结晶度等都得到了很好的控制，场效应空穴迁移率达到了330-400cm²V^-1s^-1，但仍远低于高性能的电子型半导体材料，这直接导致GaSb纳米线基光电子器件的发展遇到瓶颈。因此，获得更高迁移率的GaSb纳米线并实现高性能光电子器件具有重要意义。在本征空穴型(p型)半导体中，轻掺杂将有效改善晶体质量而降低库仑散射作用，有利于空穴迁移率的提高。另一方面，在化学气相沉积合成纳米线的方法中，所使用的金属催化剂被证明可以微量的掺杂到纳米线晶格中，调控纳米线的能带结构及其电学输运性质。因此，选择合适的与现有硅工艺相兼容的金属催化剂，并实现对纳米线的轻掺杂而调控其迁移率和能带结构是现今GaSb纳米线研究面临的难点。由此可见，优化GaSb纳米线的生长方法对进一步提升其红外探性能具有重要的意义。

基于上述研究现状，提出本发明。

发明内容

针对目前GaSb纳米线空穴迁移率较低的难题，以及现有的红外探测器大多基于有毒性的碲镉汞材料的缺陷，本发明提供一种高空穴迁移率GaSb纳米线的合成方法及基于该GaSb纳米线的高性能红外探测器件及制备方法。本发明通过表面活性剂辅助化学气相沉积方法、选择金属锡作为生长GaSb纳米线的催化剂和轻掺杂源，制备出密度均匀、表面光滑的高迁移率GaSb纳米线，其场效应空穴迁移率超过1000cm²V^-1s^-1。进一步，本发明利用生长的高空穴迁移率GaSb纳米线制备出响应度高、响应速度快的纳米线红外探测器件，操作简单，成本低廉。

本发明的技术方案如下：

一种基于高空穴迁移率GaSb纳米线的半导体器件，所述半导体器件包括p型硅作为底栅电极、Si/SiO₂衬底上的源极和漏极、源极和漏极之间由GaSb纳米线材料组成的沟道，所述的GaSb纳米线掺杂有锡。