[发明专利]一种室温InAsSb纳米线中红外光电探测器及制备方法

说明书

本发明公开了一种室温InAsSb纳米线中红外光电探测器及制备方法，其中，探测器包括：衬底；二氧化硅介质层，设于衬底上；InAsSb纳米线，外部包覆Al₂O₃介质层并设于二氧化硅介质层上；所述InAsSb纳米线一端引出有第一电极，另一端引出有第二电极；所述第一电极和第二电极均设置于二氧化硅介质层上；铁电薄膜栅，旋涂在Al₂O₃介质层上；透明栅电极，设置于铁电薄膜栅顶部。本发明的探测器工作时，外部的铁电薄膜栅能够有效抑制器件暗电流，内部的Al₂O₃介质层能够降低表面非辐射复合中心密度，达到减小室温下器件暗电流的目的，增强了InAsSb纳米线表面对可见光生电子的束缚作用，从原理上解决了传统InAsSb纳米线红外探测器只能工作在低温下的缺陷，最终保证了室温环境下的有效性。

技术领域

本发明涉及纳米线红外光电探测器研究领域，尤其是涉及一种室温InAsSb纳米线中红外光电探测器及制备方法。

背景技术

针对中红外波段的探测，对于红外热成像、非接触测量、资源勘查、遥感测量、医学影像、深空探测与科学研究等领域具有重大意义，与国民经济和国防安全密切相关。中波红外是电磁波辐射在大气传输中透过率较高的窗口。利用此波段进行探测，有利于获得目标对象更强更远的反射或辐射电磁信息。现阶段，探测中红外最具成熟的方案采用半导体中红外光电探测器，这类探测器具有固态、体积小、可靠性高与规模化效益等优特点，成为全球重要国家与机构的研究热点。

当前被广泛研究的半导体中红外光电探测器，大多数主要基于锑化铟，碲镉汞及砷化铟-锑化镓II类超晶格等材料体系。尽管此类器件已广泛地应用于生产生活中，然而这些器件在实际应用当中存在两个严重缺陷，其一是需要低温制冷条件才能取得较高信噪比等优异探测性能，其二是单个芯片的探测波长覆盖范围有限，不利于多光谱与超光谱成像等应用。为解决这些缺陷，可以开发一些借助外围设备或多波长芯片集成等技术方案，但会导致整个探测系统不仅结构与体积臃肿，而且集成复杂与成本高昂。

在此背景下，以InAsSb纳米线为基础的光电探测器，逐渐发展成为国际上中红外光电探测技术研究前沿方向。与传统体材料和其他二维材料相比，准一维结构的纳米线侧壁对纳米线与衬底之间晶格失配应力具有弹性调节作用，因此可以最大限度减少界面处线位错与点缺陷的密度，形成近似理想的异质界面与结构，有效抑制了少数载流子在界面间的扩散运动，促进纳米线与异质材料和结构的集成。同时，由于三元合金半导体材料光学带隙可随组分可调的属性，InAsSb纳米线光电探测器的工作波长可以全覆盖整个中红外波段。InAsSb材料还具有以下优点：光学带隙随组分变化较缓慢，工作波长调节更容易精确操控；化学键主要由共价键作用贡献，化学与结构稳定性更好；介电常数更小，pn结型光电探测器的响应速度更快；组分的室温自扩散系数更小，更适合在室温环境下工作。

除此之外，由于纳米线表面元素分布不均匀和天然氧化层，导致InAsSb纳米线表面层含有丰富的表面态，这些表面态具有俘获纳米线核层自由电子的能力，InAsSb纳米线能够表现出宏观的负光电导现象。在负光电导状态下再进行中红外探测，能够有效地抑制暗电流，最大可降低5个量级。同时，由于对更长波长的弱能量红外光子探测效率的提高，可将InAsSb纳米线器件的探测波长拓宽到中红外。

然而，由于InAsSb纳米线表面态对光生电子的俘获能力受温度影响明显，室温时大部分被表面态俘获的光生电子从周围环境获得足够热能后会克服层间势垒的阻挡作用，再次返回纳米线核层，导致负光电导效应减弱甚至消失，最终导致无法实现室温下对中红外辐射的高性能探测。