JP2011119291A - BLUE/ULTRAVIOLET LIGHT DETECTION DEVICE USING SINGLE-CRYSTAL ZnSe NANOBELT, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME - Google Patents
BLUE/ULTRAVIOLET LIGHT DETECTION DEVICE USING SINGLE-CRYSTAL ZnSe NANOBELT, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011119291A JP2011119291A JP2009232381A JP2009232381A JP2011119291A JP 2011119291 A JP2011119291 A JP 2011119291A JP 2009232381 A JP2009232381 A JP 2009232381A JP 2009232381 A JP2009232381 A JP 2009232381A JP 2011119291 A JP2011119291 A JP 2011119291A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- znse
- nanobelt
- blue
- ultraviolet light
- insulating layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002127 nanobelt Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 13
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N (fluoren-9-ylideneamino) n-naphthalen-1-ylcarbamate Chemical compound C12=CC=CC=C2C2=CC=CC=C2C1=NOC(=O)NC1=CC=CC2=CC=CC=C12 PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 52
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 12
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N Ethylenediamine Chemical compound NCCN PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 2
- NWZSZGALRFJKBT-KNIFDHDWSA-N (2s)-2,6-diaminohexanoic acid;(2s)-2-hydroxybutanedioic acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](O)CC(O)=O.NCCCC[C@H](N)C(O)=O NWZSZGALRFJKBT-KNIFDHDWSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- IKDUDTNKRLTJSI-UHFFFAOYSA-N hydrazine monohydrate Substances O.NN IKDUDTNKRLTJSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 239000002074 nanoribbon Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L zinc sulfate Chemical compound [Zn+2].[O-]S([O-])(=O)=O NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229960001763 zinc sulfate Drugs 0.000 description 1
- 229910000368 zinc sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
【課題】青色及び紫外線領域において高感度で暗電流が極小である新規な光検出器を得る。
【解決手段】光検知デバイスは以下の構成要素を有している。（ａ）絶縁層に覆われたＳｉ基板、（ｂ）前記絶縁層上に置かれた単結晶ＺｎＳｅナノベルト、及び（ｃ）前記ＺｎＳｅナノベルトの上に形成された２つの分離された金属電極。前記絶縁層は、ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３で、厚さは、２００ｎｍから６００ｎｍの範囲である。
【選択図】図１A novel photodetector having high sensitivity and minimal dark current in the blue and ultraviolet regions is obtained.
The light detection device has the following components. (A) a Si substrate covered with an insulating layer; (b) a single crystal ZnSe nanobelt placed on the insulating layer; and (c) two separate metal electrodes formed on the ZnSe nanobelt. The insulating layer is made of SiO 2 or Al 2 O 3 and has a thickness in the range of 200 nm to 600 nm.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は単結晶ＺｎＳｅナノベルトを使用した新規で高性能な単結晶青色／紫外線光検知デバイスすなわち光センサ、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a novel and high performance single crystal blue / ultraviolet light sensing device or photosensor using a single crystal ZnSe nanobelt, and a method for manufacturing the same.
１次元ナノ構造は、その大きな表面積対体積比（ＳＶＲ）と合理的に設計された表面により、基本的な特性及びそのナノスケールデバイスへの応用の可能性について広範な研究がなされている。個別の１次元ナノ構造を使って製造されたナノスケールデバイスは、商業用途と研究室での試験の両面で広い範囲のガス、化学物質及び生物医学的な種を検出するための超高感度ナノセンサとして実証された。ナノワイヤ及びナノベルトはナノ科学及びナノテクノロジーの最前線に立つ１次元ナノ構造の重要かつ広いクラスを代表している。２００１年にＺ．Ｌ．Ｗａｎｇのグループによって最初に報告されたナノベルトは、明確な化学組成、結晶学的性質及びそれを囲む表面を有する、１次元の構造的に制御されたナノ材料である（非特許文献１を参照）。大表面積が光に露出されるので、各種のナノベルト／ナノリボンからナノメートルスケールのマルチバンド光センサが組み立てられてきた（非特許文献２を参照）。 One-dimensional nanostructures have been extensively studied for their basic properties and potential applications in nanoscale devices due to their large surface area to volume ratio (SVR) and reasonably designed surfaces. Nanoscale devices fabricated using individual one-dimensional nanostructures are ultrasensitive nanosensors for detecting a wide range of gases, chemicals and biomedical species for both commercial use and laboratory testing. As demonstrated. Nanowires and nanobelts represent an important and broad class of one-dimensional nanostructures that are at the forefront of nanoscience and nanotechnology. In 2001, Z. L. The nanobelt first reported by Wang's group is a one-dimensional structurally controlled nanomaterial with a well-defined chemical composition, crystallographic properties and surrounding surface (see Non-Patent Document 1). . Since the large surface area is exposed to light, nanometer-scale multiband optical sensors have been assembled from various nanobelts / nanoribbons (see Non-Patent Document 2).
