CN104701393A - 双波段光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了双波段光电探测器及其制备方法，包括：一半导体衬底；位于半导体衬底上的具有经离子注入的有源区的红外波长探测部分；位于红外波长探测部分上的紫外波长探测部分，以及红外波长探测部分和紫外波长探测部分的电极引出极。紫外波长探测部分包括位于红外波长探测部分的有源区上的石墨烯层；覆盖于石墨烯层上的紫外敏感量子点层。本发明可以进行红外和紫外双波段探测，通过将红外波长探测部分与紫外波长探测部分整合为一体，简化了工艺步骤，节约了成本；并且，利用石墨烯和紫外敏感量子点作为紫外波长光敏材料，由于量子点的禁带宽度可以随量子点的尺寸调整和反应速度快的特点，因而使得紫外波段的探测可调而且更为灵敏。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种双波段光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是把光信号转换为电信号来对材料进行检测的设备。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有着广泛用途。在紫外或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变，其利用半导体材料的光电导效应。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对，这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率，Eg是材料的禁带宽度(单位为电子伏)。所以，本征光电导体的响应长波限λc为λc＝hc/Eg＝1.24/Eg(μm)式中c为光速。本征光电导材料的长波段受禁带宽度的限制。因此，可以采用不同禁带宽度的半导体材料来探测不同的光波。
紫外(UV)和红外(IR)双波段探测在通讯、火警、军事领域有非常重要的应用。但目前很多产品都是紫外和红外分别探测，无法实现同时和同位置探测。而很多研究中的双波检测器件往往要采用两种不同直接禁带宽度的化合物半导体材料来分别检测红外和紫外光波，材料和制备工艺都非常复杂。
因此，对现有双波段光电探测器进行研究和改进，从而简化制备工艺步骤和降低成本，是十分重要的。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种双波段光电探测器及其制备方法，从而不仅实现双波段光电探测，而且简化制备工艺步骤和降低成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双波段光电探测器，其包括：
一半导体衬底；
位于半导体衬底上的具有经离子注入的有源区的红外波长探测部分；
位于所述红外波长探测部分上的紫外波长探测部分，其包括：
位于所述红外波长探测部分的有源区上的石墨烯层；
覆盖于石墨烯层上的紫外敏感量子点层；以及
所述红外波长探测部分和所述紫外波长探测部分的电极引出极。
优选地，所述红外波长探测部分的表面具有隔离层，所述紫外探测部分位于所述隔离层上。
优选地，所述红外波长探测部分为硅光电二极管、化合物半导体晶体管、或超晶格器件。
优选地，所述红外波长探测部分为InGaAs短波红外二极管。
优选地，所述的InGaAs短波红外二极管的有源区材料为In0.53Ga0.47As，禁带宽度0.75eV，截止波长1.7um。
优选地，所述红外波长探测部分的电极引出极位于所述有源区上和所述半导体衬底底部；所述紫外波长探测部分的电极引出极位于所述石墨烯层上。
优选地，所述紫外敏感量子点为ZnS或ZnO量子点。
优选地，所述衬底为硅衬底或化合物半导体衬底。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述的双波段光电探测器的制备方法，其包括以下步骤：
步骤01：在所述半导体衬底上形成有源区；
步骤02：对所述有源区进行离子注入；
步骤03：将石墨烯薄膜转移至所述有源区上，以形成石墨烯层；
步骤04：在所述石墨层表面涂布紫外敏感量子点层；
步骤05：刻蚀所述石墨烯层/紫外敏感量子点层，从而形成紫外探测部分；
步骤06：形成所述红外波长探测部分和所述紫外波长探测部分的电极引出极。
