CN105895728A - 一种近红外探测器及其制备方法 - Google Patents
一种近红外探测器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105895728A CN105895728A CN201610344859.3A CN201610344859A CN105895728A CN 105895728 A CN105895728 A CN 105895728A CN 201610344859 A CN201610344859 A CN 201610344859A CN 105895728 A CN105895728 A CN 105895728A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- near infrared
- infrared detector
- substrate
- molybdenum
- 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.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 74
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical group S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 54
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 48
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 48
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 10
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 28
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 28
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 23
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 19
- 239000010408 film Substances 0.000 description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 11
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical group [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 4
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 3
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000004297 night vision Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 125000004434 sulfur atom Chemical group 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
- H01L31/1055—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type the devices comprising amorphous materials of Group IV of the Periodic Table
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1876—Particular processes or apparatus for batch treatment of the devices
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本申请公开了一种近红外探测器及其制备方法，其中，所述近红外探测器包括：衬底；位于所述衬底表面的缓冲层；位于所述缓冲层背离所述衬底一侧的吸收层；位于所述吸收层背离所述缓冲层一侧的窗口层；所述窗口层为二硫化钼层。二硫化钼可表现出P型半导体的性质，且在近红外波段具有很好的透光性，使其可以作为所述近红外探测器的窗口层；更为重要的是，所述二硫化钼层在近红外波段可以产生显著的表面等离激元效应，从而增强所述近红外探测器对入射近红外光的吸收(增强光捕获作用)，进而提高所述近红外探测器的量子效率。
Description
技术领域
本申请涉及光电子材料与器件技术领域，更具体地说，涉及一种近红外探测器及其制备方法。
背景技术