重要なＩＩ−ＶＩ属化合物半導体であり室温で２．７０ｅＶ（約４６０ｎｍ）という広い直接バンドギャップを持つセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）は、長いあいだ光電子工学の有望な材料であると考えられてきた（非特許文献３を参照）。ＺｎＳｅは青色領域で動作するＩＩ−ＶＩ発光ダイオード（ＬＥＤ）及びダイオードレーザー中に使用されている。ＳｉやＧａＡｓと比較して、ＺｎＳｅは青色／紫外線（ＵＶ）に対する感度が高い。各種の形態の１次元ＺｎＳｅナノ構造の成長及び工学的性質についての研究は多数あるが、現在のところ、これらについての光電特性面での研究はわずかしかなされていないことは注目すべきである。報告にあるＺｎＳｅナノ構造は暗電流が大きいか、あるいは安定性が乏しいという問題を抱えている（非特許文献４〜６を参照）。安定性が高くまた再現性のある光電流、大きな光電流対暗電流比及び時間応答が早いなどの高性能を有する効率的な光検出器を開発することは依然として解決すべき課題である。 Zinc selenide (ZnSe), which is an important II-VI compound semiconductor and has a wide direct band gap of 2.70 eV (about 460 nm) at room temperature, has long been considered a promising material for optoelectronics ( (Refer nonpatent literature 3). ZnSe is used in II-VI light emitting diodes (LEDs) and diode lasers operating in the blue region. Compared to Si and GaAs, ZnSe is more sensitive to blue / ultraviolet light (UV). It should be noted that there are many studies on the growth and engineering properties of various forms of one-dimensional ZnSe nanostructures, but currently only a few studies have been made on the photoelectric properties of these. The reported ZnSe nanostructures have the problem that the dark current is large or the stability is poor (see Non-Patent Documents 4 to 6). The development of efficient photodetectors with high performance such as highly stable and reproducible photocurrent, large photocurrent to dark current ratio and fast time response remains a problem to be solved.
単結晶ＺｎＳｅナノベルトについては、Ｚ．Ｄ．Ｈｕ他は、ＺｎＳｅナノベルト及びナノワイヤはキャリアガスを使用しない閉空間蒸気輸送技術により同時に合成されることを報告した（非特許文献７を参照）。
また、Ｆ．Ｗａｎｇ他は、セレン化亜鉛ナノリボンは高純度ＺｎＳｅ粉末の簡単な熱蒸発によってシリコンウェファー上に合成されることを報告した（非特許文献８を参照）。
For single crystal ZnSe nanobelts, see Z. D. Hu et al. Reported that ZnSe nanobelts and nanowires were synthesized simultaneously by a closed space vapor transport technique that does not use a carrier gas (see Non-Patent Document 7).
F.F. Wang et al. Reported that zinc selenide nanoribbons were synthesized on silicon wafers by simple thermal evaporation of high purity ZnSe powder (see Non-Patent Document 8).
単結晶ＺｎＳｅナノベルトの上述の報告の以前に、Ｓ．Ｘｉｏｎｇ他は、混合ソルボサーマルルートにより合成されたリボン状の前駆物質（ＺｎＳｅ・３エチレンジアミン）をアルゴン雰囲気中で熱処理することによって、直径が１５〜２０ｎｍの範囲で長さが最大数１０μｍのＺｎＳｅナノワイヤの多数の１次元の束を作製したことを報告した（非特許文献９を参照）。 Prior to the above report of single crystal ZnSe nanobelts, Xiong et al. Describe a ZnSe nanowire having a diameter in the range of 15 to 20 nm and a maximum length of several 10 μm by heat-treating a ribbon-like precursor (ZnSe · 3 ethylenediamine) synthesized by a mixed solvothermal route in an argon atmosphere. (See Non-Patent Document 9).
ナノ材料及びナノ構造を合成する方法は、作製中に使用される反応媒体に基づいて２つの大きなアプローチ、すなわち溶液を使ったプロセスと気体を使ったプロセス、に分類することができる。溶液を使ったプロセスは、気体を使ったプロセスと比較して、以下のような際立った利点を有する。
（１）反応温度が低い。これはナノ材料を低コストで合成するための重要な条件である。
（２）大規模のＺｎＳｅナノベルト合成の収量が多い。これはＺｎＳｅナノベルトの実用化のために非常に重要である。
最近、Ｓ．Ｘｉｏｎｇ他は、後述の実施例で述べるように簡単な溶液ベースのプロセスによりＺｎＳｅナノベルトの作製を試み、単結晶ＺｎＳｅナノベルトの新しい製造方法の開発に成功している。
Methods of synthesizing nanomaterials and nanostructures can be divided into two major approaches based on the reaction medium used during fabrication: a process using a solution and a process using a gas. The process using a solution has the following distinct advantages over the process using a gas.
(1) The reaction temperature is low. This is an important condition for synthesizing nanomaterials at low cost.
(2) The yield of large-scale ZnSe nanobelt synthesis is high. This is very important for the practical application of ZnSe nanobelts.
Recently, S.M. Xiong et al. Attempted to fabricate a ZnSe nanobelt by a simple solution-based process as described in Examples below, and succeeded in developing a new method for producing a single crystal ZnSe nanobelt.
