CN110098271A - 一种自滤光硅肖特基单色探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波长响应在1030nm附近的自滤光硅肖特基单色探测器，该探测器为垂直结构，由上至下依次包括：欧姆接触窗口电极、可实现高通自滤光功能的Si基片、高红外反射率的肖特基接触层、欧姆接触底电极。该探测器以外延Bi2Se3或Sb2Te3单晶薄膜与H钝化Si基片接触形成的理想肖特基结为光探测工作区，单晶Si基片自身作为高通滤光片，实现1030nm波长近红外光的选择性高效探测。本发明的自滤光硅肖特基单色探测器可作为市售InGaAs基红外激光器的匹配探测器，用于光纤通信，光器件检测，单色光源检测等领域。其性能优异，结构简单，易于小型化、既可作分立器件使用也可作阵列集成，使用时无需冷却，成本低廉，具有较快的反应速率和较高的量子效率，市场化前景可观。
Description
技术领域
本发明属于红外光探测领域，特别涉及近红外波段单色光探测器，具体为一种无需滤光片结构的自滤光硅肖特基单色探测器。
背景技术
硅(Si)是最为成熟的近红外波段光探测材料。硅基光探测器具有暗电流低、响应速度快、易于集成等优点。最常见的近红外探测器一般采用二极管或者肖特基结构，二极管型需要PN结或者PIN(即P型层-本征层-N型层)结作为基本探测单元，二极管型探测器要求加偏置，暗电流大，而且速度慢，但是其量子效率较高；而肖特基结型在原理上仅需要在Si表面蒸镀适当的金属与Si构成肖特基结后便可用于光探测，肖特基型光探测器被认为是速度最快的探测器，但是它的势垒较低，漏电流比PIN型大，量子效率较低，且大多数金属在与Si接触时将不可避免地生成界面金属硅化物，从而导致肖特基结性能劣化。专利[ZL2013103359098]采用了层状晶体结构的Bi2Se3接触层与Si构成肖特基结，由于Bi2Se3材料与Si之间不存在界面反应问题，这样得到的肖特基结性能良好，界面陡峭，适合更进一步的器件开发。
Si的红外波长响应峰值在其能带隙附近(～1.12eV)，凡是能量大于1.12eV的光子(对应光子波长为1107nm)理论上都能被Si所吸收，而能量低于1.12eV的光子不被吸收(即波长大于1107nm的光子不被吸收)，因此在将Si作为近红外波段(波长在780nm-3000nm之间)单色光探测器使用时，传统的办法是需要附加一定的滤光结构将高频段的光过滤(即高通滤光)，这增加了器件的实施难度，且作为滤光结构的滤光片或者是滤光膜的制造成本十分昂贵。如专利[ZL2015210387881]中利用在有源层表面蒸镀不同波段的干涉滤光膜层实现相应波段单色光选择，这种干涉滤光膜层结构复杂，工艺繁琐，且对单色光选择性不强。另外一方面，即使能量大于1.12eV的光子都能被Si吸收，Si作为间接带隙半导体，其对不同频率光子的吸收系数差距很大，如波长600nm的光无法穿透300μm厚的Si基片，而波长1000nm的光穿过300μm厚的Si基片后还能剩余25％以上的强度，因此可以通过调整Si基片的厚度来实现选择性高通滤光。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提供了一种自滤光硅肖特基单色探测器方案，可利用Si基片本身对可见光和近红外光吸收率的差异实现选择性高通滤光，不同波段的光从Si基片上表面入射后仅有1030nm波长附近的近红外光子可穿透Si基片到达下表面的肖特基结区，并且可被高红外反射率的肖特基接触层反射回到肖特基结区形成二次吸收。通过优化自滤光Si基片的厚度和电阻率，可以最大限度地提高器件近红外光子的采集效率，从而实现无需滤光片的高效近红外探测。具体地，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种自滤光硅肖特基单色探测器，由上至下依次包括欧姆接触窗口电极(1)、可实现高通自滤光功能的Si基片(2)、高红外反射率的肖特基接触层(3)、欧姆接触底电极(4)。
进一步地，所述欧姆接触窗口电极(1)为与可实现高通自滤光功能的Si基片(2)构成欧姆接触的金属材料，包括Ga(镓)-In(铟)合金或者Al(铝)。
进一步地，作为优选方案，所述欧姆接触窗口电极(1)为点状或者环状结构。
进一步地，所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)为双面抛光的(111)取向或(100)取向的单晶Si基片。
进一步地，作为优选方案所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)为p型导电，电阻率为1～100Ω·cm。
进一步地，作为优选方案所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)厚度为200～300μm。
进一步地，作为优选方案所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)经过公知的化学H钝化工艺处理。
进一步地，所述高红外反射率的肖特基接触层(3)为在近红外波段具有高反射率且和经H钝化处理的可实现高通自滤光功能的Si基片(2)构成理想肖特基结的菱方晶系Bi2Se3或Sb2Te3材料。
