CN105355701A - 一种新型的光电导探测器 - Google Patents
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Abstract
一种新型的光电导探测器，属于电子信息材料与元器件领域。该光电导探测器自下而上依次为有源层、图形化电极层，其中，图形化电极层包括第一电极、第二电极、第三电极、第四电极，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极图形的相对位置为一个任意的四边形结构，第一电极、第二电极、第三电极、第四电极沿顺时针或逆时针依次排布，工作时，在第一电极与第二电极之间接恒定电流电源，在第三电极和第四电极之间通过测电压设备来测试电压值，通过该电压值的变化来识别光信号。本发明光电导探测器对电极结构尺寸要求较低，其制备无需采用光刻技术，制备工艺更简单，有助于提升产品的良率、降低生产成本，且器件的开口率得到了大幅提升。
Description
技术领域
本发明属于电子信息材料与元器件领域，具体涉及一种新型的光电导探测器，可用于紫外或者红外探测。
背景技术
近年来，光电探测技术发展迅速，应用广泛，主要包括红外探测技术、紫外探测技术、激光探测技术和光电综合探测技术等。其中，利用红外探测技术,可制备红外夜视仪和热像仪，用于远距离侦查、监视、跟踪和探测伪装等；紫外探测技术可用于燃烧过程检测、紫外泄漏检查、火灾防范以及导弹来袭预警等；激光探测技术一般用于激光测距机、激光雷达、激光目标指示器等；光电综合探测技术将可见光、激光、红外等几种传感技术汇聚一个侦查系统中，可增强光电探测器装置在昼夜、恶劣气候和不良的环境条件下对目标的探测、识别以及对抗能力。
光电探测器是光电探测技术的核心器件，通常可分为光电倍增管、电荷耦合器件及半导体光电探测器几大类。其中，光电倍增管是利用光子激发光阴极来产生光电子，并通过外电极收集光电子以获得电信号，这类光电探测器通常具有很高的灵敏度，对于极弱的光信号也有响应。然而，光电倍增管的功耗普遍较高，且体积大，容易破损，因此使用起来极为不方便。电荷耦合器件具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、暗电流和读出噪声低以及具有积分信号、多道同时检测信号和实时监测等能力的优点，但是器件响应过慢，且其响应不依赖于波长的变化，难于满足对特定波长的探测需要。半导体光电探测器体积小，功耗低，且具有较高的能量分辨率、较宽的能量响应线性范围以及较短的响应时间，因此逐渐发展成为光电探测领域的主流技术。其中，半导体光电探测技术可采用光电导型结构，即光电导探测器。半导体材料作为一种光敏电阻，其具备的光电导效应是光电导探测器的基本工作原理。当入射光源发射的光子能量hv大于半导体材料的禁带宽度Eg时，半导体材料吸收光子的能量，并产生电子-空穴对，从而使材料内部的载流子浓度增加，进而改变半导体材料的导电能力。光电导探测器具有器件结构简单、制备工艺要求低、内部增益高且无须预设低噪放大器等优点，因此应用前景广阔，实用价值高。
目前，光电导探测器通常采用叉指电极结构，以实现探测器的高增益和高响应度。然而，随着光电探测器小型化以及集成化的发展，需要进一步缩小叉指电极的指间距和指宽，甚至达到微纳米量级。此外，为了进一步提升光电导探测器的性能(如增益、响应度)，同样需要缩短叉指电极的指间距，以减少载流子的渡越时间。然而，叉指电极关键尺寸的缩小通常需要依赖于光刻技术，这无疑会大幅度增加工艺成本，且依然难以完全解决工艺重复性差、器件良率低的缺点，因此，不利于光电探测器的批量化生产。并且，叉指电极结构的采用还会大幅度减小光电探测器的感光面积，降低器件的开口率(填充因子)，从而减少相同器件尺寸下的光电探测器的响应度和灵敏性，这同样为光电探测器的小型化和集成化带来了难度。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题是克服传统的光电导探测器由于采用叉指电极结构所带来的制备难度大、产品良率低、工艺成本高、难以实现批量化生产以及器件开口率低的缺点，提出了一种新型的光电导探测器，其结构简单、开口率高、更易实现器件的小型化和集成化，且可避免采用光刻技术，能大幅度降低制造工艺的难度和成本。因此，本发明能够适应光电探测器批量化生产的需要，并为大面积光电探测阵列的制造及研究提供了更佳的解决方案。