在近红外1-3μm波段中，很多物质具有独特的光谱特性。因此近红外探测在资源调查、环境监控、医学诊断、夜视成像等领域都有着重要的作用。近红外探测器的结构如图1所示，包括：衬底11；位于所述衬底11表面的缓冲层12；位于所述缓冲层12背离所述衬底11一侧的吸收层13以及位于所述吸收层13背离所述缓冲层12一侧的窗口层14。其中，所述窗口层14由透光的P型材料(在铟镓砷近红外探测器中一般为磷化铟材料)构成，衬底11为N型材料构成；在所述近红外探测器工作时，近红外光线通过所述窗口层14进入器件内部，由于光生伏特效应在所述吸收层13内产生光生载流子；所述光生载流子中的空穴通过位于所述窗口层14表面的第一电极(附图1中未示出)导出，所述光生载流子中的电子通过位于所述窗口层14表面的第二电极(附图1中未示出)导出，以实现光信号向电信号的转变，从而实现对近红外光的探测。但是目前能够实现宽谱近红外波段探测的近红外探测器的量子效率较低，难以满足实际应用的需求。
因此，亟需一种量子效率较高的近红外探测器。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种近红外探测器及其制作方法，以实现改善近红外探测器的量子效率的目的。
为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种近红外探测器，包括：
衬底；
位于所述衬底表面的缓冲层；
位于所述缓冲层背离所述衬底一侧的吸收层；
位于所述吸收层背离所述缓冲层一侧的窗口层；
所述窗口层为二硫化钼层。
优选的，所述衬底为N型砷化镓单晶衬底或N型磷化铟单晶衬底；
所述缓冲层和吸收层均为采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD法生长的铟镓砷层。
优选的，构成所述铟镓砷层的铟镓砷化学式为InxGa1-xAs，其中x的取值范围为0.53-1，不包括端点值。
优选的，所述二硫化钼层为至少一层P型二硫化钼薄膜。
优选的，所述缓冲层的厚度的取值范围为50nm-500nm，包括端点值；
所述吸收层的厚度的取值范围为1.5μm-5μm，包括端点值。
一种近红外探测器的制备方法，包括：
获取衬底；
在所述衬底表面生长缓冲层；
在所述缓冲层背离所述衬底一侧表面生长吸收层；
在所述吸收层背离所述缓冲层一侧表面制备二硫化钼层作为窗口层。
优选的，在所述衬底表面生长缓冲层包括：
在第一预设温度下，在所述衬底表面采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD法生长缓冲层；
将温度由第一预设温度升至第二预设温度，并保持第三预设温度第一预设时间，形成所述缓冲层。
优选的，在所述吸收层背离所述缓冲层一侧表面制备二硫化钼层作为窗口层包括：
采用化学气相沉积法在所述吸收层背离所述缓冲层一侧表面制备至少一层P型二硫化钼薄膜。
优选的，所述衬底为N型砷化镓单晶衬底或N型磷化铟单晶衬底；
所述缓冲层和吸收层均为铟镓砷层。
优选的，构成所述铟镓砷层的化学式为InxGa1-xAs，其中x的取值范围为0.53-1，不包括端点值。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种近红外探测器及其制备方法，其中，所述近红外探测器以二硫化钼层作为窗口层，以提高所述近红外探测器的量子效率。这是因为发明人研究发现二硫化钼可表现出P型半导体的性质，且在近红外波段具有很好的透光性，使其可以作为所述近红外探测器的窗口层；更为重要的是，所述二硫化钼层在近红外波段可以产生显著的表面等离激元效应，从而增强所述近红外探测器对入射近红外光的吸收(增强光捕获作用)，进而提高所述近红外探测器的量子效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的近红外探测器的结构示意图；
图2为本申请的一个实施例提供的一种近红外探测器的结构示意图；
图3为本申请的一个实施例提供的一种近红外探测器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种近红外探测器，如图2所示，包括：
衬底100；
位于所述衬底100表面的缓冲层200；
位于所述缓冲层200背离所述衬底100一侧的吸收层300；
位于所述吸收层300背离所述缓冲层200一侧的窗口层400；
所述窗口层400为二硫化钼层。
在本实施例中，所述衬底100为N型衬底。所述缓冲层200和吸收层300可利用外延生长技术或物理气相沉积技术或化学气相沉积技术或原子束技术生长，本申请对所述缓冲层200和吸收层300采用的具体生长技术并不做限定，具体视实际情况而定。
一般而言，在所述窗口层400背离所述吸收层300一侧表面具有第一电极，在所述衬底100背离所述缓冲层200一侧表面具有第二电极。在所述近红外探测器工作时，近红外光线通过所述窗口层400进入器件内部，由于光生伏特效应在所述吸收层300内产生光生载流子；所述光生载流子中的空穴通过所述第一电极导出，所述光生载流子中的电子通过所述第二电极导出，实现光信号向电信号的转变，从而实现对近红外光的探测。
由于所述二硫化钼层中带有缺陷，使其表现出P型半导体的性质。且在近红外波段具有很好的透光性，使其可以作为所述近红外探测器的窗口层400；更为重要的是，所述二硫化钼层在近红外波段可以产生显著的表面等离激元效应。所述表面等离激元效应是指当入射光波(近红外光)入射到所述窗口层与吸收层的分界面时，窗口层中的自由电子发生集体振荡，光波与自由电子耦合而形成一种近场电磁波，如果自由电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下近场电磁波构成的电磁场的能量被有效地转换为自由电子的集体振动能，这时所述电磁场被局限在很小的范围内并发生增强的现象。研究表明所述表面等离激元效应可以产生很强的近场增强效应，同时会增强散射截面值。因此表面等离激元效应是增强所述近红外探测器对入射近红外光的吸收(增强光捕获作用)的有效手段，从而实现提高以二硫化钼层作为窗口层400的近红外探测器的量子效率的目的。