进一步地，作为优选方案所述高红外反射率的肖特基接触层(3)选取晶向为(001)的Bi2Se3或Sb2Te3材料。
进一步地，作为优选方案所述高红外反射率的肖特基接触层(3)厚度为50～300nm。该厚度范围内获得的Bi2Se3或Sb2Te3外延薄膜材料具有最优的结晶质量。
进一步地，所述欧姆接触底电极(4)为与高红外反射率的肖特基接触层(3)形成欧姆接触的金属材料，包括Au(金)、Ag(银)或者Al(铝)。
进一步地，作为优选方案，所述欧姆接触底电极(4)为薄膜结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明利用Si基片自身作为高通单色滤光片，通过调整Si基片厚度在200-300μm之间，则波长小于800nm的入射光子可被Si基片全部吸收或者反射，仅有中心波长在1030nm附近的近红外光可穿过整个Si基片到达Si基片底部的肖特基结区从而实现单色光探测。该探测器结构简单，无需特殊滤光结构，且具有较快的反应速率和较高的量子效率。
2、选用双面抛光的Si基片，其抛光的下表面可以满足Bi2Se3以及Sb2Te3肖特基接触层外延生长的要求；而抛光的上表面可大大增强对入射可见光的镜面反射，提高探测器单色性。Si基片电阻率在1～100Ω·cm之间可以与Bi2Se3以及Sb2Te3接触层形成具有适当结区宽度的肖特基结，提高光探测效率；并且也有利于Si基片与金属电极形成欧姆接触。
3、Si基片表面进行化学H钝化处理有利于Bi2Se3以及Sb2Te3接触层的外延生长，提高肖特基结界面质量，从而降低界面态，减弱表面态钉扎效应，降低器件暗电流，提高稳定性和可靠性。
4、作为肖特基接触层的Bi2Se3以及Sb2Te3材料为层状晶体结构，表面化学活性弱，在H钝化处理后的Si基片上更容易实现单晶外延生长，相应地与Si构成的肖特基结不会有界面产物；与常见的金属肖特基接触层材料相比，Bi2Se3以及Sb2Te3材料在近红外波段具有很高的反射率，正好与本发明单色探测器的探测波长匹配，因此可以将穿过结区未被吸收的剩余光子反射回结区实现二次探测，进一步提高探测器量子效率。
5、本发明提出的探测器结构简单，工艺上易于实现，量子效率较高，无需特殊滤光与制冷装置即可实现对1030nm波长光子的选择性探测，具有一定市场化前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明中欧姆接触窗口电极采用点状式的整体结构示意图。
图2为本发明中欧姆接触窗口电极采用环状式的整体结构示意图。
图3为本发明的实施例1中Sb2Te3/Si基片肖特基结的I-V特性测试谱图。
图4为本发明的实施例1中Sb2Te3/Si基片肖特基结的反应速率测试谱图。
图5为本发明的实施例1中探测器的量子效率测试谱图。
图6为本发明的实施例2中Bi2Se3/Si基片肖特基结的反应速率测试谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
参照图1，本发明一种自滤光硅肖特基单色探测器为垂直结构，自上而下依次为欧姆接触窗口电极(1)、可实现高通自滤光功能的Si基片(2)、高红外反射率的肖特基接触层(3)、欧姆接触底电极(4)。
其中，所述欧姆接触窗口电极(1)为点状结构的Ga(镓)-In(铟)合金，采用连续波长的模拟日光垂直入射至探测器以测试该器件的频谱响应与反应速率。
所述的可实现高通自滤光功能的Si基片(2)采用双面抛光的(111)取向单晶Si，导电类型为p型，电阻率为10Ω·cm，厚度为300μm。
所述的高红外反射率的肖特基接触层(3)采用厚度为300nm的菱方晶系Sb2Te3材料，晶面取向为(001)。
所述欧姆接触底电极(4)采用薄膜结构的Al(铝)材料。
图3为本实施例中可实现高通自滤光功能的Si基片(2)与高红外反射率的肖特基接触层(3)的I-V特性测试谱图。肖特基结整流效应明显，其导通电压为0.13V，施加反向偏压时肖特基结截止，漏电流较小，由此判断可实现高通自滤光功能的Si基片(2)与高红外反射率的Sb2Te3接触层形成了良好的肖特基结。
图4为本实施例中探测器在模拟日光辐照条件下，斩波频率为600Hz，反向偏置电压为1V时肖特基结的反应速率测试谱图。其中模拟日光从窗口垂直入射至可实现高通自滤光功能的Si基片(2)上，计算可得该探测器的反应速率为0.8ms。
图5为本实施例中探测器分别施加1V与2V反向偏压时在连续波段模拟日光照射条件下的量子效率测试谱图。由图可知该探测器在施加大反向偏压(2V)与小反向偏压(1V)条件时量子效率一致，说明该探测器无需高反向偏置条件即可实现探测效率最大化。测试结果证明该探测器在可见光至近红外波段(300nm-1800nm)仅在1030nm处具有探测响应，量子效率峰值为15.5％，而频率响应半峰宽小于40nm，达到了单色检测的效果，且抗噪性能优异，适合做1030nm波长近红外单色探测器。
实施例2：
本实施例的自滤光硅肖特基单色探测器与实施例1的结构以及材料选取基本相同，区别仅在于：参照图2，所述欧姆接触窗口电极(1)采用环状结构，以及所述高红外反射率的肖特基接触层(3)采用厚度为200nm的菱方晶系Bi2Se3材料，晶面取向为(001)。