本发明的技术方案如下：
一种新型的光电导探测器，其特征在于，自下而上依次有源层8、图形化电极层9，其中，图形化电极层9包括第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极图形的相对位置呈一个任意的四边形，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极沿顺时针或逆时针依次排布，所述第一电极接地，工作时，第一电极与第二电极之间接恒定电流电源5，在第三电极和第四电极之间通过测电压设备6来测试电压值，通过该电压值的变化来识别光信号。
新型的光电导探测器由有源层、第一电极、第二电极、第三电极和第四电极构成，当第一电极和第二电极之间通一恒定电流I(I21)后，在有源层位于第一电极和第二电极的周边位置会产生一个稳定的电流场，在该电流场的作用下，第三电极与第四电极之间会产生相应的电流(I34)以及电势差(U34)。当没有光信号照射时，即常态下，本发明光电导探测器的有源层中的载流子浓度较低，即有源层材料的电阻率较高，这使得第三电极与第四电极之间的电阻值较大。因此，在第一电极和第二电极之间通一恒定电流时，在上述电流场的作用下，第三电极与第四电极之间的电势差维持在较高的水平。在与该有源层材料对应波段的光信号照射后，本发明光电导探测器的有源层在光电导效应的作用下，会激发出更多的载流子，从而提升有源层材料的载流子浓度，降低有源层材料的电阻率，这使得第三电极与第四电极之间的电阻值降低。另一方面，有源层材料的电阻率在感光的二维平面上随光信号的照射呈现同步、均匀的变化。因此，由第一电极和第二电极之间通过恒定电流所产生的电流场，其分布在光信号照射前后并不发生变化，即第三电极与第四电极之间的电流的大小在光信号照射前后维持不变。这导致第三电极与第四电极之间的电势差在光信号照射后降低，且降低的幅度与光信号的强弱有关。因此，可以通过第三电极与第四电极之间电势差的变化来识别光信号。
进一步地，所述有源层为薄膜，生长在衬底7上。
进一步地，所述有源层本身为单晶衬底。
进一步地，所述有源层的材料为Si、Ge、Ga2O3、AlGaN、MgZnO、金刚石、GaN、ZnO、AlN、SiC、ZnSe、VO2、CdS、PbS、PbSe、InSb、InAs、InGaAs、PbSnTe或HgCdTe。
进一步地，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极由金属Ti或Ni层与沉积于金属Ti或Ni层上的Al或Au层组成。
进一步地，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极采用氧化铟锡(ITO)材料。
进一步地，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极上分别引出测试臂和测试电极。
本发明的有益效果为：本发明提出的新型光电导探测器采用新型的图形化电极结构，并结合配套的测试方法，因此与传统的采用叉指电极结构的光电探测器相比，结构更简单，可以大幅降低器件的制备难度，提升产品良率，降低生产成本，满足光电探测器的小型化和集成化的需要。此外，本发明的新型光电导探测器的开口率可以达到90％以上，相比传统的采用叉指电极结构的光电导探测器(开口率大约为50％)提升明显，因此更加有利于实现光电探测器的小型化和集成化，并为大面积的光电探测器阵列的制造提供了更佳的解决方案。
附图说明
图1为本发明新型光电导探测器的俯视图；其中，1为第一电极，2为第二电极，3为第三电极，4为第四电极；
图2为本发明新型光电导探测器的结构示意图；
图3为本发明新型光电导探测器的剖面图；其中，7为衬底，8为有源层，9为图形化电极层，10为Ni或Ti层，11为Al或Au层；