进一步的，二硫化钼内的钼原子和硫原子之间构成共价键，具有类石墨烯结构，不但具有石墨烯的结构稳定等优异性质，而且可以通过调节二硫化钼层的厚度来改变自身的禁带宽度，因此可以广泛应用于各种类型的近红外探测器中。并且钼和硫为天然矿物，储量丰富且价格低廉，使得应用钼原子和硫原子的简单化合物二硫化钼层作为窗口层400的近红外探测器的成本较低。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述二硫化钼层为经过退火处理后的二硫化钼层；二硫化钼层在经过退火处理后其成膜性能更好，使得所述第一电极与所述二硫化钼层的接触更加平整，减少因二硫化钼层内部缺陷而引起的电学短路，从而提高了器件的稳定性。
所述第一电极和第二电极可以为金电极，也可以是铂金电极或其他金属电极，本申请对所述第一电极和第二电极的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，所述衬底100为N型砷化镓单晶衬底100或N型磷化铟单晶衬底100；
所述缓冲层200和吸收层300均为采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD法生长的铟镓砷层。
在本实施例中，所述近红外探测器为PIN型铟镓砷近红外探测器，其中，缓冲层200和吸收层300作为I层，衬底100为N层，二硫化钼层作为P层。PIN结构的近红外探测器具有对近红外光的响应速度快的优点。并且由于二硫化钼层所起到的等离激元效应，大大增加了所述近红外探测器中的光传输通道，增强了所述近红外探测器对入射近红外光的吸收，进而提高了所述近红外探测器的量子效率。
在本实施例中，所述缓冲层200和吸收层300采用金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)两步法生长，即首先在所述衬底100上低温生长一层掺杂Si的铟镓砷三元系材料作为缓冲层200，然后再高温生长掺杂Si的铟镓砷层作为所述吸收层300。采用MOCVD制备所述吸收层300和缓冲层200可以有效改善吸收层300的晶格质量，从而达到降低所述近红外探测器暗电流，进而提升所述近红外探测器的光电性能的目的。所述铟镓砷材料中掺杂Si的目的是改良所述铟镓砷材料的材料特性，其具体原理已为本领域技术人员所熟知，本申请在此不做赘述。
对于本申请实施例中的近红外探测器而言，其吸收层300中铟组分的含量越高，铟镓砷近红外探测器可探测的近红外波段就越宽。但是伴随着铟组分的增加，吸收层300材料与衬底100之间的晶格失配问题越发严重，从而降低了作为吸收层300的铟镓砷材料的质量，导致铟镓砷近红外探测器的暗电流过大，从而降低所述近红外探测器的光电性能。而在本实施例中，所述缓冲层200除了作为I层的一部分以外，还起到了缓冲所述吸收层300与衬底100之间的晶格失配的作用，以降低对作为吸收层300的铟镓砷材料的生长要求，从而降低所述近红外探测器的暗电流，进而提高所述近红外探测器的光电性能。进一步的，由于作为所述窗口层400的二硫化钼层的表面等离激元效应，使得所述近红外探测器的光捕获能力进一步增强，从而进一步提高所述近红外探测器的量子效率，使得所述近红外探测器可以探测波长范围更广的近红外光线；同时由于所述二硫化钼材料极高的迁移率，使得所述近红外探测器对于近红外光线的响应速度极快。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，构成所述铟镓砷层的铟镓砷化学式为InxGa1-xAs，其中x的取值范围为0.53-1，不包括端点值。
在本实施例中，所述铟镓砷层为高铟组分的铟镓砷层，正如上面的分析，铟镓砷PIN型近红外探测器中作为所述吸收层300的铟镓砷层中铟组分越高，所述红外探测器的可探测波长的波段就越宽，在本实施例中，x的取值大于0.53，使得所述铟镓砷层的铟组分较高，从而由高铟组分的吸收层300构成的所述近红外探测器的可探测波长的波段较宽。
在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述二硫化钼层为至少一层P型二硫化钼薄膜。
所述二硫化钼层的厚度的变化可以改变其自身的禁带宽度，以使其应用于不同种类的近红外探测器中。一层P型二硫化钼薄膜是指由一层二硫化钼分子构成的薄膜，而二硫化钼层的厚度由所述P型二硫化钼薄膜的层数决定。
在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，所述缓冲层200的厚度的取值范围为50nm-500nm，包括端点值；
所述吸收层300的厚度的取值范围为1.5μm-5μm，包括端点值。
需要说明的是，在本申请的一个优选实施例中，所述缓冲层200的厚度的优选取值为100nm，所述吸收层300的厚度的优选取值为3μm。本申请对所述缓冲层200的厚度以及吸收层300的厚度的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。
相应的，本申请实施例还提供了一种近红外探测器的制备方法，如图3所示，包括：
S101：获取衬底100。
