CN109698207B - 基于场效应晶体管的量子点近红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器及其制备方法，属于光电探测领域；该探测器利用结型场效应晶体管的原理进行探测，结构从下至上包括：硅衬底层、硅沟道层、离子注入区、绝缘介质层、金属电极层、量子点层，金属电极层包括由金属源电极和金属源漏电极构成的金属源漏电极阵列，每两个源漏电极之间有一层量子点层，金属源漏电极与量子点由绝缘介质层隔开。本发明通过设计叉指电极，从而使得该结构的单元探测器易于阵列化集成，并且同时根据量子点材料的选取不同在可见光到近红外波段具有高响应度和低响应时间。
Description
技术领域
本发明属于光电探测领域，具体涉及一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器及其制备方法。
背景技术
硅材料广泛应用于现代电子元器件中，可是由于硅的禁带宽度限制，其只能探测波长小于1100nm的光，红外探测在光通信、夜视应用、健康监测、目标识别等领域有很大的应用，因此拓展硅材料的探测波长成为一个研究热点。该领域早期研究的方向都在基于外延半导体、锗等，但这些方法增加了制备过程的复杂程性，理想的红外探测器需要有高响应度、快响应速度、低功耗和制备简易这些要求。传统的材料和光电器件整合通常需要昂贵的加工和制备技术，并且与柔性基底不兼容，黑硅是一种具有高光吸收率的材料但是响应度偏低。因此，人们趋向于溶液可加工的材料，它们的加工技术简单，便宜且易于制备光电器件，包括旋涂、滴涂和喷涂等方法，此外，溶液处理的材料可在各种基底材料上制造各种功能的光电器件。近些年，新型纳米晶体量子点(QDs)材料在太阳能电池领域的研究发展迅速，由于QDs的尺寸小于激子玻尔半径，从而导致QDs的三维量子效应，例如量子点依赖尺寸的带隙可调谐，可溶液法加工的特点。QDs可以集成到现有的光电器件上，具备较低的制造成本且可以大面积的加工，因此QDs在光电探测领域的研究也逐渐成为热点。
目前场效应晶体管结构的红外探测器，大多数是用二维材料做沟道，利用其高迁移率来达到快速响应，但和量子点材料结合后，由于增益机制的原因，这类光诱导的类栅极电场调控(photogating)场效应管探测器很难同时实现高响应度和快响应时间。因此，出现了一种光伏型场效应晶体管探测器，该结构利用了结型场效应晶体管的放大原理，其产生增益的机制来源于晶体管的放大作用，而不依赖于对光电流的积分，所以该器件可以同时实现高响应度和快响应时间。但其增益机制依然有一些不足，其增益依赖于器件的跨导和量子点在硅表面产生的光伏电压，因此器件长宽比过大，导致器件不易于阵列化集成。
发明内容
本发明的目的在于解决传统光电探测器不能同时实现高响应度和快响应时间，或是器件不易于阵列化集成的问题，提供一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
硅沟道层作为导电沟，量子点吸收光产生电子空穴对，量子点层和硅沟道层之间形成光伏电压，改变硅沟道层的导电率，实现探测。
一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器的结构包括：硅衬底层、离子注入区、硅沟道层、绝缘介质层、金属电极层、量子点层；
硅沟道层在硅衬底层上；金属电极层位于硅沟道层上，为由多个相通的金属源电极和多个相通的金属漏电极构成的金属源漏电极阵列；单个金属源电极和单个金属漏电极之间均设有位于硅沟道层上的量子点层；金属源漏电极阵列与量子点层由位于硅沟道层上的绝缘介质层隔开；离子注入区位于金属源电极和金属漏电极正下方的硅沟道层中；
进一步地，硅衬底层是杂质浓度达到大于每立方厘米存有10^18个原子的重掺杂N型硅衬底层或者P型硅衬底层并作为栅极使用，其电阻率为0.01～0.001Ω·cm，厚度为5～500μm；
