CN110350041A - 基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器。包括由下至上依次叠置而成的绝缘衬底、Ti金属电极、氮化硼薄膜和两个栅状电极，绝缘衬底上表面覆盖有氮化硼薄膜和Ti金属电极，Ti金属电极整体包裹于氮化硼薄膜内，两个栅状电极分别为正栅电极和负栅电极，正栅电极和负栅电极分别位于氮化硼薄膜上表面两侧。在三个电极通电的情况下，Ti金属电极与两个非对称的金属电极之间形成合适的电场，可以改变光电探测器的响应幅度和响应时间，结合氮化硼薄膜特殊的光电特性，实现一种高性能光电探测机制。本发明的探测效果好，结构简单在光电传感领域有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光电探测领域，具体涉及一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器。
背景技术
近年来，光电探测技术发展迅速，应用广泛，主要包括红外探测技术，紫外探测技术，激光探测技术和光电综合探测技术等。而光电探测器是光电探测技术的核心器件，通常可分为光电倍增管，电荷耦合器件及半导体光电探测器几大类。半导体光电探测器体积小，功耗低，且具有较高的能量分辨率、较宽的能量响应线性范围以及较短的响应时间，因此逐渐发展成为光电探测领域的主流技术。其中半导体光电探测技术可采用光电导型结构，即光电导探测器。半导体材料作为一种光敏电阻，其具备的光电导效应是光电导探测器的基本工作原理。当入射光源发射的光子能量hv大于半导体材料的禁带宽度Eg时，半导体材料吸收光子的能量，并产生电子-空穴对，从而使材料内部的载流子浓度增加，进而改变半导体材料的导电能力。光电导探测器具有器件结构简单，制备工艺要求低，内部增益高且无需预设低噪放大器等优点因此应用前景广阔，实用价值高。
发明内容
为了提高光电探测器的性能，本发明提供了一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器，可以通过调整氮化硼薄膜下的Ti电极的尺寸、位置和形状来调节探测器响应时间和响应幅度的光电导型探测器。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器
本发明包括由下至上依次叠置而成的绝缘衬底、Ti金属电极、氮化硼薄膜和两个栅状电极，绝缘衬底上表面覆盖有氮化硼薄膜和Ti金属电极，Ti金属电极整体包裹于氮化硼薄膜内，两个栅状电极分别为正栅电极和负栅电极，正栅电极和负栅电极分别位于氮化硼薄膜上表面两侧。
所述Ti金属电极和两个栅状电极总体呈上下非对称；用于控制彼此之间产生的电场及电流大小和方向。Ti金属电极的一侧边与其中一个栅状电极的内侧边相对齐，Ti金属电极中心与另一个栅状电极中心的连接线与水平面呈30°-60°夹角。
所述栅状电极宽度为10-30μm，厚度为100nm左右，两个栅状电极之间的间距为10-30μm。
通过剥离工艺在绝缘衬底上表面生长Ti金属电极；通过剥离工艺在氮化硼薄膜上表面两侧生长栅状电极。
所述栅状电极采用金属材料制备而成，所述金属材料优选为金，铜，铝；所述Ti金属电极采用钛金属材料制备而成。
所述氮化硼薄膜厚度在200-300nm之间；氮化硼薄膜以纯度99.99％的氮化硼为靶材通过磁控溅射法制备而成，磁控溅射法工艺具有沉积薄膜速度快，膜与衬底结合力好，性能稳定以及操作简单的优点；或通过化学气相沉积法CVD制备而成，CVD沉积法成膜设备简单，操作灵活容易，成本较低，易大面积成膜。
所述绝缘衬底采用绝缘材料制备而成，绝缘材料优选为石英玻璃。
二、一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器的检测方法
分别给正栅电极、负栅电极和Ti金属电极施加三个大小不同的电压，通过调节三个电极电压的大小，使得Ti金属电极上没有电流通过，保持三个电极电压的稳定；光照射在氮化硼薄膜上，Ti金属电极产生的附加电场增强了氮化硼薄膜内载流子对光强变化的响应时间和响应幅度，当外界光强度发生微小变化时，两个栅状电极之间的电流也会发生明显变化，光电检测器通过检测两个栅状电极之间的电流检测到外界光强的变化。
通过调节Ti金属电极的形状、位置和尺寸以及三个电极电压的大小使得Ti金属电极没有电流通过。
氮化硼BN是最重要的Ⅲ-Ⅴ族间接带隙半导体材料之一，其禁带宽度约为6.4eV，且具有高温热稳定性，大的热导率，耐化学腐蚀，大的负电子亲和势，低的介电常数等特点，非常适合高温高功率的微电子与电子器件的制备，特别适合深紫外光电探测器件。栅状电极提高了传感器的灵敏度，降低了工艺要求，结合Ti金属阻尼低，导电性能好等优点，进一步提升了器件性能。