所述衬底100为N型衬底，可以为N型砷化镓单晶衬底100或N型磷化铟单晶衬底100。本申请对所述衬底100的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。
S102：在所述衬底100表面生长缓冲层200，
所述缓冲层200可利用外延生长技术或物理气相沉积技术或化学气相沉积技术或原子束技术生长，本申请对所述缓冲层200采用的具体生长技术并不做限定，具体视实际情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，在所述衬底100表面生长缓冲层200包括：
S1021：在第一预设温度下，在所述衬底100表面采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD法生长缓冲层200；
S1022：将温度由第一预设温度升至第二预设温度，并保持第三预设温度第一预设时间，形成所述缓冲层200。
需要说明的是，所述第一预设温度的取值范围可以为440℃-460℃，包括端点值；所述第二预设温度的取值范围可以为560℃-600℃；所述第三预设温度等于第二预设温度-30℃。在本申请的一个优选实施例中，所述第一预设温度的优选取值为450℃，所述第二预设温度的优选取值为580℃，所述第三预设温度的优选取值为550℃。在第一预设温度下，在所述衬底100表面外延生长缓冲层200后，将温度由第一预设温度升至第二预设温度，并保持第三预设温度第一预设时间，以释放由于衬底100与吸收层300之间的晶格失配所造成的应力，并使得所述缓冲层200表面形成吸收层300的生长界面。
所述第一预设取值的取值范围可以为3min-5min，包括端点值。本申请对所述第一预设取值的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。
S103：在所述缓冲层200背离所述衬底100一侧表面生长吸收层300。
同样的，可以所述吸收层300可利用外延生长技术或物理气相沉积技术或化学气相沉积技术或原子束技术生长，本申请对所述吸收层300采用的具体生长技术并不做限定，具体视实际情况而定。
在本申请的一个实施例中，在所述缓冲层200背离所述衬底100一侧表面生长吸收层300包括：
在第二预设温度下，在所述缓冲层200背离所述衬底100一侧表面生长吸收层300。
在本实施例中，所述缓冲层200和吸收层300采用金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)两步法生长，即首先在所述衬底100上低温生长一层掺杂Si的铟镓砷三元系材料作为缓冲层200，然后再高温生长掺杂Si的铟镓砷层作为所述吸收层300。采用MOCVD制备所述吸收层300和缓冲层200可以有效改善吸收层300的晶格质量，从而达到降低所述近红外探测器暗电流，进而提升所述近红外探测器的光电性能的目的。所述铟镓砷材料中掺杂Si的目的是改良所述铟镓砷材料的材料特性，其具体原理已为本领域技术人员所熟知，本申请在此不做赘述。
对于本申请实施例中的近红外探测器而言，其吸收层300中铟组分的含量越高，铟镓砷近红外探测器可探测的近红外波段就越宽。但是伴随着铟组分的增加，吸收层300材料与衬底100之间的晶格失配问题越发严重，从而降低了作为吸收层300的铟镓砷材料的质量，导致铟镓砷近红外探测器的暗电流过大，从而降低所述近红外探测器的光电性能。而在本实施例中，所述缓冲层200除了作为I层的一部分以外，还起到了缓冲所述吸收层300与衬底100之间的晶格失配的作用，以降低对作为吸收层300的铟镓砷材料的生长要求，从而降低所述近红外探测器的暗电流，进而提高所述近红外探测器的光电性能。进一步的，由于作为所述窗口层400的二硫化钼层的表面等离激元效应，使得所述近红外探测器的光捕获能力进一步增强，从而进一步提高所述近红外探测器的量子效率，使得所述近红外探测器可以探测波长范围更广的近红外光线；同时由于所述二硫化钼材料极高的迁移率，使得所述近红外探测器对于近红外光线的响应速度极快。
S104：在所述吸收层300背离所述缓冲层200一侧表面制备二硫化钼层作为窗口层400。
在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，在所述吸收层300背离所述缓冲层200一侧表面制备二硫化钼层作为窗口层400包括：
采用化学气相沉积法在所述吸收层300背离所述缓冲层200一侧表面制备至少一层P型二硫化钼薄膜。
所述二硫化钼层的厚度的变化可以改变其自身的禁带宽度，以使其应用于不同种类的近红外探测器中。一层P型二硫化钼薄膜是指由一层二硫化钼分子构成的薄膜，而二硫化钼层的厚度由所述P型二硫化钼薄膜的层数决定。本申请对所述P型二硫化钼薄膜的层数并不做限定，具体视实际情况而定。
一般而言，在所述窗口层400背离所述吸收层300一侧表面具有第一电极，在所述衬底100背离所述缓冲层200一侧表面具有第二电极。在所述近红外探测器工作时，近红外光线通过所述窗口层400进入器件内部，由于光生伏特效应在所述吸收层300内产生光生载流子；所述光生载流子中的空穴通过所述第一电极导出，所述光生载流子中的电子通过所述第二电极导出，实现光信号向电信号的转变，从而实现对近红外光的探测。
