[发明专利]半导体性碳纳米管红外光探测成像器

说明书

技术领域

本发明涉及红外光探测成像器，尤其是基于半导体性碳纳米管制备的红外光探测成像器。

背景技术

红外探测成像器具有广阔的应用前景，诸如红外夜视，汽车自动驾驶，产品检测以及军事应用等方面。现有的红外探测成像器主要是基于传统体材料比如铟镓砷、HgCdTe等材料探测器，需要制冷才能够换取高性能。此外，上述材料制备工艺复杂，通常需要MOCVD或者MBE外延生长，与现有的主流CMOS加工技术不兼容，且上述材料对于外延生长的衬底具有严格的要求，导致其价格昂贵，难以大规模制备。因此，对于制备室温工作的红外高性能光探测器成为国内外研究人员的研究热点课题。

碳纳米管具有构建高性能红外光探测器的优异特性。首先，半导体型碳纳米管是直接带隙的材料，具有对称的能带结构，通过调节碳纳米管的手性和直径可以调节碳纳米管的能隙，使得碳纳米管的波长响应范围可以覆盖1μm-12μm,远远超过了一般的红外光探测器的探测范围。其次，碳纳米管的光吸收系数可以高达10⁵cm^-1。第三，溶液法制备高半导体纯度的碳纳米管技术的发展使得半导体性碳纳米管的纯度可以达到>99.9％，使得在晶圆量级规模化制备碳纳米管红外探测器件成为可能。【Yang Liu,Nan Wei,Qingsheng Zeng,Jie Han,Huixin Huang,DonglaiZhong,Fanglin Wang,Li Ding,Jiye Xia,Haitao Xu,Ze Ma,Song Qiu,Qingwen Li,Xuelei Liang,Zhiyong Zhang,Sheng Wang,Lian-Mao Peng,Advanced Optical Materials 4(2016)238-245】。第四，碳纳米管完美的晶格结构使其表面不存在悬挂键，对称的能带结构使其同时具有金属接触主导的n型和p型欧姆接触。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】。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】，这种结构的光电二极管具有较好的光电转换特性。对于红外探测的实际应用，基于单根碳纳米管的红外探测器对于入射光的吸收少，导致探测器的响应度和探测率低，无法满足实际的弱光探测需要。最后，碳纳米管器件的加工工艺与现有的CMOS加工工艺兼容，使其规模化制备成为可能。此外，碳纳米管对于基片衬底没有选择性，可以在各种沉底上制备，使其加工工艺难度下降，应用领域扩大。传统的红外光伏探测器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,KazutoshiIshibashi,NaohiroKuze,Optical Engineering 47(2008)014402】。在传统的多结级联的红外光探测器中，通常利用重掺杂的方式制备隧穿结分立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，导致其单个像素一般为几十平方微米甚至更大。

现有的碳纳米管红外光探测成像器均工作在电流模式的条件下。然而，碳纳米管有限的吸收面积以及限制其产生的光电流通常在纳安量级，导致其响应度和探测率较低，无法和现有的商用探测器相比拟。