CN108417660B - 紫外红外双色探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外红外双色探测器及其制作方法，其中，紫外红外双色探测器包括衬底层、生长在衬底层上的GaN缓冲层、生长在GaN缓冲层上的GaN吸收层及生长在GaN吸收层上的TMDCs盖层。由于GaN具有宽禁带性能，可对紫外波段进行吸收，GaN外延的TMDCs层可以对红外波段的光进行探测，本申请提供的紫外红外双色探测器实现同时对红外和紫外波段的光进行探测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器技术领域，特别涉及一种紫外红外双色探测器。本发明还涉及一种紫外红外双色探测器的制作方法。
背景技术
随着智慧型物联网的发展，在航空预警、火灾监测等方面紫外光电探测器和红外光电探测器已成为物体间信息获取的重要手段。
然而，由于传统的紫外光电探测器和红外光电探测器仅能够对单色进行追踪，使得光电探测器的探测范围较窄，无法同时实现对红外和紫外波段的光同时进行探测。
因此，如何同时实现对红外和紫外波段的光进行探测，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种紫外红外双色探测器，以实现同时对红外和紫外波段的光进行探测。本发明的另一目的是提供一种紫外红外双色探测器的制作方法。
为实现上述目的，本发明提供一种紫外红外双色探测器，包括：
衬底层；
生长在所述衬底层上的GaN缓冲层；
生长在所述GaN缓冲层上的GaN吸收层；
及生长在所述GaN吸收层上的TMDCs盖层。
优选地，所述衬底层为蓝宝石衬底层或单晶硅衬底层。
优选地，所述GaN吸收层中掺杂类型为p型或n型材料。
优选地，所述GaN缓冲层的厚度为100nm-300nm。
优选地，所述GaN吸收层的厚度为0.5μm-1.5μm，所述GaN吸收层的n型掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1018cm-3。
优选地，所述TMDCs盖层为MX2型的层状结构，M表示过渡金属，X表示硫族元素。
优选地，所述M为Mo、W或Re；所述X为S、Se或Te。
优选地，所述TMDCs盖层为WSe2层，所述WSe2层为2层-6层。
一种紫外红外双色探测器的制作方法，包括步骤：
A1：通入氢气对衬底层进行高温清洁；
A2：在所述衬底层上外延生长GaN缓冲层；
A3：在所述GaN缓冲层上生长GaN吸收层；
A4：在所述GaN吸收层上生长TMDCs盖层。
优选地，
所述步骤A2包括首先在温度为550℃时生长一层200nm的GaN材料，形成GaN缓冲层，然后升高温度至1100℃，在升温过程中缓冲层GaN退火重结晶，释放由晶格失配所造成的应力，进入步骤A3生长的界面：
所述步骤A3包括首先在1050℃恒温3分钟-5分钟，然后在所述GaN缓冲层生长一层1μm厚度的n型掺杂的GaN吸收层；
所述步骤A4包括降低温度至800℃，生长2～6层的p型WSe2薄膜材料作为所述TMDCs盖层。
在上述技术方案中，本发明提供的紫外红外双色探测器包括衬底层、生长在衬底层上的GaN缓冲层、生长在GaN缓冲层上的GaN吸收层及生长在GaN吸收层上的TMDCs盖层。
通过上述描述可知，在本发明提供的紫外红外双色探测器中，GaN具有宽禁带性能，可对紫外波段进行吸收，GaN外延TMDCs可以对红外波段的光进行探测，因此，本申请提供的紫外红外双色探测器实现同时对红外和紫外波段的光进行探测。
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为本发明实施例所提供的紫外红外双色探测器的结构示意图。
其中图1中：1-衬底层、2-GaN缓冲层、3-GaN吸收层、4-TMDCs盖层。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种紫外红外双色探测器，以实现同时对红外和紫外波段的光进行探测。本发明的另一核心是提供一种紫外红外双色探测器的制作方法。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的紫外红外双色探测器包括衬底层1、生长在衬底层1上的GaN缓冲层2、生长在GaN缓冲层2上的GaN吸收层3及生长在GaN吸收层3上的TMDCs(Transition-metal dichalcogenides，过渡金属二硫化物)盖层。具体的，衬底层1为蓝宝石衬底层或单晶硅衬底层。具体的，GaN吸收层3中掺杂类型为p型或n型材料。具体的，GaN缓冲层2的厚度为100nm-300nm，优选，GaN缓冲层2厚度为180nm-220nm，当然，在具体加工过程中GaN缓冲层2可以小于100nm或大于300nm，具体的，GaN缓冲层2的厚度为200nm。