本発明の課題は、簡単な溶液プロセスにより作製された上記ＺｎＳｅナノベルトを利用した高性能青色／紫外線光検知デバイス（光センサ）を提供することである。本発明の他の課題は、青色／紫外線光検知デバイス（光センサ）の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a high-performance blue / ultraviolet light detection device (photosensor) using the ZnSe nanobelt manufactured by a simple solution process. Another object of the present invention is to provide a method for producing a blue / ultraviolet light detecting device (photosensor).
上記課題を達成するため、本願発明者ら鋭意研究開発を進めた結果、本発明を完成したものである。 The present inventors have completed the present invention as a result of intensive research and development to achieve the above object.
本発明によれば、以下の構成要素を設けた、ＺｎＳｅナノベルトベースの青色／紫外線光検知デバイスが提供される。
（ａ） 絶縁層に覆われたＳｉ基板、
（ｂ） 前記絶縁層上に置かれた単結晶ＺｎＳｅナノベルト、及び
（ｃ） 前記ＺｎＳｅナノベルトの上に形成された２つの分離された金属電極。
According to the present invention, there is provided a blue / ultraviolet light detection device based on ZnSe nanobelt, provided with the following components.
(A) a Si substrate covered with an insulating layer;
(B) a single crystal ZnSe nanobelt placed on the insulating layer, and (c) two separated metal electrodes formed on the ZnSe nanobelt.
本発明はまた以下のステップを有するＺｎＳｅナノベルトベースの青色／紫外線光検知デバイスの製造方法を提供する。
（ｉ） 絶縁層で覆われたＳｉ基板上にＺｎＳｅナノベルトを分散させる。
（ｉｉ） 光リソグラフィーを用いて前記Ｓｉ基板上にレジストパターンを形成し、金属電極用の金属材料を前記Ｓｉ基板及び前記レジストパターン上に電子ビームデポジションし、その後にリフトオフプロセスを行うことにより、前記ナノベルトの上に金属電極をパターン形成する。
The present invention also provides a method of manufacturing a ZnSe nanobelt based blue / ultraviolet light sensing device having the following steps.
(I) A ZnSe nanobelt is dispersed on a Si substrate covered with an insulating layer.
(Ii) forming a resist pattern on the Si substrate using photolithography, depositing a metal material for a metal electrode on the Si substrate and the resist pattern, and then performing a lift-off process; A metal electrode is patterned on the nanobelt.
本発明によるデバイスは高いスペクトル選択性と光電流即時減少比（ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ ｉｍｍｅｄｉａｔｅ ｄｅｃａｙ ｒａｔｉｏ）（＞９９％）、及び高速の時間応答を示す。これはＺｎＳｅナノベルトを青色／紫外線（λ＜４６０ｎｍ）光検知デバイス（光検出器）として効果的に使用できることを示している。
また、本発明の製造方法を使用することにより、本発明による青色／紫外線光検知デバイス（光検出器）を再現性良く製造することができる。
The device according to the present invention exhibits high spectral selectivity, photocurrent immediate decay ratio (> 99%), and fast time response. This indicates that the ZnSe nanobelt can be effectively used as a blue / ultraviolet (λ <460 nm) light sensing device (light detector).
Further, by using the manufacturing method of the present invention, the blue / ultraviolet light detecting device (photodetector) according to the present invention can be manufactured with good reproducibility.
すでに述べたように、本発明はＺｎＳｅナノベルトベースの青色／紫外線光検知デバイス（光検出器）を提供する。このデバイスは以下の（ａ）から（ｃ）の要素を含む。
（ａ） 絶縁体層に覆われたＳｉ基板、
（ｂ） 絶縁体層上に置かれた単結晶ＺｎＳｅナノベルト、及び
（ｃ） 前記ＺｎＳｅナノベルトの上に形成された２つの分離された金属電極。
As already mentioned, the present invention provides a ZnSe nanobelt based blue / ultraviolet light sensing device (photodetector). This device includes the following elements (a) to (c).
(A) a Si substrate covered with an insulator layer;
(B) a single crystal ZnSe nanobelt placed on the insulator layer, and (c) two separate metal electrodes formed on the ZnSe nanobelt.
ここにおいて、要素（ａ）の単結晶ＺｎＳｅナノベルトとして、好ましくは後述の実施例で述べる方法で製造されたＺｎＳｅナノベルト中から良品として選択された単結晶ＺｎＳｅナノベルトを使用することができる。なぜなら、このようなナノベルトには双晶や欠陥がほとんどなく、それによりそれらは高性能の青色／紫外線光検知ＺｎＳｅナノベルト光検出器のようなデバイスとして適切に使用することができるからである。 Here, as the single-crystal ZnSe nanobelt of the element (a), a single-crystal ZnSe nanobelt selected as a non-defective product from among the ZnSe nanobelts manufactured by the method described in the following examples can be preferably used. This is because such nanobelts have few twins and defects, so that they can be used appropriately as devices such as high performance blue / ultraviolet light sensitive ZnSe nanobelt photodetectors.