本发明的有益效果：
本发明的探测效果好，结构简单在光电传感领域有很好的应用前景。
本发明通过包裹于氮化硼薄膜内的Ti金属电极，增强了光电探测器的响应时间和响应幅度，提高了探测器对环境光强的变化的敏感性，达到及时检测的效果。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图
图2是本发明实施例1的俯视结构示意图，虚线部分表示Ti金属电极位置
图3是本发明实施例2的结构示意图
图4是本发明实施例2的俯视结构示意图，虚线部分表示Ti金属电极位置
图5是本发明的电场线分布示意图
图中：栅状电极(1)、氮化硼薄膜(2)、Ti金属电极(3)、绝缘衬底(4)
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明进一步阐述。
如图1和图3所示，本发明包括由下至上依次叠置而成的绝缘衬底4、Ti金属电极3、氮化硼薄膜2和两个栅状电极1，绝缘衬底4上表面覆盖有氮化硼薄膜2和Ti金属电极3，Ti金属电极3整体包裹于氮化硼薄膜2内，两个栅状电极1分别为正栅电极和负栅电极，正栅电极和负栅电极分别位于氮化硼薄膜2上表面两侧。
如图2和图4所示，本发明的光电导型光电探测器上层的两个电极为栅状电极1，虚线表示中间被氮化硼薄膜2覆盖的Ti金属电极3，同样可以明显看到Ti金属电极3与氮化硼薄膜2之上的两个栅状电极1为上下非对称结构。
具体实施中，以石英或300nm厚氧化层的硅作为绝缘衬底4，采用剥离(lift-off)工艺先生长Ti金属电极3，剥离工艺步骤包括样品清洗、匀胶、前烘、曝光、显影、后烘，之后采用磁控溅射法制备金属电极，采用的靶材为钛金属，溅射时间为6分钟，电极厚度约为90nm。其达到的效果是在有光刻胶的地方，Ti金属薄膜形成在光刻胶上，而没有光刻胶的地方，Ti金属薄膜就直接形成在衬底上；当使用溶剂去除衬底上的光刻胶时，不在衬底上的Ti金属随着光刻胶的溶解而脱落在溶剂中，而直接形成在衬底上的金属部分则保留下来形成图形。
生长完Ti金属电极3后同样采用磁控溅射法生长一层氮化硼薄膜2。采用纯度为99.99％的BN作为靶材，主要步骤包括衬底清洗、衬底预热处理、磁控溅射及高温退火，沉积薄膜时间1h，氮化硼薄膜2厚度在200nm左右，使氮化硼薄膜2覆盖在Ti金属电极3之上，但保证Ti电极有暴露出来的部分用于导线连接。
沉积完氮化硼薄膜2之后，在氮化硼薄膜2上表面同样以磁控溅射的方法生长两个栅状电极1，电极材料可以是铝、铜、金等常见金属电极材料，电极宽度为20μm，间距为20μm，电极厚度在100nm左右。整个器件尺寸在1*0.5cm左右，除去Pad电极，器件有效面积在0.5*0.5cm，能达到的效果是当给三个金属电极分别施加不同大小的电压时，Ti电极上不产生电流，但同时增强Ti电极到两个栅状电极之间的电场，改变了该光电导型光电探测器的响应时间和响应幅度，使其对环境光强的变化非常敏感，达到及时检测的效果。
实施例1：
采用石英作为绝缘衬底4，厚度约300nm；Ti金属电极3的厚度为90nm；氮化硼薄膜2的厚度为200nm；氮化硼薄膜2上表面的两个栅状电极1由Al金属制备得到，宽度为20μm，间距为20μm，厚度为100nm左右；结合图四，当给三个电极分别接大小不同的电压时，通过调节电压的大小，结合Ti电极的位置及尺寸大小，可以达到Ti金属电极3上没有电流流过的效果，同时电场依然存在增强了氮化硼薄膜2内载流子对光强变化的响应时间和响应幅度，在稳定电压下，外界光强的微小变化可以导致该光电导型光电探测器所检测的电流有大约6倍的幅度变化，达到了非常高效准确的测量效果。
实施例2：
采用二氧化硅作为绝缘衬底4，厚度约300nm；Ti金属电极3的厚度为90nm；氮化硼薄膜2的厚度为200nm；氮化硼薄膜2上表面的两个栅状电极1由Cu金属制备得到，宽度为30μm，间距为20μm，厚度为80nm左右；结合图四，当给三个电极分别接大小不同的电压时，通过调节电压的大小，结合Ti电极的位置及尺寸大小，可以达到Ti金属电极3上没有电流流过的效果，同时电场依然存在增强了氮化硼薄膜内载流子对光强变化的响应时间和响应幅度，在稳定电压下，外界光强的微小变化可以导致该光电导型光电探测器所检测的电流有大约8倍的幅度变化，也达到了非常高效准确的测量效果。
Claims (9)