由于所述二硫化钼层中带有缺陷，使其表现出P型半导体的性质。且在近红外波段具有很好的透光性，使其可以作为所述近红外探测器的窗口层400；更为重要的是，所述二硫化钼层在近红外波段可以产生显著的表面等离激元效应。所述表面等离激元效应是指当入射光波(近红外光)入射到所述窗口层400与吸收层300的分界面时，窗口层400中的自由电子发生集体振荡，光波与自由电子耦合而形成一种近场电磁波，如果自由电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下近场电磁波构成的电磁场的能量被有效地转换为自由电子的集体振动能，这时所述电磁场被局限在很小的范围内并发生增强的现象。研究表明所述表面等离激元效应可以产生很强的近场增强效应，同时会增强散射截面值。因此表面等离激元效应是增强所述近红外探测器对入射近红外光的吸收(增强光捕获作用)的有效手段，从而实现提高以二硫化钼层作为窗口层400的近红外探测器的量子效率的目的。
进一步的，二硫化钼内的钼原子和硫原子之间构成共价键，具有类石墨烯结构，不但具有石墨烯的结构稳定等优异性质，而且可以通过调节二硫化钼层的厚度来改变自身的禁带宽度，因此可以广泛应用于各种类型的近红外探测器中。并且钼和硫为天然矿物，储量丰富且价格低廉，使得应用钼原子和硫原子的简单化合物二硫化钼层作为窗口层400的近红外探测器的成本较低。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述二硫化钼层为经过退火处理后的二硫化钼层；二硫化钼层在经过退火处理后其成膜性能更好，使得所述第一电极与所述二硫化钼层的接触更加平整，减少因二硫化钼层内部缺陷而引起的电学短路，从而提高了器件的稳定性。
所述第一电极和第二电极可以为金电极，也可以是铂金电极或其他金属电极，本申请对所述第一电极和第二电极的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，所述衬底100为N型砷化镓单晶衬底或N型磷化铟单晶衬底；
所述缓冲层200和吸收层300均为铟镓砷层。
在本实施例中，所述近红外探测器为PIN型铟镓砷近红外探测器，其中，缓冲层200和吸收层300作为I层，衬底100为N层，二硫化钼层作为P层。PIN结构的近红外探测器具有对近红外光的响应速度快的优点。并且由于二硫化钼层所起到的等离激元效应，大大增加了所述近红外探测器中的光传输通道，增强了所述近红外探测器对入射近红外光的吸收，进而提高了所述近红外探测器的量子效率。
在本实施例中，所述缓冲层200和吸收层300采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)两步法生长，即首先在所述衬底100上低温生长一层掺杂Si的铟镓砷三元系材料作为缓冲层200，然后再高温生长掺杂Si的铟镓砷层作为所述吸收层300。所述铟镓砷材料中掺杂Si的目的是改良所述铟镓砷材料的材料特性，其具体原理已为本领域技术人员所熟知，本申请在此不做赘述。
对于本申请实施例中的近红外探测器而言，其吸收层300中铟组分的含量越高，铟镓砷近红外探测器可探测的近红外波段就越宽。但是伴随着铟组分的增加，吸收层300材料与衬底100之间的晶格失配问题越发严重，从而降低了作为吸收层300的铟镓砷材料的质量，导致铟镓砷近红外探测器的暗电流过大，从而降低所述近红外探测器的光电性能。而在本实施例中，所述缓冲层200除了作为I层的一部分以外，还起到了缓冲所述吸收层300与衬底100之间的晶格失配的作用，以降低对作为吸收层300的铟镓砷材料的生长要求，从而降低所述近红外探测器的暗电流，进而提高所述近红外探测器的光电性能。进一步的，由于作为所述窗口层400的二硫化钼层的表面等离激元效应，使得所述近红外探测器的光捕获能力进一步增强，从而进一步提高所述近红外探测器的量子效率，使得所述近红外探测器可以探测波长范围更广的近红外光线；同时由于所述二硫化钼材料极高的迁移率，使得所述近红外探测器对于近红外光线的响应速度极快。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，构成所述铟镓砷层的铟镓砷化学式为InxGa1-xAs，其中x的取值范围为0.53-1，不包括端点值。
在本实施例中，所述铟镓砷层为高铟组分的铟镓砷层，正如上面的分析，铟镓砷PIN型近红外探测器中作为所述吸收层300的铟镓砷层中铟组分越高，所述红外探测器的可探测波长的波段就越宽，在本实施例中，x的取值大于0.53，使得所述铟镓砷层的铟组分较高，从而由高铟组分的吸收层300构成的所述近红外探测器的可探测波长的波段较宽。
在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，所述缓冲层200的厚度的取值范围为50nm-500nm，包括端点值；
所述吸收层300的厚度的取值范围为1.5μm-5μm，包括端点值。
需要说明的是，在本申请的一个优选实施例中，所述缓冲层200的厚度的优选取值为100nm，所述吸收层300的厚度的优选取值为3μm。本申请对所述缓冲层200的厚度以及吸收层300的厚度的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。
在上述实施例的基础上，本申请的一个具体实施例具体说明了一种截止波长为2.5μm的铟镓砷近红外探测器的制备流程：
S201：在掺杂S原子的N型磷化铟衬底上采用MOCVD法在450℃生长一层100nm的In0.8Ga0.2As层作为所述缓冲层200；
S202：将环境温度由450℃升高至580℃，并在550℃恒温3-5min，使所述缓冲层200退火重结晶，形成生长界面；
S203：采用MOCVD法在550℃生长一层3μm低掺杂N型In0.8Ga0.2As层作为所述吸收层300；