进一步地，硅沟道层是在硅衬底层上通过外延生长法制备出的一层薄硅沟道层，进行杂质浓度达到每立方厘米存有10^15个原子的一般掺杂形成P型硅沟道层或者N型硅沟道层，其电阻率为1～10Ω·cm，厚度为1～20μm；
进一步地，绝缘介质层是通过光刻技术和刻蚀技术得到的图形化绝缘介质层，其材料为SiO2、Si3N4、MgO或Al2O3，厚度为100～1000nm，且绝缘介质层露出作为电极和量子点的沉积区域；
进一步地，量子点层是覆盖在硅沟道层上量子点沉积区域的胶体量子点，量子点材料为PbS、CdSe或HgTe；
进一步地，金属源漏电极阵列为叉指型电极，金属电极层的材料为Al、Au、Ni、Cu、NiCr或Ag，单个金属源电极和金属漏电极的长度均为10～3000μm，宽度均为1～10μm，相邻两个金属源电极和金属漏电极的间距为1～20μm，金属电极层的厚度为0.05～1μm；
进一步地，金属源电极和金属漏电极呈周期性排列；在金属电极层的外沿也设有绝缘介质层；离子注入区注入与硅沟道层掺杂元素一致的离子元素；
进一步地，硅衬底层、硅沟道层、金属电极层和量子点层形成类似于结型场效应晶体管的结构。
另一方面，本发明的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器的制备方法：
S1.提供硅衬底层，硅衬底层包含已经预先制备的硅沟道层，在硅沟道层上沉积绝缘材料，形成绝缘介质层；
S2.对绝缘介质层进行金属电极层图形化刻蚀，露出电极图形；
S3.在电极图形对应的硅沟道层内注入对应的掺杂元素形成离子注入区；
S4.在电极图形上沉积金属电极层，形成金属源漏电极阵列；
S5.对绝缘介质层进量子点层图形化刻蚀，露出量子点沉积区域；
S6.在露出的量子点沉积区域旋涂含有量子点材料的溶液；
S7.静置器件干燥，完成器件的制备。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明中，利用结型场效应晶体管的原理，由于导电沟道在硅材料内部，所以相比于二维材料做沟道的场效应晶体管来说，其探测器1/f噪声较小，信噪比得到提高。
2.利用器件的跨导和量子点在沟道层硅表面形成的光伏电压，不依赖于一般的CQD/二维材料/SiO2/Si结构产生增益时所需要对光电流的积分就能达到高响应度，降低响应时间。
3.由于增益机理来源于跨导和量子点与硅沟道表面产生的光伏电压，因此，可以通过设计合理的器件结构和优化量子点与硅沟道表面的接触来进一步提高增益，增益的产生不需要高的载流子寿命，直接改变沟道的载流子密度从而增加导电性，大大降低响应时间。
4.根据不同的量子点材料具有不同的光学性能，所以量子点材料选取的不同，可探测的光波段不同，拓宽探测器的探测范围。
5.通过设计叉指电极，在器件集成时可将单位感光面制备得更加均匀，且该结构的单元探测器易于阵列化集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明探测器的侧剖面结构示意图；
图2为本发明探测器的俯视平面结构示意图；
图3为本发明探测器在光照条件为波长1300nm，强度0.001W/cm2的单色光下，模拟的输出特性曲线图；
图中标记：1-硅衬底层，2-离子注入区，3-硅沟道层，4-绝缘介质层，5-金属电极层，6-量子点层，7-金属源电极，8-金属漏电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1和图2所示：一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，其结构包括：硅衬底层1、离子注入区2、硅沟道层3、绝缘介质层4、金属电极层5、量子点层6；