ここにおいて、絶縁体層として、たとえばＳｉＯ２層あるいはＡｌ２Ｏ３層を使用することができ、その好ましい厚さは約２００ｎｍから約６００ｎｍである。 Here, for example, a SiO 2 layer or an Al 2 O 3 layer can be used as the insulator layer, and a preferable thickness thereof is about 200 nm to about 600 nm.
金属電極としては、好ましくは厚さが５０ｎｍから１５０ｎｍのＡｕ電極を使用する。しかし、金はＺｎＳｅナノベルトと良好に接触しないため、ＺｎＳｅナノベルトが電極と良好に接触するようにするため、好ましくは厚さが５ｎｍから１５ｎｍのＣｒの下地層を使用する。Ｃｒの代わりにＴｉを使用することもできる。 As the metal electrode, an Au electrode having a thickness of 50 nm to 150 nm is preferably used. However, since gold does not make good contact with the ZnSe nanobelts, a Cr underlayer, preferably 5 nm to 15 nm in thickness, is preferably used in order for the ZnSe nanobelts to make good contact with the electrodes. Ti can also be used instead of Cr.
ＺｎＳｅナノベルトを使用した青色／紫外線光検知デバイス（光検出器）の典型的な製造方法を下の［実施例１］に示す。
ＺｎＳｅナノベルトを使用した青色／紫外線光検知デバイス（光検出器）の特徴を従来のＺｎＳｅナノ構造光検出器と比較した。比較結果を表１に示す。
A typical method for producing a blue / ultraviolet light detection device (photodetector) using a ZnSe nanobelt is shown in [Example 1] below.
The characteristics of a blue / ultraviolet light detection device (photodetector) using a ZnSe nanobelt were compared with a conventional ZnSe nanostructure photodetector. The comparison results are shown in Table 1.
表１に示すように、他の従来技術のＺｎＳｅナノ構造光検出器に比べ、本発明では最高の光電流即時減少比（＞９９％）及び光電流／暗電流比（２桁以上の大きさの改善）が達成された。立ち上がりと立ち下がりの両方について記録された光応答速度（＜０．３ｓ）は全ての従来のＺｎＳｅ光検出器のうちで最速であるというだけではなく、本発明の検出器はこれまで報告された１次元ナノ構造に基づくほとんどの光検出器を上回ってさえいる。これらの独自の特徴は、製造されたＺｎＳｅナノベルトの大きなＳＶＲ、化学物質の純粋性、単結晶性、またそれから作られた光デバイスの両電極間の設計された短いチャネル距離に起因する。これらの結果は、青色／紫外線光検知光検出器（λ＜４６０ｎｍ）に対してこのＺｎＳｅナノベルトを効果的に利用できることを十分に示している。 As shown in Table 1, compared with other prior art ZnSe nanostructure photodetectors, the present invention has the highest immediate photocurrent reduction ratio (> 99%) and the photocurrent / dark current ratio (more than two orders of magnitude) Improvement) was achieved. Not only is the optical response speed (<0.3 s) recorded for both rising and falling the fastest of all conventional ZnSe photodetectors, the detector of the present invention has been reported so far. It even surpasses most photodetectors based on one-dimensional nanostructures. These unique features are due to the large SVR of the manufactured ZnSe nanobelts, chemical purity, single crystallinity, and the designed short channel distance between the electrodes of the optical device made therefrom. These results sufficiently indicate that this ZnSe nanobelt can be effectively used for a blue / ultraviolet light detection photodetector (λ <460 nm).
本発明の実施例で使用したＺｎＳｅナノベルトは、Ｄｒ．Ｓ．Ｘｉｏｎｇから提供を受けたものである。そのＺｎＳｅナノベルトの典型的な製造方法は以下の通りである。
先ず、ＺｎＳｅ前駆物質を、非特許文献９に説明されている改良された方法に従ってエチレンジアミン支援三元溶液中で作製する。簡単に説明すれば、２ｍモルの硫酸亜鉛（ＺｎＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）と２ｍモルのＳｅＯ２を４０ｍｌの蒸留水に加え、混合物を連続した強い攪拌によって一様な溶液を形成するように分散させる。その後、所与の量（０．３６ｍｇ）のエチレンジアミンと５ｍＬのヒドラジン水和物を室温でこの溶液に添加し、それを１０分間連続して攪拌し、出来上がった混合物を内側をテフロン（登録商標）被覆したステンレス性のオートクレーブ（容量６０ｍＬ）に移す。オートクレーブを封止して２０時間２００℃に維持する。系が自然に室温まで冷えた後、中間産物（ＺｎＳｅ前駆物質）を集めて蒸留水と純アルコールで数回洗浄し、真空乾燥する。
The ZnSe nanobelts used in the examples of the present invention are Dr. S. Provided by Xiong. A typical method for producing the ZnSe nanobelt is as follows.