图6为本实施例中探测器在模拟日光辐照条件下，斩波频率为500Hz，反向偏置电压为1V时肖特基结的反应速率测试谱图。其中模拟日光从窗口垂直入射至可实现高通自滤光功能的Si基片(2)上，计算得到该探测器的反应速率为1ms，实现了对连续光谱中1030nm近红外光的选择性探测。
以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：包括可实现高通自滤光功能的Si基片(2)，所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)一侧设有欧姆接触窗口电极(1)，可实现高通自滤光功能的Si基片(2)另一侧设有高红外反射率的肖特基接触层(3)，所述高红外反射率的肖特基接触层(3)上设有欧姆接触底电极(4)。
2.根据权利要求1所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)采用双面抛光的(111)取向或(100)取向的单晶。
3.根据权利要求1或2所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)为p型电导，电阻率为1～100Ω·cm。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)厚度为200～300μm。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述可实现高通自滤光功能的Si基片(2)，其表面经过化学H钝化处理。
6.根据权利要求1所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述高红外反射率的肖特基接触层(3)材料包括Bi2Se3和Sb2Te3。
7.根据权利要求1或6所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述高红外反射率的肖特基接触层(3)材料为由外延方法制得的Bi2Se3或Sb2Te3单晶薄膜。
8.根据权利要求1或6或7所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述高红外反射率的肖特基接触层(3)厚度为50～300nm。
9.根据权利要求1所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述欧姆接触窗口电极(1)为Ga(镓)-In(铟)合金或者Al(铝)制成。
10.根据权利要求1或9所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述欧姆接触窗口电极(1)为点结构或环形结构。
11.根据权利要求1所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述欧姆接触底电极(4)为Au(金)或Ag(银)或Al(铝)制成。
12.根据权利要求1或11所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述欧姆接触底电极(4)为薄膜结构。
13.根据权利要求1-12所述的一种自滤光硅肖特基单色探测器，其特征在于：所述自滤光硅肖特基单色探测器的有效探测中心波长为1030nm。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110729365A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-01-24 | 昆明物理研究所 | 基于碲化锑材料的宽响应光谱探测器及其制备方法 |
| WO2022088204A1 (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | 苏州大学 | 一种紫外-可见-近红外硅基光电探测器及其制备方法 |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN101710600A (zh) * | 2009-07-06 | 2010-05-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种实现高光谱选择性光电探测器的方法 |
| CN103390640A (zh) * | 2013-08-05 | 2013-11-13 | 电子科技大学 | 一种以Bi2Se3薄膜为接触层的硅肖特基结及制备方法 |
| CN104779316A (zh) * | 2015-03-30 | 2015-07-15 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种新型GaN基PIN结构紫外探测器 |
-
2019
- 2019-05-24 CN CN201910437510.8A patent/CN110098271A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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