图4为本发明实施例提供的新型光电导探测器的工艺流程图；其中，a为有源层材料的生长过程；b为利用掩膜版进行电极的图形化定义并沉积电极材料的过程；
图5为传统叉指电极结构的示意图。
图6为本发明实施例的新型光电导探测器在无/有紫外光照时的V-I曲线图，其中，紫外光功率密度为76μW/cm2；图中，U34为无紫外光照下的第三电极与第四电极之间的电压，U34’为有紫外光照下第三电极与第四电极之间的电压。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步地描述。
实施例
一种新型的光电导探测器，如图3所示，自下而上依次为：尺寸为5mm×10mm、厚度为0.5mm的蓝宝石衬底7(c-planeAl2O3)，沉积于蓝宝石衬底上厚度约为100nm的β-Ga2O3薄膜8，位于β-Ga2O3薄膜之上的图形化电极层9；其中，图形化电极层包括第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极图形的相对位置呈一个任意的四边形，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极沿顺时针或逆时针依次排布，如图1所示；所述第一电极接地，第一电极与第二电极之间接恒定电流，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极由沉积于β-Ga2O3薄膜上的厚度为20nm的金属Ti层与沉积于金属Ti层上的厚度为20nm的Al层组成；所述β-Ga2O3薄膜采用分子束外延法制备，金属Ti层和Al层通过电子束蒸发法制备；所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极均为矩形。
上述新型的光电导探测器的制备方法，如图4所示，具体包括以下步骤：
步骤1、衬底的表面处理：将尺寸为5mm×10mm、厚度为0.5mm的蓝宝石衬底(c-planeAl2O3)分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗5min，然后用氮气吹干，并采用热板在160℃温度下烘烤10min以去除基片表面的水汽，保证蓝宝石衬底表面清洁、干燥；
步骤2、β-Ga2O3薄膜的制备：采用分子束外延法在步骤1清洗干净的蓝宝石衬底上外延生长厚度约为100nm的β-Ga2O3薄膜；生长条件为：背底真空度为6.6×10-6Torr，生长温度为760℃，Ga源温度为940℃，射频电源输入功率为300W，射频电源反射功率为6W，通入氧气的流量为2sccm；
步骤3、金属电极的沉积：将掩膜版覆盖样品表面，利用电子束蒸发法蒸镀金属Ti约2min，得到厚度约为20nm的Ti层；然后在Ti层上再蒸镀金属Al约2min，得到厚度约为20nm的Al层，从而得到图形化电极层；
步骤4、快速退火：将步骤5得到的样品在氮气保护气体下，以100℃/s的升温速率由室温升至500℃，退火5min，即得到β-Ga2O3薄膜光电导探测器。
所述第一电极接地，当第一电极与第二电极之间接恒定电流I21时，测试第三电极与第四电极之间的电势差U34分别在紫外光照前后随电流的变化关系。
图6为本发明实施例得到的β-Ga2O3薄膜光电导探测器在有/无紫外光照时的V-I曲线图。由图6可知，本发明光电探测器分别在光照条件下第三电极与第四电极之间电势差U34’和无光照条件下的第三电极与第四电极之间电势差U34差异明显，表明本发明的光电导探测器能够有效实现紫外光的探测。
采用叉指电极结构的传统光电导探测器，通常采用叉指电极结构以及“通电压测电流”的工作模式，其中基于β-Ga2O3薄膜的紫外光电导探测器在10V的工作电压下的光、暗电流比可达10以上；而本发明实施例制备的光电导探测器在250nA的工作电流下，无紫外光照下的U34为11.7V，紫外光照下的U34’为0.8V，其暗电压U34与光电压U34’的比值约为15，且该比值还能够随工作电流的增加而得到进一步提升，因此可以匹敌采用叉指电极结构的传统光电导探测器，完全能够满足光、暗信号的识别以及数字化的需要。
