CN110335908A - 异质结分波段探测器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种异质结分波段探测器及其制备方法。所述异质结分波段探测器包括对可见光波段响应的第二半导体层，所述第二半导体层具有相对的两个表面，其一表面层叠结合有对紫外波段响应的第一半导体层，另一表面层叠结合有对红外波段响应的第三半导体层，且所述第三半导体层和第二半导体层的长度相对所述第一半导体层的长度依次递减；在所述第一半导体层的一端部表面上设有欧姆接触的第一电极，另一端部表面上设有欧姆接触的第二电极，所述第二半导体层和第三半导体层上分别设有欧姆接触的电极。所述异质结分波段探测器能够同时实现对不同波段的光谱分段吸收探测，而且能够保证探测的灵敏性。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及一种异质结分波段探测器及其制备方法与应用。
背景技术
随着科学技术的不断更新换代，紫外探测技术已成为一个军民两用的光电探测技术。在军事领域中紫外探测技术最直接的应用是导弹预警与追踪。民用领域中紫外探测技术在医学、生物学方面，有着独特的效果。利用紫外探测技术在可用来检测癌细胞、细胞核、微生物等，这些检测不但迅速、准确、而且直观清楚。在这一背景下，各国一直在专注于发展能够满足应用需求的紫外探测器。虽然基于硅材料及Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体紫外探测器工艺已经较成熟，但是由于禁带宽度小，相应探测器必须要外加滤波器才可以有选择性地工作，而且这种类型的探测器不能承受高温等缺点使得器件不能广泛的应用于极端情况下探测。而禁带宽度大于2.5eV的第三代半导体如：GaN、ZnO、金刚石及SiC等的出现，为高性能紫外探测器的研究和应用开发注入了新的活力。对于宽禁带半导体而言，其对紫外光的吸收由自身的禁带宽度所决定，进行紫外波段探测时无需外加滤波器。其次，宽禁带半导体材料通常具有电子漂移饱和速度高、化学稳定性佳以及导热性能好等优点，因而在紫外探测器应用中具有得天独厚的优势。
硫化钼薄膜在结构和性能上类似于石墨烯，但与石墨烯不同，硫化钼薄膜存在一个可调控的带隙。当MoS2厚度为单层时，MoS2的带隙可以达到1.82eV，且其电子跃迁方式转变为直接跃迁。因此，MoS2薄膜独特的结构和优异的物理性能以及可调节的禁带宽度使得硫化钼比石墨烯在光电器件领域具有更大的应用前景，它将是一种在电学、光学、半导体领域具有十分重要应用前景的二维纳米材料。
红外光是一种介于可见光和微波之间的电磁波，其波长介于770nm和1mm之间。任何温度大于热力学0K的材料都会产生红外福射，因此，怎样探测到这种福射就显得尤为重要，因为我们可以用探测这种福射的方式来探测发出福射的物体。红外光探测器一直来受到人们的关注，并且也已经被应用在各种领域。如军事领域的夜视、红外制导、空间遥感、军事侦察，民用领域的红外通讯、医疗成像、气象探测、环境探测等都紧密的红外探测技术的发展。通过外延生长的PtSe2具有自由态单层PtSe2相似的电子性质，成为一种具有一定带隙的半导体材料，呈现出半导体特性，这与块体PtSe2的半金属特性相区别；此外PtSe2在光电子学器件中潜在的应用前景，使得PtSe2这种新型二维TMDs材料具有很高的研究价值，其性质和应用等待人们进一步的开发与拓展。
对于分立的GaN基紫外探测器和MoS2可见光探测器而言，由于GaN(氮化镓)是直接带隙半导体，禁带宽度为3.4eV，其探测器响应波段一般位于小于360nm的紫外波段，而MoS2因其具有可调控的带隙，故其响应波段位于可见光及近红外波段。PtSe2因其可调带隙从单层PtSe2(1.2eV)过渡到零带隙的块体PtSe2，所以对基于二维材料PtSe2的红外探测器而言，其响应波段为近红外波段到中红外波段。因此，传统的GaN基紫外探测器只能对波长小于360nm的紫外波段响应，而基于二维材料MoS2的探测器对波长位于可见光和近红外光波段响应，但是其不能对中红外波段进行探测。对基于二维材料PtSe2的红外探测器而言，其响应波段位于近红外至中红外区，其不能探测可见光波段和紫外光波段。