First, a ZnSe precursor is made in an ethylenediamine assisted ternary solution according to an improved method described in [9]. Briefly, 2 mmol of zinc sulfate (ZnSO 4 .2H 2 O) and 2 mmol of SeO 2 are added to 40 ml of distilled water and the mixture is dispersed to form a uniform solution by continuous vigorous stirring. Let Thereafter, a given amount (0.36 mg) of ethylenediamine and 5 mL of hydrazine hydrate were added to this solution at room temperature, and it was continuously stirred for 10 minutes, and the resulting mixture was teflon on the inside. Transfer to a coated stainless steel autoclave (capacity 60 mL). The autoclave is sealed and maintained at 200 ° C. for 20 hours. After the system has cooled naturally to room temperature, the intermediate product (ZnSe precursor) is collected, washed several times with distilled water and pure alcohol, and vacuum dried.
最後に、得られたＺｎＳｅ前駆物質を従来の環状炉中で、純粋アルゴン雰囲気中で３時間５００℃で加熱する。系が自然に室温まで冷えた後、最終産物を集める。収量：約０．２ｍｇ。 Finally, the resulting ZnSe precursor is heated in a conventional annular furnace for 3 hours at 500 ° C. in a pure argon atmosphere. After the system naturally cools to room temperature, the final product is collected. Yield: about 0.2 mg.
［実施例１］
デバイス製造及び特性測定
（ａ） デバイス製造
個々のＺｎＳｅナノベルトを、マイクロ加工プロセスを使用してナノスケールの光検出器として組み立てた。このやりかたは、本願発明者が個別ＺｎＳナノベルトベースの紫外線光センサについて以前報告したものと類似している（非特許文献１０を参照）。すなわち、ＺｎＳｅナノベルトをエタノール中に分散して３００ｎｍのＳｉＯ２層に覆われた熱酸化されたＳｉ基板上に滴下した。Ａｕ／Ｃｒ電極（上層のＡｕが１００ｎｍ厚、下層のＣｒが１０ｎｍ厚）を、予め設計されたマスク、電子ビームデポジション、更にその後のリフトオフプロセスの支援で、光リソグラフィーを用いて、ナノベルトの上にパターン形成した。具体的なデバイス製造プロセスとその詳細な条件は以下の通りである。
[Example 1]
Device Fabrication and Characterization (a) Device Fabrication Individual ZnSe nanobelts were assembled as nanoscale photodetectors using a microfabrication process. This is similar to what the inventor previously reported for individual ZnS nanobelt-based ultraviolet light sensors (see Non-Patent Document 10). That is, ZnSe nanobelts were dispersed in ethanol and dropped onto a thermally oxidized Si substrate covered with a 300 nm SiO 2 layer. An Au / Cr electrode (the upper Au layer is 100 nm thick and the lower Cr layer is 10 nm thick) is applied to the nanobelt using photolithography with the help of a pre-designed mask, electron beam deposition, and subsequent lift-off process. A pattern was formed. The specific device manufacturing process and its detailed conditions are as follows.
＜光リソグラフィー＞
使用した方法：ＡＺ５２１４Ｅ逆現像法（ｒｅｖｅｒｓｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）
使用したフォトレジスト：クラリアントジャパン株式会社ＡＺ５２１４Ｅ
コーティング手順
１． 東京応化工業株式会社製ＯＡＰ（１，１，３，３，３−ヘキサメチル）をスピンコーティングする
２．ＺＡ５２１４Ｅをスピンコーティングする
３．事前ベーキングを行う
９０℃、１８０秒間、ホットプレート上でベーキング
４．フォトマスクを使って露光を行う
ＳＵＳＳアライナを使用して２秒間露光
５．２次ベーキングを行う
１２０℃で１８０秒間、ホットプレート上でベーキング
６．水に浸漬する
３０秒間浸漬
７．フォトマスクを使って露光を行う
２０秒間露光
８．現像を行う
現像剤：東京応化工業株式会社製ＮＭＤ−３（水酸化テトラメチルアンモニウム２．３８％水溶液）
浸漬：１２０秒間
水洗：３０秒間を３回
９．後ベーキング
１２０℃で１２０秒間、ホットプレート上でベーキング
<Optical lithography>
Method used: AZ5214E reverse developing method
Used photoresist: Clariant Japan AZ5214E
Coating procedure 1. Spin coat OAP (1,1,3,3,3-hexamethyl) manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. 2. Spin coat ZA5214E Perform pre-baking Bake on hot plate at 90 ° C for 180 seconds 4. Exposure using a photomask Exposure for 2 seconds using a SUSS aligner 5. Secondary baking performed 120 ° C for 180 seconds, baking on a hot plate 6. Immerse in water Immerse for 30 seconds 7. 7. Use a photomask to expose 20 seconds exposure Developer: NMD-3 (tetramethylammonium hydroxide 2.38% aqueous solution) manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.
Immersion: 120 seconds Washing water: 30 seconds 3 times 9. Post-bake Bake on a hot plate at 120 ° C for 120 seconds
＜薄膜金属デポジション＞
上記基板上に、電子ビームデポジションを使用してＣｒ膜（１０ｎｍ）をデポジットした。次に、電子ビームデポジションを使用して薄いＡｕ膜をデポジットした。
＜リフトオフプロセス＞
Ａ２剥離剤（Ａ２ ｒｅｍｏｖｅｒ）を使用、１２時間（一晩）処理
<Thin metal deposition>
A Cr film (10 nm) was deposited on the substrate using electron beam deposition. Next, a thin Au film was deposited using electron beam deposition.