通过图1和图5的对比，我们不难发现本发明提出的新型光电导探测器的开口率相比采用叉指电极结构的传统光电导探测器提升显著，因此可以大幅提高光电探测器在相同尺寸下的响应度以及灵敏性，有助于光电探测器的小型化和集成化。
本发明光电导探测器的工作原理如下：
光电导探测器中，有源层材料的电阻率与其载流子浓度有关，当有源层材料的载流子浓度上升时，有源层材料的电阻率减小，导电性增强；当有源层材料的载流子浓度下降时，有源层材料的电阻率增大，导电性减弱。
当第一电极和第二电极之间通恒定电流I21后，有源层中位于第一电极和第二电极的周边位置会产生一个稳定的电流场。在该电流场的作用下，第三电极与第四电极之间会产生相应的电流I34以及电势差U34。
当没有与有源层材料对应波段的光信号照射时，本发明光电导探测器的有源层的载流子浓度较低，因此有源层材料的电阻率较高。这使得第三电极与第四电极之间的电阻值较大。因而，在上述电流场的作用下，第三电极与第四电极之间的电势差U34维持在较高的水平。当有源层材料受到对应波段的光信号照射时，本发明光电导探测器的有源层在光电导效应的作用下，会激发出更多的载流子，从而提高有源层材料的载流子浓度，降低有源层材料的电阻率。这使得第三电极与第四电极之间的电阻值降低。另一方面，有源层材料的电阻率在感光的二维平面上随光信号的照射呈现同步、均匀的变化，因此上述电流场的分布在光信号照射前后保持不变，从而导致第三电极与第四电极之间的电流在光信号照射前后也维持不变。因此，U34在有源层材料受到对应波段的光信号照射时出现减小，且减小的幅度与光信号的强弱有关。因此，可以通过第三电极与第四电极之间电势差的变化来识别光信号。
本发明提出的新型光电导探测器与采用叉指电极结构的传统光电导探测器相比，无需采用光刻技术，制造工艺更简单，有助于提产品的良率、降低生产成本，且器件的开口率能得到大幅提高，这有利于实现光电探测器的小型化和集成化，并为大面积的光电探测阵列的制造及研究提供了更佳的解决方案。
Claims (7)
1.一种新型的光电导探测器，其特征在于，自下而上依次为有源层(8)、图形化电极层(9)，其中，图形化电极层(9)包括第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)、第四电极(4)，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极的相对位置呈一个任意的四边形结构，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极沿顺时针或逆时针依次排布，所述第一电极接地，工作时，在第一电极与第二电极之间接恒定电流源(5)，在第三电极和第四电极之间通过电压测试设备(6)测试电压值，通过该电压值的变化识别光信号。
2.根据权利要求1所述的新型的光电导探测器，其特征在于，所述有源层(8)为薄膜，生长在衬底(7)上。
3.根据权利要求1所述的新型的光电导探测器，其特征在于，所述有源层(8)本身为单晶基片。
4.根据权利要求1所述的新型的光电导探测器，其特征在于，所述有源层(8)的材料为Si、Ge、Ga2O3、AlGaN、MgZnO、金刚石、GaN、ZnO、AlN、SiC、ZnSe、VO2、CdS、PbS、PbSe、InSb、InAs、InGaAs、PbSnTe或HgCdTe。
5.根据权利要求1所述的新型的光电导探测器，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极由金属Ti或Ni层(10)与沉积于金属Ti或Ni层(10)上的Al或Au层(11)组成。
6.根据权利要求1所述的新型的光电导探测器，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极采用氧化铟锡(ITO)材料。
7.根据权利要求1所述的新型的光电导探测器，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极上分别引出测试臂和测试电极。
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