发明内容
本发明提供一种异质结分波段探测器及其制备方法，旨在解决现有分立光探测器由于半导体特性只能探测一种波段光的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种异质结分波段探测器。所述异质结分波段探测器包括对可见光波段响应的第二半导体层，所述第二半导体层具有相对的两个表面，其一表面层叠结合有对紫外波段响应的第一半导体层，另一表面层叠结合有对红外波段响应的第三半导体层，且所述第三半导体层和第二半导体层的长度相对所述第一半导体层的长度依次递减；
在所述第一半导体层的一端部表面上设有欧姆接触的第一电极，另一端部表面上设有欧姆接触的第二电极，所述第二半导体层和第三半导体层的一端面均与所述第一电极欧姆接触，所述第二半导体层的另一端面与所述第二电极间隔设置，且在所述第二半导体层另一端部表面上设有第三电极；所述第三半导体层的另一端面与所述第三电极间隔设置，且在所述第三半导体层外表面上设有第四电极。
本发明的另一方面，提供了一种异质结分波段探测器的制备方法。所述异质结分波段探测器的制备方法包括如下步骤：
提供对紫外波段响应的第一半导体基底；
在所述第一半导体基底表面上沉积对可见光波段响应的半导体层，再对所述半导体层一端部进行刻蚀处理除去所述端部的所述半导体层，形成第二半导体层，并使得所述第一半导体基底形成第二裸露端部表面；
在所述第二裸露端部表面和靠近所述第二裸露端部表面的所述第二半导体层端部表面均涂覆遮蔽层，再在不含遮蔽层的所述第二半导体层的外面表沉淀形成第三半导体层，然后除去所述遮蔽层；
对第二半导体层和第三半导体层对齐层叠的端部进行刻蚀处理，使得所述第一半导体基底形成第一裸露端部表面，在所述第一裸露端部表面镀第一电极，在所述第二裸露端部表面镀第二电极，在所述第二半导体层的裸露端部表面上镀第三电极，在所述第三半导体层的外表面上镀第四电极。
本发明的又一方面，提供了本发明异质结分波段探测器在侦察预警相机、雷达中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：
本发明异质结分波段探测器通过将含有对紫外波段响应的第一半导体层、对可见光波段响应的第二半导体层和对红外波段响应的第三半导体层有效整合为一体，从而赋予所述异质结分波段探测器能够同时实现对不同波段的光谱分段吸收探测，而且能够保证探测的灵敏性。
本发明异质结分波段探测器制备方法通过直接在第一半导体层表面形成第二半导体层和第三半导体层，且使得三半导体层有效整合为一体，从而赋予制备的异质结分波段探测器能够同时实现对不同波段的光谱分段吸收探测，而且能够保证探测的灵敏性；而且其制备方法能够保证三半导体层质量和性能的稳定，从而赋予制备的异质结分波段探测器对不同波段探测的高灵敏性。
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一些实施例。
图1是本发明实施例异质结分波段探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例异质结分波段探测器制备方法流程示意图；
图3是本发明实施例1提供的异质结分波段探测器制备方法流程示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。
本发明实施例提供了一种异质结分波段探测器，其结构如图1所示，其包括层叠结合的第一半导体层01、第二半导体层02、第三半导体层03。具体地，所述第二半导体层02具有相对的两个表面，其一表面与所述第一半导体层层叠结合，另一表面与所述第三半导体层层叠结合。也即是，沿所述第一半导体层01至所述第三半导体层的方向，所述第一半导体层01、第二半导体层02、第三半导体层03依次层叠结合为一体。