硅沟道层3在硅衬底层1上；金属电极层5位于硅沟道层3上，为由多个相通的金属源电极7和多个相通的金属漏电极8构成的金属源漏电极阵列；单个金属源电极7和单个金属漏电极8之间均设有位于硅沟道层3上的量子点层6；金属源漏电极阵列与量子点层6由位于硅沟道层3上的绝缘介质层4隔开；离子注入区2位于金属源电极7和金属漏电极8正下方的硅沟道层3中；
进一步地，硅衬底层是杂质浓度达到大于每立方厘米存有10^18个原子的重掺杂N型硅衬底层或者P型硅衬底层并作为栅极使用，其电阻率为0.01～0.001Ω·cm，厚度为5～500μm，；
进一步地，硅沟道层是在硅衬底层上通过外延生长法制备出的一层薄硅沟道层，进行杂质浓度达到每立方厘米存有10^15个原子的一般掺杂形成P型硅沟道层或者N型硅沟道层，其电阻率为1～10Ω·cm，厚度为1～20μm；
进一步地，绝缘介质层4是通过光刻技术和刻蚀技术得到的图形化绝缘介质层4，其材料为SiO2、Si3N4、MgO或Al2O3，厚度为100～1000nm，且绝缘介质层4露出作为电极和量子点的沉积区域；
进一步地，量子点层6是覆盖在硅沟道层3上量子点沉积区域的胶体量子点，量子点材料为PbS、CdSe或HgTe；
进一步地，金属源漏电极阵列为叉指型电极，金属电极层5的材料为Al、Au、Ni、Cu、NiCr或Ag，单个金属源电极7和金属漏电极8的长度均为10～3000μm，宽度均为1～10μm，相邻两个金属源电极7和金属漏电极8的间距为1～20μm，金属电极层5的厚度为0.05～1μm；
进一步地，金属源电极7和金属漏电极8呈周期性排列；在金属电极层5的外沿也设有绝缘介质层4；离子注入区2注入与硅沟道层3掺杂元素一致的离子元素；
进一步地，硅衬底层1、硅沟道层3、金属电极层5和量子点层6形成类似于结型场效应晶体管的结构。
一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器的制备方法：
S1.提供硅衬底层1，硅衬底层1包含已经预先制备的硅沟道层3，在硅沟道层3上沉积绝缘材料，形成绝缘介质层4；
S2.对绝缘介质层4进行金属电极层5图形化刻蚀，露出电极图形；
S3.在电极图形对应的硅沟道层3内注入掺杂元素；
S4.在电极图形上沉积金属电极层5，形成金属源漏电极阵列；
S5.对绝缘介质层4进量子点层6图形化刻蚀，露出量子点沉积区域；
S6.在露出的量子点沉积区域旋涂含有量子点材料的溶液；
S7.静置器件干燥，完成器件的制备。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一：
本发明提供的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器的制备方法：
S1.提供N型重掺杂的硅衬底层1，其电导率为0.01～0.001Ω·cm，厚度为5μm，并作为栅极使用；
N型硅衬底层1上面包含有已经通过外延生长法制备的P型硅沟道层3，其电导率为1～10Ω·cm，厚度为1μm；
在P型硅沟道层3上沉积SiO2绝缘材料，形成厚度为100nm的绝缘介质层4；
S2.通过光刻及刻蚀工艺对绝缘介质层4进行金属电极层5图形化刻蚀，露出叉指型电极图形，电极呈周期性排列；
S3.在电极图形对应的P型硅沟道层3内注入P型硅沟道层3的掺杂元素B元素，P型硅沟道层3与金属电极层5之间形成欧姆接触；
S4.通过光刻及lift-off工艺在电极图形对应的P型硅沟道层3上沉积金属电极层5，形成金属源漏电极阵列；
金属电极层5材料为Al，单个金属源电极7和单个金属漏电极8的长度均为10μm，单个金属源电极7和单个金属漏电极8的宽度均为1μm，相邻两个金属源电极7和金属漏电极8的间距为1μm，金属电极层5的厚度为0.05μm；
S5.通过光刻及刻蚀工艺对绝缘介质层4进行量子点层6图形化刻蚀，露出量子点沉积区域，量子点沉积区域在金属源漏电极之间，被绝缘介质层4隔开；
S6.在露出的量子点沉积区域旋涂含有量子点材料CdSe的溶液；
S7.静止器件干燥，完成器件的制备。