S204：利用DVD法在所述吸收层300表面制备至少一层二硫化钼薄膜，形成PIN型铟镓砷近红外探测器。
综上所述，本申请实施例提供了一种近红外探测器及其制备方法，其中，所述近红外探测器以二硫化钼层作为窗口层400，以提高所述近红外探测器的量子效率。这是因为发明人研究发现二硫化钼可表现出P型半导体的性质，且在近红外波段具有很好的透光性，使其可以作为所述近红外探测器的窗口层400；更为重要的是，所述二硫化钼层在近红外波段可以产生显著的表面等离激元效应，从而增强所述近红外探测器对入射近红外光的吸收(增强光捕获作用)，进而提高所述近红外探测器的量子效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种近红外探测器，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底表面的缓冲层；
位于所述缓冲层背离所述衬底一侧的吸收层；
位于所述吸收层背离所述缓冲层一侧的窗口层；
所述窗口层为二硫化钼层。
2.根据权利要求1所述的近红外探测器，其特征在于，所述衬底为N型砷化镓单晶衬底或N型磷化铟单晶衬底；
所述缓冲层和吸收层均为采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD法生长的铟镓砷层。
3.根据权利要求2所述的近红外探测器，其特征在于，构成所述铟镓砷层的铟镓砷化学式为InxGa1-xAs，其中x的取值范围为0.53-1，不包括端点值。
4.根据权利要求1所述的近红外探测器，其特征在于，所述二硫化钼层为至少一层P型二硫化钼薄膜。
5.根据权利要求1所述的近红外探测器，其特征在于，所述缓冲层的厚度的取值范围为50nm-500nm，包括端点值；
所述吸收层的厚度的取值范围为1.5μm-5μm，包括端点值。
6.一种近红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
获取衬底；
在所述衬底表面生长缓冲层；
在所述缓冲层背离所述衬底一侧表面生长吸收层；
在所述吸收层背离所述缓冲层一侧表面制备二硫化钼层作为窗口层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述衬底表面生长缓冲层包括：
在第一预设温度下，在所述衬底表面采用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD法生长缓冲层；
将温度由第一预设温度升至第二预设温度，并保持第三预设温度第一预设时间，形成所述缓冲层。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述吸收层背离所述缓冲层一侧表面制备二硫化钼层作为窗口层包括：
采用化学气相沉积法在所述吸收层背离所述缓冲层一侧表面制备至少一层P型二硫化钼薄膜。
9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底为N型砷化镓单晶衬底或N型磷化铟单晶衬底；
所述缓冲层和吸收层均为铟镓砷层。
10.根据权利要求9任一项所述的方法，其特征在于，构成所述铟镓砷层的化学式为InxGa1-xAs，其中x的取值范围为0.53-1，不包括端点值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610344859.3A CN105895728B (zh) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | 一种近红外探测器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610344859.3A CN105895728B (zh) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | 一种近红外探测器及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105895728A true CN105895728A (zh) | 2016-08-24 |
| CN105895728B CN105895728B (zh) | 2017-08-25 |
Family
ID=56717810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610344859.3A Expired - Fee Related CN105895728B (zh) | 2016-05-23 | 2016-05-23 | 一种近红外探测器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105895728B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107093642A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-08-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种近红外探测器 |
| CN108831951A (zh) * | 2018-06-11 | 2018-11-16 | 复旦大学 | 一种二硫化钼基可见至近红外InGaAs探测器及其制备方法 |