而且，所述第三半导体层03和第二半导体层02的长度相对所述第一半导体层01的长度依次递减；也即是第三半导体层03、第二半导体层02和第一半导体层01一起构成呈正向梯形体，优选的呈正向直角梯形体。
因此，在此结构的基础上，所述第二半导体层02将与其相结合的所述第一半导体层01的表面分为如图1所示的三个区域：相对的端部表面区域11和端部表面区域12以及用于与所述第二半导体层02结合的表面区域13；在所述端部表面区域11上设有欧姆接触的第一电极04，且所述第二半导体层02和第三半导体层03的一端均与所述第一电极04欧姆接触；在所述端部表面区域12上设有欧姆接触的第二电极05，且所述第二电极05与所述第二半导体层02的另一端具体的是一端端面间隔设置。
与所述第三半导体层03相结合的所述第二半导体层02的表面被分为如图1所示的两个区域：用于与所述第二半导体层02结合的表面区域21和端部表面区域22，在所述端部表面区域22上设有欧姆接触的第三电极06，且所述第三电极06与所述第三半导体层03的一端具体的是一端端面间隔设置。在所述第三半导体层03的外表面上设有第四电极07。
另外，基于上文所述的异质结分波段探测器结构，所述第一半导体层01为对紫外波段响应的第一半导体层。这样，所述第一电极04、第二电极05和所述第一半导体层01构成了紫外光探测器。一实施例中，所述第一半导体层01的材料为GaN、GaAs、Si中的至少一种。另外，所述第一半导体层01的厚度为200-400μm，具体为300μm。通过对所述第一半导体层01的材料和厚度的优化控制，从而提高所述异质结分波段探测器对紫外光探测，而且灵敏度高。
所述第二半导体层02为对可见光波段响应的第二半导体层。这样，所述第一电极04、第三电极06和所述第二半导体层02构成了可见光探测器。一实施例中，所述第二半导体层02的材料为MoS2、WS2、黑磷中的至少一种。另外，所述第二半导体层02的厚度为MoS2、WS2或黑磷单层厚度。通过对所述第二半导体层02的材料和厚度的优化控制，从而提高所述异质结分波段探测器对可见光到近红外的探测，而且灵敏度高。
所述第三半导体层03为对红外波段响应的第三半导体层。这样，所述第一电极04、第四电极07和所述第三半导体层03构成了红外光探测器。一实施例中，所述第三半导体层03的材料为PtSe2。另外，所述第三半导体层03的厚度为PtSe2的单层或双层厚度，优选为单层厚度。通过对所述第三半导体层03的材料和厚度的优化控制，从而提高所述异质结分波段探测器对近红外到中红外的探测，而且灵敏度高。
而且所述第一半导体层01形成的紫外探测器结构还可以改为肖特基型结构。
这样，上文各实施例中的异质结分波段探测器通过将所述第一半导体层01、所述第二半导体层02和所述第三半导体层03有效整合为一体，从而赋予所述异质结分波段探测器能够同时实现对不同波段的光谱分段吸收探测，而且能够保证探测的灵敏性。具体得，上文各实施例中所述异质结分波段探测器的
工作原理是光从第一半导体层01的外表面入射，波长小于360nm的紫外波段的光子被紫外光探测器吸收探测到光电流，波长位于可见光到近红外的光子被含有第二半导体层02的探测器吸收探测到光电流，而波长位于近红外到中红外的光子被含有第三半导体层03的探测器吸收探测到光电流，最终实现紫外到可见光再到红外光的分波段吸收探测，并保证了灵敏性。
相应地，基于上文所述异质结分波段探测器的基础上，本发明实施例还提供了上文所述异质结分波段探测器的一种制备方法。结合图1所示的所述异质结分波段探测器，其制备方法的工艺流程如图2所示，该方法包括：
S01：提供对紫外波段响应的第一半导体基底01；
S02.在第一半导体基底01表面上形成第二半导体基底02：在所述第一半导体基底01表面上沉积对可见光波段响应的半导体层，再对所述半导体层一端部进行刻蚀处理除去所述端部的所述半导体层，形成第二半导体层02，并使得所述第一半导体基底形成第二裸露端部表面12；