<Lift-off process>
A2 stripper (A2 remover), treatment for 12 hours (overnight)
図１（ａ）は光検出器として構成された個別のナノベルトの概略図である。図中、「ＺｎＳｅｎａｎｏｂｅｌｔ」と記載された箇所がナノベルトであり、「Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｘｉｄｅ」及び「Ｓｉｌｉｃｏｎ ｂａｃｋｇａｔｅ」と記載された箇所がＳｉＯ２／Ｓｉ基板である。図１（ｂ）は単結晶ＺｎＳｅナノベルトデバイスの代表的な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。ナノベルトを分散させたＳｉＯ２／Ｓｉ基板上に、互いに２．６μｍ離間した、Ａｕ／Ｃｒ（それぞれの厚さは１００ｎｍ／１０ｎｍ）電極をデポジットした。ナノベルトのうちの覆われていない部分を光に露出した。図１（ｂ）のナノベルトは典型的な長さと幅がそれぞれ約５μｍと約２５０ｎｍであり、Ａｕ／Ｃｒ電極に接続された。 FIG. 1 (a) is a schematic diagram of an individual nanobelt configured as a photodetector. In the figure, the portion described as “ZnSenanobelt” is a nanobelt, and the portions described as “Silicon oxide” and “Silicon background” are SiO 2 / Si substrates. FIG. 1 (b) is a representative scanning electron microscope (SEM) image of a single crystal ZnSe nanobelt device. Au / Cr (each thickness is 100 nm / 10 nm) electrodes separated by 2.6 μm from each other were deposited on a SiO 2 / Si substrate in which nanobelts were dispersed. An uncovered portion of the nanobelt was exposed to light. The nanobelts in FIG. 1 (b) have typical lengths and widths of about 5 μm and about 250 nm, respectively, and were connected to Au / Cr electrodes.
（ｂ）特性解析
ＺｎＳｅナノベルトを使用した電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を大気中・室温で、各種の波長の光及び暗黒条件下で、アドバンテスト社のピコアンメーターＲ８３４０Ａ及び直流電圧源Ｒ６１４４を使用して測定した。３０Ｖのバイアスについての、２５０ｎｍから６３０ｎｍまでの各種の波長におけるスペクトル光応答を、５００Ｗキセノンランプを使用して記録した。４００ｎｍ光照明下で、３０Ｖの電圧を印加した状態で、点灯及び消灯状態についての時間依存光電流応答を検出し、入射光パワーは紫外線強化Ｓｉフォトダイオードによって校正した。
(B) Characteristic analysis Advantest Picoammeter R8340A and DC voltage source R6144 were measured under light and dark conditions at various wavelengths in the atmosphere and at room temperature using current-voltage (IV) characteristics using ZnSe nanobelts. Measured using. Spectral photoresponse at various wavelengths from 250 nm to 630 nm for a bias of 30 V was recorded using a 500 W xenon lamp. Under the illumination of 400 nm, a time-dependent photocurrent response for the lighting and extinguishing states was detected with a voltage of 30 V applied, and the incident light power was calibrated with an ultraviolet enhanced Si photodiode.
図２（ａ）は、４００ｎｍの光を照射した場合と暗黒条件に置いた場合とを比較したＺｎＳｅナノベルト光検出器のＩ−Ｖ特性を示す。この比較結果では、光検出器の暗電流は電流計の検出限界（１０−１４Ａ）を下回っていることが特に注目される。また、光電流カーブはほぼリニアであり、ナノベルト構造と電極の間の物理的接触が良好であることを示している。３０Ｖの印加電圧において、約１．７ｐＡの光電流が記録された。暗電流との、あるいは他のサブバンド照射（５００ｎｍより上の波長）との比較では、３００ｎｍの可視光のようなＥｇ（約２．７０ｅＶ、４６０ｎｍ）より高いエネルギーの光で本デバイスを照射した場合、光電流の大きさは２桁よりももっと増大する。 FIG. 2A shows the IV characteristics of a ZnSe nanobelt photodetector comparing the case of irradiation with light of 400 nm and the case of being placed in a dark condition. In this comparison result, it is particularly noted that the dark current of the photodetector is below the detection limit (10 −14 A) of the ammeter. In addition, the photocurrent curve is almost linear, indicating that the physical contact between the nanobelt structure and the electrode is good. At an applied voltage of 30 V, a photocurrent of about 1.7 pA was recorded. In comparison with dark current or other sub-band irradiation (wavelengths above 500 nm), the device was irradiated with light of higher energy than Eg (about 2.70 eV, 460 nm) such as 300 nm visible light In some cases, the magnitude of the photocurrent increases more than two orders of magnitude.