| CN110690313A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-14 | 华南理工大学 | 一种Si衬底MoS2近红外光探测器及制备方法 |
| CN114520268A (zh) * | 2020-11-19 | 2022-05-20 | 无锡华润微电子有限公司 | 光电二极管单元及光电二极管阵列 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4994672A (en) * | 1989-09-20 | 1991-02-19 | Pennsylvania Research Corp. | Pyro-optic detector and imager |
| CN1314711A (zh) * | 2001-04-25 | 2001-09-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片 |
| WO2005026694A2 (en) * | 2003-09-12 | 2005-03-24 | Nanomix, Inc. | Carbon dioxide nanoelectronic sensor |
| CN105093777A (zh) * | 2015-07-23 | 2015-11-25 | 北京大学 | 一种超材料-微腔复合结构及其制备方法和用途 |
-
2016
- 2016-05-23 CN CN201610344859.3A patent/CN105895728B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4994672A (en) * | 1989-09-20 | 1991-02-19 | Pennsylvania Research Corp. | Pyro-optic detector and imager |
| CN1314711A (zh) * | 2001-04-25 | 2001-09-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片 |
| WO2005026694A2 (en) * | 2003-09-12 | 2005-03-24 | Nanomix, Inc. | Carbon dioxide nanoelectronic sensor |
| CN105093777A (zh) * | 2015-07-23 | 2015-11-25 | 北京大学 | 一种超材料-微腔复合结构及其制备方法和用途 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LEI YE ET AL: "Near-Infrared Photodetector Based on MoS2/Black Phosphorus Heterojunction", 《ACS PHOTONICS》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107093642A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-08-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种近红外探测器 |
| CN108831951A (zh) * | 2018-06-11 | 2018-11-16 | 复旦大学 | 一种二硫化钼基可见至近红外InGaAs探测器及其制备方法 |
| CN110690313A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-14 | 华南理工大学 | 一种Si衬底MoS2近红外光探测器及制备方法 |
| CN114520268A (zh) * | 2020-11-19 | 2022-05-20 | 无锡华润微电子有限公司 | 光电二极管单元及光电二极管阵列 |
| CN114520268B (zh) * | 2020-11-19 | 2024-01-30 | 无锡华润微电子有限公司 | 光电二极管单元及光电二极管阵列 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105895728B (zh) | 2017-08-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yi et al. | Optical and optoelectronic properties of black phosphorus and recent photonic and optoelectronic applications | |
| Zou et al. | Ultraviolet detectors based on wide bandgap semiconductor nanowire: A review | |
| Zeng et al. | Antimony selenide thin-film solar cells | |
| Nawaz et al. | A TCAD-based modeling of GaN/InGaN/Si solar cells | |
| Mokkapati et al. | Review on photonic properties of nanowires for photovoltaics | |