其中，GaN吸收层3的厚度为0.5μm-1.5μm，优选，GaN吸收层3厚度为0.9μm-1.1μm，更为优选的，GaN吸收层3的厚度为1μm，GaN吸收层3的n型掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1018cm-3，优选的，GaN吸收层3的n型掺杂浓度为2×1018cm-3。
优选的，TMDCs盖层4为MX2型的层状结构，M表示过渡金属，X表示硫族元素。TMDCs盖层4为2～6层，具体的，TMDCs盖层4可以为4或5层，在具体实施方式中，M可以为Mo、W或Re等；X可以为S、Se或Te等。
更为优选的，TMDCs盖层4为WSe2层，WSe2层为2层-6层。
通过有效结合二维TMDCs和GaN的光电探测性能，并利用MOCVD方法外延TMDCs/GaN作为材料基础，实现紫外/红外双色探测结构的制备，在一种具体实施方式中，首先在蓝宝石的衬底层1上依次生长厚度约为200nm未掺杂的GaN缓冲层2，然后继续生长厚度为1μm，且掺杂浓度为2×1018cm-3的n型GaN吸收层3，最后生长2～6层WSe2薄膜材料作为TMDCs盖层4，形成PN型光电探测器，实现紫外和红外的双色探测。
紫外红外双色探测器工作时，光信号通过光学系统照射到紫外红外双色探测器的光敏区，即GaN吸收层3和TMDCs盖层4，然后经双色探测器进行光电转换后，变成偏置电路可以控制处理的电信号；接着通过低噪声前置放大电路，对光电转换后的微弱电信号进行一定程度的放大，然后利用后级信号处理电路进行解码，最后由终端显示器显示出来。在工作时结合二维TMDCs盖层4的近红外吸收特性和GaN的紫外吸收特性，可以同时对紫外和近红外波段的光进行探测。
通过上述描述可知，在本发明具体实施例所提供的紫外红外双色探测器中，GaN具有宽禁带性能，可对紫外波段进行吸收，GaN外延的TMDCs可以对红外波段的光进行探测，因此，本申请提供的紫外红外双色探测器实现同时对红外和紫外波段的光进行探测。
另一方面，利用GaN外延TMDCs盖层4制备的紫外红外双色探测器具有较高的响应度，即利用MOCVD方法在衬底层1上外延TMDCs和GaN异质结构制备具有高响应度和高响应速度的紫外红外双色探测器，通过调控TMDCs组分及层数、GaN与TMDCs界面态，实现对GaN外延TMDCs的双色探测器响应波长和响应度的调控。由于TMDCs和GaN均具有较高的稳定性，有利于紫外红外双色探测器在恶劣环境中的应用。其中TMDCs和GaN之间能带结构为II型能带排列组合，可以有效促进光生载流子的分离，提高探测效率。
本申请提供的一种紫外红外双色探测器的制作方法包括步骤：
A1：通入氢气对衬底层1进行高温清洁。
具体的，衬底层1为蓝宝石衬底层或单晶硅衬底层。
A2：在衬底层1上外延生长GaN缓冲层2。具体的，优选采用MOCVD两步生长法在衬底上外延生长GaN缓冲层2材料。具体的，GaN吸收层3中掺杂类型为p型或n型材料。具体的，GaN缓冲层2的厚度为100nm-300nm，优选，GaN缓冲层2厚度为180nm-220nm，当然，在具体加工过程中GaN缓冲层2可以小于100nm或大于300nm，具体的，GaN缓冲层2的厚度为200nm。
首先在温度为550℃时生长一层200nm的GaN材料，形成GaN缓冲层2，然后升高温度至1100℃，在升温过程中缓冲层GaN退火重结晶，释放由晶格失配所造成的应力，进入步骤A3生长的界面
A3：在GaN缓冲层2上生长GaN吸收层3。其中，GaN吸收层3的厚度为0.5μm-1.5μm，优选，GaN吸收层3的厚度为0.9μm-1.1μm，优选的，GaN吸收层3的厚度为1μm，GaN吸收层3的n型掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1018cm-3，优选的，GaN吸收层3的n型掺杂浓度为2×1018cm-3。