优选地，所述步骤06包括：在所述有源区上和所述半导体衬底底部形成所述红外波长探测部分的电极引出极；在所述石墨烯层上形成所述紫外波长探测部分的电极引出极。
本发明的双波段光电探测器及其制备方法，通过将红外波长探测部分与紫外波长探测部分整合为一体，简化了工艺步骤，节约了成本；并且，利用石墨烯和紫外敏感量子点作为紫外波长光敏材料，由于量子点的禁带宽度可以随量子点的尺寸调整和反应速度快的特点，因而使得紫外波段的探测可调而且更为灵敏；当红外波长照射在器件上时，红外光波大部分将穿透石墨烯层及量子点层，而被其下面的红外波长探测部分吸收，从而实现对红外波段的检测；当紫外光波照射到器件上时，将被量子点层吸收，产生电子引起石墨烯电阻和电流的变化，从而实现对紫外波段的检测。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的双波段光电探测器的结构示意图
图2为本发明的另一个较佳实施例的双波段光电探测器的结构示意图
图3为本发明的一个实施例的双波段光电探测器的制备方法的流程示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
本发明的双波段光电探测器，包括：一半导体衬底；位于半导体衬底上的具有经离子注入的有源区的红外波长探测部分；位于红外波长探测部分上的紫外波长探测部分，以及红外波长探测部分和紫外波长探测部分的电极引出极；其中，紫外波长探测部分包括；位于红外波长探测部分的有源区上的石墨烯层；覆盖于石墨烯层上的紫外敏感量子点层。
需要说明的是，本发明中，根据红外波长探测部分所采用的结构的不同，电极引出极的位置也会不同，例如，红外波长探测部分的电极引出极位于有源区上和半导体衬底底部；紫外波长探测部分的电极引出极位于石墨烯层上。石墨烯层可以采用在其它衬底上生长之后转移至红外波长探测部分上，具体的转移方法可以采用现有的方法；所采用的紫外敏感量子点可以根据实际所需的紫外波段来选择。紫外敏感量子点不可避免地会进入石墨烯层中，然则，这不会影响本发明的技术效果，属于本发明的思想范围。红外波长探测部分为硅光电二极管、化合物半导体晶体管、或超晶格器件。
以下结合附图1-3和具体实施例对本发明的双波段光电探测器及其制备方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，在本发明的一个实施例中，双波段光电探测器，包括：
底部的一半导体衬底101；衬底可以为硅衬底或化合物半导体衬底；
红外波长探测部分，包括位于半导体衬底上的具有经离子注入的有源区102；
紫外波长探测部分，位于红外波长探测部分的有源区102上，其包括：位于红外波长探测部分的有源区102上的石墨烯层104；覆盖于石墨烯层104上的紫外敏感量子点层105。紫外敏感量子点可以为ZnS或ZnO量子点。
以及位于有源区102上的电极引出极103，和位于石墨烯层104两端的电极引出极106。
请参阅图2，在本发明的另一个较实施例中，双波段光电探测器中，红外波长探测部分为InGaAs短波红外二极管；其包括：
一InP半导体衬底201；
红外波长探测部分，包括位于半导体衬底201表面的N+-InP缓冲层202，位于缓冲层202表面的N--In0.53Ga0.47As有源区203，位于有源区203表面的N--InP保护层204、位于保护层204和有源区203中的Zn扩散区205、以及位于保护层204表面的Si3N4隔离层206；InGaAs短波红外二极管的有源区材料为In0.53Ga0.47As，禁带宽度0.75eV，截止波长1.7um。
紫外波长探测部分，其包括：位于隔离层206上的石墨烯层207；覆盖于石墨烯层207上的ZnO紫外敏感量子点层208，以及位于石墨烯层207两端的电极引出极209；
红外波长探测部分的电极引出极包括位于扩散区表面的Au/Zn正电极引出极210和半导体衬底201底部的Au/Ge负电极引出极211；紫外波长探测部分的Ti/Au电极引出极212位于石墨烯层207上。
请参阅图3，在本发明的一个实施例中，双波段光电探测器的制备方法，以制备上述的另一个较实施例中的双波段光电探测器为例进行说明，包括以下步骤：
步骤01：在半导体衬底上形成有源区；
具体的，可以采用MOCVD方法在InP半导体衬底上依次形成：N+-InP缓冲层，厚度约1.2微米；N--In0.53Ga0.47As有源区，厚度约3.5微米；N--InP保护层，厚度约1.5微米，以及Si3N4薄膜。