S03.在第二半导体基底02表面上形成第三半导体基底03：在所述第二裸露端部表面12和靠近所述第二裸露端部表面12的所述第二半导体层02端部表面均涂覆遮蔽层，再在不含遮蔽层的所述第二半导体层02的外面表沉淀形成第三半导体层03，然后除去所述遮蔽层；
S04.形成欧姆电极：对第二半导体层02和第三半导体层03对齐层叠的端部进行刻蚀处理，使得所述第一半导体基底01形成第一裸露端部表面11，并在所述第一裸露端部表面11镀第一电极04，在所述第二裸露端部表面12镀第二电极05，在所述第二半导体层02的裸露端部表面上镀第三电极06，在所述第三半导体层03的裸露端部表面上镀第四电极07。
具体地，所述步骤S01中所述第一半导体基底如上文所述异质结分波段探测器所含的第一半导体层01。因此，所述第一半导体基底01的材料和厚度均上文所述。
所述步骤S02中沉积对可见光波段响应的半导体层如上文所述第二半导体层02，因此，所述半导体层的材料和厚度均上文所述第二半导体层02的材料和厚度。一实施例中，沉积所述半导体层的方法为化学气相沉积。
该步骤S02中对所述半导体层一端部进行刻蚀处理可以采用常规的刻蚀处理，如一实施例中，可以是光刻及Ar等离子体刻蚀处理，后清洗遗留的光刻胶。
所述步骤S03中，所述遮蔽层可以是光刻胶，当然还可以是其他材料的遮蔽材料，只要是能够保护所述遮蔽层遮蔽区域避免形成第三半导体层的材料层即可。而且所述步骤S03中沉淀形成第三半导体层03如上文所述第三半导体层03，因此，所述第三半导体层03的材料和厚度均上文所述第三半导体层03的材料和厚度。一实施例中，沉淀形成所述第三半导体层03的方法包括如下步骤：
先在不含遮蔽层的所述第二半导体层02的外面表沉淀形成Pt层，接着对所述Pt层进行硒化处理。其中，沉淀所述Pt层优选是采用电子束蒸发的方法沉积形成，所述硒化处理的方法优选是化学气相沉积。
所述步骤S04中镀所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极可以是采用常规光探测器所含电极的形成方法，其材料也可以是常用的电极材料。
因此，所述异质结分波段探测器制备方法通过直接在第一半导体层01表面形成第二半导体层02和第三半导体层03，且使得三半导体层有效整合为一体，从而赋予制备的异质结分波段探测器能够同时实现对不同波段的光谱分段吸收探测，而且能够保证探测的灵敏性；而且其制备方法能够保证三半导体层质量和性能的稳定，从而赋予制备的异质结分波段探测器对不同波段探测的高灵敏性。
正是由于上文所述异质结分波段探测器具有如能够同时实现对不同波段的光谱分段吸收探测，而且能够保证探测的灵敏性。因此，其可以在侦察预警相机、雷达中应用，从而使得相应器件能够同时探测不同波段的光谱，并提高相应器件的灵敏度。
以下通过多个具体实施例来举例说明本发明实施例金属空气电池金属电极材料及其制备方法和应用等。
实施例1
本实施例提供了一种异质结分波段探测器及其制备方法。所述异质结分波段探测器如上文对图1所示的结构，具体包括依次层叠的GaN层、MoS2层、PtSe2层，且PtSe2层、MoS2层、GaN层的长度依次递减，所含的第一电极形成并欧姆接触于所述GaN层一端，且与MoS2层、GaN层端面均欧姆接触；在GaN层的另一端形成并欧姆接触有第二电极，且与所述MoS2层的端面间隔设置；所述MoS2层的另一端表面上形成并欧姆接触有第三电极，且所述第三电极与PtSe2层端面间隔设置。
所述异质结分波段探测器的制备方法如图3所示，包括如下步骤：
S11.准备一双面抛光的GaN衬底。将抛光的GaN衬底用丙酮和异丙醇等有机溶剂进行超声清洗，再用去离子水超声清洗，最后用氮气吹干；
S12.利用化学气相沉积(CVD)在清洗完毕的GaN衬底面上生长MoS2层；
S13.再对所述MoS2层一端部进行光刻及Ar等离子体刻蚀处理除去所述端部的所述MoS2层，使得所述GaN衬底形成第一裸露端部表面；经刻蚀处理后清洗遗留的光刻胶；