首先在1050℃恒温3分钟-5分钟，然后在所述GaN缓冲层2生长一层1μm厚度的n型掺杂的GaN吸收层3。
A4：在GaN吸收层3上生长TMDCs(Transition-metal dichalcogenides，过渡金属二硫化物)盖层。优选的，TMDCs盖层4为MX2型的层状结构，M表示过渡金属，X表示硫族元素。TMDCs盖层4为2～6层，具体的，TMDCs盖层4可以为4或5层，在具体实施方式中，M可以为Mo、W或Re等；X可以为S、Se或Te等。
更为优选的，TMDCs盖层4为WSe2层，WSe2层为2层-6层。
具体的步骤A3包括：降低温度至800℃，生长2～6层的p型WSe2薄膜材料作为TMDCs盖层4，最终形成PN型光电探测器结构。。
通过上述描述可知，在本发明具体实施例所提供的紫外红外双色探测器中，GaN具有宽禁带性能，可对紫外波段进行吸收，GaN外延的TMDCs可以对红外波段的光进行探测，因此，本申请提供的紫外红外双色探测器的制作方法实现同时对红外和紫外波段的光进行探测。
另一方面，利用GaN外延TMDCs盖层4制备的紫外红外双色探测器具有较高的响应度，即利用MOCVD方法在衬底层1上外延TMDCs和GaN异质结构制备具有高响应度和高响应速度的紫外红外双色探测器，通过调控TMDCs组分、层数、GaN与TMDCs界面态，实现对GaN外延TMDCs的双色探测器响应波长和响应度的调控。由于TMDCs和GaN均具有较高的稳定性，有利于紫外红外双色探测器在恶劣环境中的应用。其中TMDCs和GaN之间能带结构为II型能带排列组合，可以有效促进光生载流子的分离，提高探测效率。
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 (6)
1.一种紫外红外双色探测器，其特征在于，包括：
衬底层(1)；
生长在所述衬底层(1)上的GaN缓冲层(2)；
生长在所述GaN缓冲层(2)上的GaN吸收层(3)；
及生长在所述GaN吸收层(3)上的TMDCs盖层(4)，所述紫外红外双色探测器为PN型光电探测器
所述TMDCs盖层(4)为WSe2层，所述WSe2层为2层-6层。
2.根据权利要求1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述衬底层(1)为蓝宝石衬底层或单晶硅衬底层。
3.根据权利要求1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述GaN吸收层(3)中掺杂类型为p型或n型材料。
4.根据权利要求1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述GaN缓冲层(2)的厚度为100nm-300nm。
5.根据权利要求1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述GaN吸收层(3)的厚度为0.5μm-1.5μm，所述GaN吸收层(3)的n型掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1018cm-3。
6.一种紫外红外双色探测器的制作方法，其特征在于，包括步骤：
A1：通入氢气对衬底层(1)进行高温清洁；
A2：在所述衬底层(1)上外延生长GaN缓冲层(2)；
A3：在所述GaN缓冲层(2)上生长GaN吸收层(3)；
A4：在所述GaN吸收层(3)上生长TMDCs盖层(4)，形成PN型光电探测器结构；
所述步骤A2包括首先在温度为550℃时生长一层200nm厚度的GaN材料，形成GaN缓冲层(2)，然后升高温度至1100℃，在升温过程中所述GaN缓冲层(2)退火重结晶，释放由晶格失配所造成的应力，进入步骤A3生长的界面：
所述步骤A3包括首先在1050℃恒温3分钟-5分钟，然后在所述GaN缓冲层(2)生长一层1μm厚度的n型掺杂的GaN吸收层(3)；
所述步骤A4包括降低温度至800℃，生长2～6层的p型WSe2薄膜材料作为所述TMDCs盖层(4)。
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