図２（ｂ）は、３０Ｖのバイアスをかけた場合の、２５０ｎｍから６３０ｎｍまでの各種の波長でのスペクトル光応答を示す。この光応答は、ＺｎＳｅのバンドギャップエネルギーに近い約４６０ｎｍ（約２．７ｅＶ）の閾値刺激エネルギーより上では顕著な増大を示している。２５０ｎｍの遠紫外線（ＤＵＶ）光と６００ｎｍの可視光の間の約３桁の大きさの判別比は明らかである。これは開発された光検出器が紫外線光の照射下で有益であるだけではなく、短波長の青色光に感度を持つ光検出器（４６０ｎｍ未満）にも応用できることを示している。 FIG. 2 (b) shows the spectral photoresponse at various wavelengths from 250 nm to 630 nm when biased at 30V. This photoresponse shows a significant increase above the threshold stimulation energy of about 460 nm (about 2.7 eV), close to the band gap energy of ZnSe. A discriminating ratio of about three orders of magnitude between 250 nm deep ultraviolet (DUV) light and 600 nm visible light is evident. This indicates that the developed photodetector is not only useful under the irradiation of ultraviolet light, but can also be applied to a photodetector (less than 460 nm) sensitive to short-wavelength blue light.
図３（ａ）は３０Ｖの電圧を印加したときの、約５０秒周期で点灯及び消灯を行うという条件について、４００ｎｍ光照明の場合のＺｎＳｅナノベルト光検出器の電流応答を示す。２４０秒から２６０秒の範囲及び４９０秒から５１０秒の範囲の拡大部分は、それぞれ消灯から点灯へ、また点灯から消灯への遷移に対応し、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されている。これらの図は、立ち上がり時間と立ち下がり時間の両方が、我々の測定の設備の限界（０．３秒）よりも速いことを示している。本光検出器はまた非常に良好な光電流の再現性及び安定性を有している。 FIG. 3A shows the current response of the ZnSe nanobelt photodetector in the case of 400 nm light illumination under the condition of turning on and off at a period of about 50 seconds when a voltage of 30 V is applied. The enlarged portions in the range of 240 to 260 seconds and the range of 490 to 510 seconds correspond to the transition from off to on and from on to off, respectively, and are shown in FIGS. 3 (b) and 3 (c). Has been. These figures show that both rise time and fall time are faster than the limit of our measurement equipment (0.3 seconds). The photodetector also has very good photocurrent reproducibility and stability.
以上詳細に説明したように、本発明によれば青色及び紫外線領域において高感度で暗電流が極小である光検出器を得ることができるので、本発明はこの波長域用の光検出器技術として利用価値が高いものである。 As described above in detail, according to the present invention, it is possible to obtain a photodetector having high sensitivity and minimal dark current in the blue and ultraviolet regions. Therefore, the present invention is a photodetector technology for this wavelength region. The utility value is high.
Claims (6)
（ａ） 絶縁層に覆われたＳｉ基板、
（ｂ） 前記絶縁層上に置かれた単結晶ＺｎＳｅナノベルト、及び
（ｃ） 前記ＺｎＳｅナノベルトの上に形成された２つの分離された金属電極。 A blue / ultraviolet light detection device based on a ZnSe nanobelt provided with the following (a) to (c):
(A) a Si substrate covered with an insulating layer;
(B) a single crystal ZnSe nanobelt placed on the insulating layer, and (c) two separated metal electrodes formed on the ZnSe nanobelt.
（ｉ） 絶縁層で覆われたＳｉ基板上にＺｎＳｅナノベルトを分散させる、
（ｉｉ）光リソグラフィーを用いて前記Ｓｉ基板上にレジストパターンを形成し、金属電極用の金属材料を前記Ｓｉ基板及び前記レジストパターン上に電子ビームデポジションし、その後にリフトオフプロセスを行うことにより、前記ナノベルトの上に金属電極をパターン形成する。
A method for producing a ZnSe nanobelt-based blue / ultraviolet light detecting device having the following steps (i) to (ii):
(I) dispersing a ZnSe nanobelt on a Si substrate covered with an insulating layer;
(Ii) forming a resist pattern on the Si substrate using photolithography, depositing a metal material for a metal electrode on the Si substrate and the resist pattern, and then performing a lift-off process; A metal electrode is patterned on the nanobelt.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009232381A JP2011119291A (en) | 2009-10-06 | 2009-10-06 | BLUE/ULTRAVIOLET LIGHT DETECTION DEVICE USING SINGLE-CRYSTAL ZnSe NANOBELT, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009232381A JP2011119291A (en) | 2009-10-06 | 2009-10-06 | BLUE/ULTRAVIOLET LIGHT DETECTION DEVICE USING SINGLE-CRYSTAL ZnSe NANOBELT, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011119291A true JP2011119291A (en) | 2011-06-16 |
Family
ID=44284324
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009232381A Pending JP2011119291A (en) | 2009-10-06 | 2009-10-06 | BLUE/ULTRAVIOLET LIGHT DETECTION DEVICE USING SINGLE-CRYSTAL ZnSe NANOBELT, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2011119291A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101191481B1 (en) | 2011-03-24 | 2012-10-15 | 성균관대학교산학협력단 | TRANSPARENT ZnO NANOSTRUCTURE-BASED ULTRAVIOLET PHOTODECTORS AND FIRE MONITORING APPARATUS USING TRANSPARENT ZnO NANOSTRUCTURE-BASED ULTRAVIOLET PHOTODECTORS |