S14.在所述GaN衬底的第一裸露端部表面12和靠近所述第一裸露端部表面12的所述MoS2层端部表面均光刻胶层并进行光刻蚀处理，再在不含光刻胶层的所述MoS2层的外表面利用电子束蒸发沉淀Pt层，接着对所述Pt层利用化学气相沉积(CVD)进行硒化处理，形成PtSe2，然后除去所述光刻胶；
S15.利用湿法刻蚀对样品进行剥离光刻胶层；
S16.对MoS2层和PtSe2层对齐层叠的端部进行光刻后进行Ar等离子体刻蚀刻蚀处理，使得所述GaN衬底形成第二裸露端部表面，在所述第二裸露端部表面镀第一电极，在所述第一裸露端部表面镀第二电极，在所述MoS2的裸露端部表面上镀第三电极，在所述PtSe2外表面上镀第四电极。.
实施例2
本实施例提供了一种异质结分波段探测器及其制备方法。所述异质结分波段探测器如上文对图1所示的结构，具体包括依次层叠的GaAs层、WS2层、PtSe2层，且PtSe2层、WS2层、GaAs层的长度依次递减，所含的第一电极形成形成并欧姆接触于所述GaAs层一端，且与WS2层、PtSe2层端面均欧姆接触；在GaAs层的另一端形成并欧姆接触有第二电极，且与所述WS2层的端面间隔设置；所述WS2层的另一端表面上形成并欧姆接触有第三电极，且所述第三电极与PtSe2层端面间隔设置。
所述异质结分波段探测器的制备方法参考图3所示和实施例1中的制备方法，不同之处在于将相应的半导体材料进行替换。
实施例3
本实施例提供了一种异质结分波段探测器及其制备方法。所述异质结分波段探测器如上文对图1所示的结构，具体包括依次层叠的Si层、黑磷层、PtSe2层，且PtSe2层、黑磷层、Si层的长度依次递减，所含的第一电极形成形成并欧姆接触于所述Si层一端，且与黑磷层、PtSe2层端面均欧姆接触；在Si层的另一端形成并欧姆接触有第二电极，且与所述黑磷层的端面间隔设置；所述黑磷层的另一端表面上形成并欧姆接触有第三电极，且所述第三电极与PtSe2层端面间隔设置。
相关性能测试
将本实施例1-3分别进行紫外、可见光和红外光探测实验，由对本发明实施例异质结分波段探测器对不同波段光探测实验得知，所述异质结分波段探测器能够同时实现对不同波段的光谱分段吸收探测，而且能够保证探测的灵敏性。
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 (10)
1.一种异质结分波段探测器，其特征在于：包括对可见光波段响应的第二半导体层，所述第二半导体层具有相对的两个表面，其一表面层叠结合有对紫外波段响应的第一半导体层，另一表面层叠结合有对红外波段响应的第三半导体层，且所述第三半导体层和第二半导体层的长度相对所述第一半导体层的长度依次递减；
在所述第一半导体层的一端部表面上设有欧姆接触的第一电极，另一端部表面上设有欧姆接触的第二电极，所述第二半导体层和第三半导体层的一端面均与所述第一电极欧姆接触，所述第二半导体层的另一端面与所述第二电极间隔设置，且在所述第二半导体层另一端部表面上设有第三电极；所述第三半导体层的另一端面与所述第三电极间隔设置，且在所述第三半导体层外表面上设有第四电极。
2.根据权利要求1所述的异质结分波段探测器，其特征在于：所述第一半导体层的材料为GaN、GaAs、Si中的至少一种；和/或
所述第一半导体层的厚度为200-400μm。
3.根据权利要求1所述的异质结分波段探测器，其特征在于：所述第二半导体层的材料为MoS2、WS2、黑磷中的至少一种；和/或
所述第二半导体层的厚度为MoS2、WS2或黑磷单层厚度。
4.根据权利要求1所述的异质结分波段探测器，其特征在于：所述第三半导体层的材料为PtSe2；和/或
所述第三半导体层的厚度为PtSe2的单层或双层厚度。
5.根据权利要求1所述的异质结分波段探测器，其特征在于：所述第一半导体层的材料为GaN，所述第二半导体层的材料为MoS2，所述第三半导体层的材料为PtSe2。