步骤02：对有源区进行离子注入；
具体的，在隔离层上涂覆光刻胶，经光刻和刻蚀，去除部分Si3N4薄膜，暴露出部分保护层；向暴露的部分保护层中进行Zn离子扩散工艺，形成位于保护层和有源区中的Zn扩散区；然后，在Si3N4薄膜上再沉积一层Si3N4薄膜，从而形成隔离层；隔离层起到保护红外波长探测部分的作用。
步骤03：将石墨烯薄膜转移至有源区上，以形成石墨烯层；
具体的，石墨烯单层膜可以采用CVD方法在铜膜上生长，然后转移到隔离层上；
步骤04：在石墨烯层表面涂布紫外敏感量子点层；
具体的，可以采用旋涂法在石墨烯层上涂布ZnO量子点，可以将含有ZnO量子点的液体如甲苯溶液旋涂在石墨烯层表面，ZnO量子点溶液固化成膜后即形成ZnO量子点层。
步骤05：刻蚀石墨烯层/紫外敏感量子点层，从而形成紫外波长探测部分；
具体的，首先，在完成步骤04的半导体衬底上涂覆光刻胶；然后，经光刻和刻蚀工艺，刻蚀石墨烯层和紫外敏感量子点层，得到所需的石墨烯层/紫外敏感量子点层结构。
步骤06：形成红外波长探测部分和紫外波长探测部分的电极引出极。
具体的，在有源区上和半导体衬底底部形成红外波长探测部分的电极引出极；在石墨烯层上形成紫外波长探测部分的电极引出极。
综上所述，本发明的双波段光电探测器及其制备方法，通过将红外波长探测部分与紫外波长探测部分整合为一体，简化了工艺步骤，节约了成本；并且，利用石墨烯和紫外敏感量子点作为紫外波长光敏材料，由于量子点的禁带宽度可以随量子点的尺寸调整和反应速度快的特点，因而使得紫外波段的探测可调而且更为灵敏；当红外波长照射在器件上时，红外光波大部分将穿透石墨烯层及量子点层，而被其下面的红外波长探测部分吸收，从而实现对红外波段的检测；当紫外光波照射到器件上时，将被量子点层吸收，产生电子引起石墨烯电阻和电流的变化，从而实现对紫外波段的检测
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种双波段光电探测器，其特征在于，包括：
一半导体衬底；
位于半导体衬底上的具有经离子注入的有源区的红外波长探测部分；
位于所述红外波长探测部分上的紫外波长探测部分，其包括：
位于所述红外波长探测部分的有源区上的石墨烯层；
覆盖于石墨烯层上的紫外敏感量子点层；以及
所述红外波长探测部分和所述紫外波长探测部分的电极引出极。
2.根据权利要求1所述的双波段光电探测器，其特征在于，所述红外波长探测部分的表面具有隔离层，所述紫外探测部分位于所述隔离层上。
3.根据权利要求1所述的双波段光电探测器，其特征在于，所述红外波长探测部分为硅光电二极管、化合物半导体晶体管、或超晶格器件。
4.根据权利要求3所述的双波段光电探测器，其特征在于，所述红外波长探测部分为InGaAs短波红外二极管。
5.根据权利要求4所述的双波段光电探测器，其特征在于，所述的InGaAs短波红外二极管的有源区材料为In0.53Ga0.47As，禁带宽度0.75eV，截止波长1.7um。
6.根据权利要求1所述的双波段光电探测器，其特征在于，所述红外波长探测部分的电极引出极位于所述有源区上和所述半导体衬底底部；所述紫外波长探测部分的电极引出极位于所述石墨烯层上。
7.根据权利要求1所述的双波段光电探测器，其特征在于，所述紫外敏感量子点为ZnS或ZnO量子点。
8.根据权利要求1所述的双波段光电探测器，其特征在于，所述衬底为硅衬底或化合物半导体衬底。
9.一种权利要求1所述的双波段光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤01：在所述半导体衬底上形成有源区；
步骤02：对所述有源区进行离子注入；
步骤03：将石墨烯薄膜转移至所述有源区上，以形成石墨烯层；
步骤04：在所述石墨层表面涂布紫外敏感量子点层；
步骤05：刻蚀所述石墨烯层/紫外敏感量子点层，从而形成紫外探测部分；
步骤06：形成所述红外波长探测部分和所述紫外波长探测部分的电极引出极。
10.根据权利要求9所述的双波段光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤06包括：在所述有源区上和所述半导体衬底底部形成所述红外波长探测部分的电极引出极；在所述石墨烯层上形成所述紫外波长探测部分的电极引出极。
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