| CN105895728A (zh) | 一种近红外探测器及其制备方法 | |
| Jiang et al. | Direct lift-off and the piezo-phototronic study of InGaN/GaN heterostructure membrane | |
| Wu et al. | Fabrication and photoresponse of ZnO nanowires/CuO coaxial heterojunction | |
| Ty et al. | Electrochemical deposition of zinc oxide nanorods for hybrid solar cells | |
| Gao et al. | Semipolar (1122) AlGaN-based solar-blind ultraviolet photodetectors with fast response | |
| Sabaeian et al. | Investigation of in-plane-and z-polarized intersubband transitions in pyramid-shaped InAs/GaAs quantum dots coupled to wetting layer: size and shape matter | |
| Li et al. | Enhancement of a Cu 2 O/ZnO photodetector via surface plasmon resonance induced by Ag nanoparticles | |
| Que et al. | Progress in piezo-phototronic effect modulated photovoltaics | |
| Dai et al. | Self-powered ultraviolet photodetector based on an n-ZnO: Ga microwire/p-Si heterojunction with the performance enhanced by a pyro-phototronic effect | |
| Su et al. | A vertical CsPbBr 3/ZnO heterojunction for photo-sensing lights from UV to green band | |
| Geum et al. | Room temperature operation of mid-infrared InAs 0.81 Sb 0.19 based photovoltaic detectors with an In 0.2 Al 0.8 Sb barrier layer grown on GaAs substrates | |
| Wang et al. | Epitaxial growth of CsPbBr3/PbS single-crystal film heterostructures for photodetection | |
| Xie et al. | Ultra-low threshold avalanche gain from solar-blind photodetector based on graded-band-gap-cubic-MgZnO | |
| Yan et al. | Visible to Short-Wave Infrared Photodetectors Based on ZrGeTe4 van der Waals Materials | |
| Chai et al. | High-speed graphene/InGaN heterojunction photodetectors for potential application in visible light communication | |
| Lee et al. | Current matching using CdSe quantum dots to enhance the power conversion efficiency of InGaP/GaAs/Ge tandem solar cells | |
| CN103383976B (zh) | 石墨烯增强型InGaAs红外探测器 | |
| Yahyaoui et al. | Band engineering and absorption spectra in compressively strained Ge0. 92Sn0. 08/Ge (001) double quantum well for infrared photodetection | |
| Ravikiran et al. | Responsivity drop due to conductance modulation in GaN metal-semiconductor-metal Schottky based UV photodetectors on Si (111) | |
| CN101982905B (zh) | 一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170825 Termination date: 20190523 |