1.一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器，其特征在于，包括由下至上依次叠置而成的绝缘衬底(4)、Ti金属电极(3)、氮化硼薄膜(2)和两个栅状电极(1)，绝缘衬底(4)上表面覆盖有氮化硼薄膜(2)和Ti金属电极(3)，Ti金属电极(3)整体包裹于氮化硼薄膜(2)内，两个栅状电极(1)分别为正栅电极和负栅电极，正栅电极和负栅电极分别位于氮化硼薄膜(2)上表面两侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器，其特征在于，所述Ti金属电极(3)和两个栅状电极(1)总体呈上下非对称；Ti金属电极(3)的一侧边与其中一个栅状电极(1)的内侧边相对齐，Ti金属电极(3)中心与另一个栅状电极(1)中心的连接线与水平面呈30°-60°夹角。
3.根据权利要求1所述的一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器，其特征在于，所述栅状电极(1)宽度为10-30μm，厚度为100nm，两个栅状电极(1)之间的间距为10-30μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器，其特征在于，通过剥离工艺在绝缘衬底(4)上表面生长Ti金属电极(3)；通过剥离工艺在氮化硼薄膜(2)上表面两侧生长栅状电极(1)。
5.根据权利要求1所述的一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器，其特征在于，所述栅状电极(1)采用金属材料制备而成，所述金属材料优选为金，铜，铝；所述Ti金属电极(3)采用钛金属材料制备而成。
6.根据权利要求1所述的一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器，其特征在于，所述氮化硼薄膜(2)厚度在200-300nm之间；氮化硼薄膜(2)采用纯度99.99％的氮化硼为靶材通过磁控溅射法制备而成，或通过化学气相沉积法制备而成。
7.根据权利要求1所述的一种基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器，其特征在于，所述绝缘衬底(4)采用绝缘材料制备而成，绝缘材料优选为石英玻璃。
8.采用权利要求1～7所述的基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器的检测方法，其特征在于，分别给正栅电极、负栅电极和Ti金属电极(3)施加三个大小不同的电压，通过调节三个电极电压的大小，使得Ti金属电极(3)上没有电流通过，保持三个电极电压的稳定；光照射在氮化硼薄膜(2)上，Ti金属电极(3)产生的附加电场增强了氮化硼薄膜(2)内载流子对光强变化的响应时间和响应幅度，当外界光强度发生微小变化时，两个栅状电极(1)之间的电流也会发生明显变化，光电检测器通过检测两个栅状电极(1)之间的电流检测到外界光强的变化。
9.根据权利要求1所述的基于上下非对称栅状电极的光电导型光电探测器的检测方法，其特征在于，通过调节Ti金属电极(3)的形状、位置和尺寸以及三个电极电压的大小使得Ti金属电极(3)没有电流通过。
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2019
- 2019-06-06 CN CN201910491852.8A patent/CN110350041B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017025130A1 (en) * | 2015-08-11 | 2017-02-16 | Universität Augsburg | Detector for detecting electromagnetic radiation |
| CN106601857A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-04-26 | 浙江大学 | 基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器及制备方法 |
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| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110350041B (zh) | 2021-08-27 |
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