| CN103112818A (en) * | 2013-02-28 | 2013-05-22 | 北京科技大学 | Method of manufacturing metal electrodes on single micro-nano line by utilizing scanning electron microscope |
| CN105655423A (en) * | 2016-01-19 | 2016-06-08 | 合肥工业大学 | Nano heterojunction solar cell based on chalcogenide cuprous compound and preparation method thereof |
-
2009
- 2009-10-06 JP JP2009232381A patent/JP2011119291A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101191481B1 (en) | 2011-03-24 | 2012-10-15 | 성균관대학교산학협력단 | TRANSPARENT ZnO NANOSTRUCTURE-BASED ULTRAVIOLET PHOTODECTORS AND FIRE MONITORING APPARATUS USING TRANSPARENT ZnO NANOSTRUCTURE-BASED ULTRAVIOLET PHOTODECTORS |
| CN103112818A (en) * | 2013-02-28 | 2013-05-22 | 北京科技大学 | Method of manufacturing metal electrodes on single micro-nano line by utilizing scanning electron microscope |
| CN105655423A (en) * | 2016-01-19 | 2016-06-08 | 合肥工业大学 | Nano heterojunction solar cell based on chalcogenide cuprous compound and preparation method thereof |
| CN105655423B (en) * | 2016-01-19 | 2017-04-05 | 合肥工业大学 | A kind of nano heterogeneous joint solar cell based on chalcogen cuprous compound and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| You et al. | Vertically aligned ZnO/Ga 2 O 3 core/shell nanowire arrays as self-driven superior sensitivity solar-blind photodetectors | |
| Hosseini et al. | High-performance UV‐Vis-NIR photodetectors based on plasmonic effect in Au nanoparticles/ZnO nanofibers | |
| Chetri et al. | Self-powered UV detection using SnO2 nanowire arrays with Au Schottky contact | |
| CN107579138A (en) | A kind of all-inorganic perovskite Schottky photodetector and its preparation method | |
| Du et al. | Liquid‐metal‐assisted synthesis of patterned GaN thin films for high‐performance UV photodetectors array | |
| CN108735858B (en) | A kind of ultraviolet/infrared photoelectric detector preparation method of composite nanostructure | |
| JP6906043B2 (en) | Method for Fabricating UV Detection Electrode of Aluminum Nitride-Zinc Oxide | |
| Liu et al. | Enhanced luminescence/photodetecting bifunctional devices based on ZnO: Ga microwire/p-Si heterojunction by incorporating Ag nanowires | |
| Young et al. | Self-powered ZnO nanorod ultraviolet photodetector integrated with dye-sensitised solar cell | |
| CN112885922A (en) | Based on PtSe2Photoelectric detector with silicon nano-pillar array and preparation method thereof | |
| Wu et al. | Self-catalyst β-Ga 2 O 3 semiconductor lateral nanowire networks synthesis on the insulating substrate for deep ultraviolet photodetectors | |
| CN104659152B (en) | A kind of based on photodetector reversing bilayer graphene and preparation method thereof | |
| CN103681837A (en) | Molybdenum disulfide-cadmium selenide quantum dot hybrid field effect opto-transistor and manufacturing method thereof | |
| CN108550640B (en) | Broadband black phosphorus photodetector composited with cadmium telluride nanocrystals and preparation method thereof | |
| Liu et al. | High-performance of Al nanoparticle enhanced 4H-SiC MSM photodiodes for deep ultraviolet detection | |
| Wu et al. | Ultrafast response solar-blind UV sensor based on ZnGa2O4 nanowire bridge arrays | |
| Chang et al. | Electrical and optical characteristics of UV photodetector with interlaced ZnO nanowires | |
| Zheng et al. | High performance and self-powered photodetectors based on Se/CsPbBr 3 heterojunctions | |
| Yu et al. | Plasmonically-boosted high-performance UV self-biased photodetector based on SiC-based low-dimensional heterojunction via Pt nanostructures deposition | |
| Ma et al. | One-dimensional core/shell radial heterojunction with cascade type-II energy-band alignment for enhanced broadband photodetection | |
| JP2011119291A (en) | BLUE/ULTRAVIOLET LIGHT DETECTION DEVICE USING SINGLE-CRYSTAL ZnSe NANOBELT, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME | |
| CN115650182B (en) | An orthorhombic/monoclinic PdSe2 homojunction and its preparation method and application | |
| Lin et al. | Plasmon-Enhanced Performance in Self-Powered Solar-Blind CuCrO 2/β-Ga 2 O 3 Heterojunction Photodetectors With Al Nanoparticles | |
| Jafari et al. | Enhanced photoresponse in self-powered ZnO/CuO-nanowire arrays heterojunction photodiode | |
| Zhu et al. | A two-dimensional PtSe 2 thin film coupled with a graphene/Si Schottky junction for a high-performance photodetector |