按照上述步骤制备的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，N型硅衬底层1、P型硅沟道层3、金属电极层5和量子点层6形成类似于P沟道结型场效应晶体管的结构。
实施例二：
本发明提供的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器的制备方法：
S1.提供P型重掺杂的硅衬底层1，其电导率为0.01～0.001Ω·cm，厚度为500μm，并作为栅极使用；
P型硅衬底层1上面包含有已经通过外延生长法制备的N型硅沟道层3，其电导率为1～10Ω·cm，厚度为20μm；
在N型硅沟道层3上沉积Si3N4绝缘材料，形成厚度为1000nm的绝缘介质层4；
S2.通过光刻及刻蚀工艺对绝缘介质层4进行金属电极层5图形化刻蚀，露出叉指型电极图形，电极呈周期性排列；
S3.在电极图形对应的N型硅沟道层3内注入N型硅沟道层3的掺杂元素P元素，N型硅沟道层3与金属电极层5之间形成欧姆接触；
S4.通过光刻及lift-off工艺在电极图形对应的N型硅沟道层3上沉积金属电极层5，形成金属源漏电极阵列；
金属电极层5材料为Al，单个金属源电极7和单个金属漏电极8的长度均为3000μm，单个金属源电极7和单个金属漏电极8的宽度均为10μm，相邻两个金属源电极7和金属漏电极8的间距为20μm，金属电极层5的厚度为1μm；
S5.通过光刻及刻蚀工艺对绝缘介质层4进行量子点层6图形化刻蚀，露出量子点沉积区域，量子点沉积区域在金属源漏电极之间，被绝缘介质层4隔开；
S6.在露出的量子点沉积区域旋涂含有量子点材料CdSe的溶液；
S7.静止器件干燥，完成器件的制备。
按照上述步骤制备的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，P型硅衬底层1、N型硅沟道层3、金属电极层5和量子点层6形成类似于N沟道结型场效应晶体管的结构。
实施例三：
优选地，本发明较佳实施例提供一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器的制备方法：
S1.提供N型重掺杂的硅衬底层1，其电导率为0.01～0.001Ω·cm，厚度为420μm，并作为栅极使用；
N型硅衬底层1上面包含有已经通过外延生长法制备的P型硅沟道层3，其电导率为1～10Ω·cm，厚度为1.8μm；
在P型硅沟道层3上沉积Si3N4绝缘材料，厚度为100nm，形成绝缘介质层4；
S2.通过光刻及刻蚀工艺对绝缘介质层4进行金属电极层5图形化刻蚀，露出叉指型电极图形，电极呈周期性排列；
S3.在电极图形对应的P型硅沟道层3内注入P型硅沟道层3的掺杂元素B元素，P型硅沟道层3与金属电极层5之间形成欧姆接触；
S4.通过光刻及lift-off工艺在电极图形对应的P型硅沟道层3上沉积金属电极层5，形成金属源漏电极阵列；
金属材料为Au，单个金属源电极7和单个金属漏电极8的长度均为43μm，单个金属源电极7和单个金属漏电极8的宽度均为2μm，相邻两个金属源电极7和金属漏电极8的间距为7μm，金属电极层5的厚度为0.15μm；
S5.通过光刻及刻蚀工艺对绝缘介质层4进行量子点层6图形化刻蚀，露出量子点沉积区域，量子点沉积区域在金属源漏电极之间，被绝缘介质层4隔开；
S6.在露出的量子点沉积区域旋涂含有量子点材料PbS的溶液，其发射峰值在1350nm；
S7.静止器件干燥，完成器件的制备。
按照上述步骤制备的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，N型硅衬底层1、P型硅沟道层3、金属电极层5和量子点层6形成类似于P沟道结型场效应晶体管的结构。
当施加合适的栅压时，硅沟道层3处于全耗尽状态，因此暗电流较小，当光照在量子点层6时，电子空穴对在量子点层6与硅沟道层3之间的内建电场作用下，电子留在量子点层中，空穴向沟道转移，这时使得量子点与沟道之间的耗尽层减少，从而改变沟道的电导率。其增益大小依赖于器件的跨导和量子点与硅沟道之间接触，这种机制直接改变沟道的电导率，其响应速度在微秒量级，且增益可达10^4量级。