6.如权利要求1-5任一项所述的异质结分波段探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供对紫外波段响应的第一半导体基底；
在所述第一半导体基底表面上沉积对可见光波段响应的半导体层，再对所述半导体层一端部进行刻蚀处理除去所述端部的所述半导体层，形成第二半导体层，并使得所述第一半导体基底形成第二裸露端部表面；
在所述第二裸露端部表面和靠近所述第二裸露端部表面的所述第二半导体层端部表面均涂覆遮蔽层，再在不含遮蔽层的所述第二半导体层的外面表沉淀形成第三半导体层，然后除去所述遮蔽层；
对第二半导体层和第三半导体层对齐层叠的端部进行刻蚀处理，使得所述第一半导体基底形成第一裸露端部表面，在所述第一裸露端部表面镀第一电极，在所述第二裸露端部表面镀第二电极，在所述第二半导体层的裸露端部表面上镀第三电极，在所述第三半导体层的外表面上镀第四电极。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：沉淀形成所述第三半导体层的方法包括如下步骤：
先在不含遮蔽层的所述第二半导体层的外表面沉淀形成Pt层，接着对所述Pt层进行硒化处理。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：沉淀所述Pt层是采用电子束蒸发的方法沉积形成，所述硒化处理的方法为化学气相沉积。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于：沉积对可见光波段响应的所述半导体层的方法为化学气相沉积；和/或
所述遮蔽层为光刻胶层。
10.根据权利要求1-5任一项所述异质结分波段探测器在侦察预警相机、雷达中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20210316 Address after: No.16, Keji Third Road, circular economy industrial park, Yongji economic and Technological Development Zone, Yongji City, Yuncheng City, Shanxi Province 044000 Patentee after: Shanxi Ganneng Semiconductor Technology Co.,Ltd. Address before: 518060 No. 3688 Nanhai Road, Shenzhen, Guangdong, Nanshan District Patentee before: SHENZHEN University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20211008 Address after: 335400 in the park, No. 1, chemical Avenue, Huayuan street, Guixi City, Yingtan City, Jiangxi Province (the former site of Liuguo chemical industry) Patentee after: Guixi crossing Photoelectric Technology Co.,Ltd. Address before: No.16, Keji Third Road, circular economy industrial park, Yongji economic and Technological Development Zone, Yongji City, Yuncheng City, Shanxi Province 044000 Patentee before: Shanxi Ganneng Semiconductor Technology Co.,Ltd. |