在光照条件为波长1300nm，强度0.001W/cm2的单色光下，模拟输出如图3所示的特性曲线图；其响应度在栅压Vgs的调节下，可达到10^2～10^4A/W，该探测器可以实现对1300nm波长的红外光进行有效探测，且响应时间在微秒水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，其特征在于，包括硅衬底层(1)、离子注入区(2)、硅沟道层(3)、绝缘介质层(4)、金属电极层(5)、量子点层(6)；
硅沟道层(3)在硅衬底层(1)上；金属电极层(5)位于硅沟道层(3)上，为由多个相通的金属源电极(7)和多个相通的金属漏电极(8)构成的金属源漏电极阵列；单个金属源电极(7)和单个金属漏电极(8)之间均设有位于硅沟道层(3)上的量子点层(6)；金属源漏电极阵列与量子点层(6)由位于硅沟道层(3)上的绝缘介质层(4)隔开；离子注入区(2)位于金属源电极(7)和金属漏电极(8)正下方的硅沟道层(3)中；
硅衬底层(1)是重掺杂的N型硅衬底层(1)或者P型硅衬底层(1)，硅沟道层(3)是一般掺杂的P型硅沟道层(3)或者N型硅沟道层(3)；离子注入区(2)注入的离子与硅沟道层(3)掺杂元素一致；量子点层(6)是胶体量子点。
2.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，其特征在于，硅衬底层(1)的电阻率为0.01～0.001Ω·cm，厚度为5～500μm，硅沟道层(3)的电阻率为1～10Ω·cm，厚度为1～20μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，其特征在于，绝缘介质层(4)为SiO2、Si3N4、MgO或Al2O3，且绝缘介质层(4)厚度为100～1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，其特征在于，金属电极层(5)的材料为Al、Au、Ni、Cu、NiCr或Ag，单个金属源电极(7)和金属漏电极(8)的长度均为10～3000μm，宽度均为1～10μm，相邻两个金属源电极(7)和金属漏电极(8)的间距为1～20μm，金属电极层(5)的厚度为0.05～1μm；金属源漏电极阵列为叉指型电极,金属源电极(7)和金属漏电极(8)呈周期性排列。
5.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，其特征在于，量子点层(6)量子点材料为PbS、CdSe或HgTe。
6.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器，其特征在于，金属源电极(7)和金属漏电极(8)之间形成类似晶体管的沟道，该沟道至少为1个。
7.一种基于场效应晶体管的量子点近红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.提供硅衬底层(1)，硅衬底层(1)包含已经预先制备的硅沟道层(3)，在硅沟道层(3)上沉积绝缘材料，形成绝缘介质层(4)；
S2.对绝缘介质层(4)进行金属电极层(5)图形化刻蚀，露出电极图形；
S3.在电极图形对应的硅沟道层(3)内注入对应的掺杂元素形成离子注入区(2)；
S4.在电极图形上沉积金属电极层(5)，形成金属源漏电极阵列；
S5.对绝缘介质层(4)进行量子点层(6)图形化刻蚀，露出量子点沉积区域；
S6.在露出的量子点沉积区域旋涂含有量子点材料的溶液；
S7.静置器件干燥，完成器件的制备。
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