CN111463310A - 一种单晶体管多维度光信息探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶体管多维度光信息探测器，其包含：衬底、下氧化层、沟道层、上氧化层、源区、漏区、第一上栅极、第二上栅极、以及偏振光栅；其中，衬底、下氧化层、沟道层、上氧化层由下向上依次叠置，源区和漏区设在沟道层的两端；衬底作为下栅极；第一上栅极和第二上栅极设在上氧化层上；偏振光栅设在第一上栅极上或第二上栅极上。本发明的光电探测器具有3个栅极，调控两个上光电栅极与下栅极(衬底)的耦合效应，可以分别提取出入射光的光强，波长和偏振信息。相比于传统的多波长和偏振探测器，其光电功能更加丰富，体积小巧且成本低。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种单晶体管多维度光信息探测器，更具体地，涉及一种能够探测光的强度、波长和偏振状态的多维度光信息探测器。
背景技术
除光强外，光在其他的维度，如波长和偏振，也具有丰富的信息量。通过检测入射光的波长和偏振状态，可以得到大量的光源信息，在军民领域都具有非常广泛的用途。传统的波长或偏振探测一般在半导体光电探测器之前加入光学滤波原件，例如滤波片和光栅等。为了探测不同的波长或偏振状态，需要结合多个半导体探测器及工作于不同波长的滤波片或不同偏振状态的光栅。这造成整体系统的结构复杂，体积庞大且价格昂贵。
我们前期提出一种基于双光电栅极耦合效应的波长探测器(J.Denget al.,"MoS2/HfO2/Silicon-On-Insulator Dual-Photogating Transistor with AmbipolarPhotoresponsivity for High-Resolution Light Wavelength Detection,"AdvancedFunctional Materials,vol.29,no.46,p.1906242,2019.)。该器件利用二硫化钼(MoS2)和硅衬底作为上下栅极。由于上下栅极具有正负光电响应和不同的波长吸收谱，探测器的零光电响应电压展示出只对波长敏感而对光强不敏感的独特传感特性。目前，还需要对基于双光电栅极耦合效应的波长探测器进一步设计，以解决半导体光电探测器整体系统的结构复杂，体积庞大且价格昂贵的问题。
发明内容
基于申请人前期的双光电栅极耦合效应和波长探测的工作，本发明的目的是进一步提出一种集成光强、波长和偏振多维度光信息探测的新型光电晶体管。
为了达到上述目的，本发明提供了一种单晶体管多维度光信息探测器，其包含：衬底、下氧化层、沟道层、上氧化层、源区、漏区、第一上栅极、第二上栅极、以及偏振光栅；其中，衬底、下氧化层、沟道层、上氧化层由下向上依次叠置，源区和漏区设在沟道层的两端；所述的衬底作为下栅极；所述的第一上栅极和所述的第二上栅极设在所述的上氧化层上；所述的偏振光栅设在所述的第一上栅极上或所述的第二上栅极上。
较佳地，所述的第一上栅极和所述的第二上栅极的掺杂类型与所述的下栅极的掺杂类型相反。
较佳地，所述的第一上栅极和所述的第二上栅极选择低或中度掺杂的半导体材料。
较佳地，所述的下栅极为P型或N型轻度掺杂，掺杂浓度为1015-1018cm-3；所述的第一上栅极和第二上栅极的掺杂浓度为1015-1018cm-3。
较佳地，所述的探测器还包含：设在所述的衬底下方的衬底金属接触、设于所述的第一上栅极上的第一金属接触、设于所述的第二上栅极上的第二金属接触、以及分别沉积在所述的源区和所述的漏区上的源极金属接触和漏极金属接触。
较佳地，所述的光信息探测器通过控制所述的第一上栅极、所述的第二上栅极、以及所述的下栅极的电压，调控不同的栅极耦合状态，实现波长、偏振和光强信息的提取。
较佳地，所述的衬底的材料选自IV族半导体材料，包括硅、锗、锗硅、绝缘层上硅或绝缘层上锗；或者，所述的衬底选自III-V族半导体材料，包括氮化镓、铟镓砷或铟磷；或者，所述的衬底选自II-V族半导体材料，包括氧化锌或氧化镓；或者，所述的衬底选自二维半导体材料，包括过渡金属硫族化合物、黑磷或石墨烯。
较佳地，所述的沟道层为轻P或N掺杂，掺杂浓度为1010-1018cm-3，或者不掺杂。
较佳地，所述的源区和所述的漏区为P或N型重掺杂，掺杂浓度为1019-1021cm-3。
较佳地，所述的第一上栅极和所述的第二上栅极的材料选自IV族半导体材料，包括硅、锗、锗硅、绝缘层上硅或绝缘层上锗；或者，选自III-V族半导体材料，包括氮化镓、铟镓砷或铟磷；或者，选自II-V族半导体材料，包括氧化锌或氧化镓；或者，选自二维半导体材料，包括过渡金属硫族化合物、黑磷或石墨烯。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明的光电探测器具有3个栅极，调控两个上光电栅极与下栅极(衬底)的耦合效应，可以分别提取出入射光的光强，波长和偏振信息。相比于传统的多波长和偏振探测器，其光电功能更加丰富，体积小巧且成本低。
附图说明
图1为本发明的单晶体管多维度光信息探测器的结构示意图。
图2为本发明的单晶体管多维度光信息探测器的制备流程图示。
图3为本发明的实施例2的单晶体管多维度光信息探测器的结构示意图。
图4为本发明的实施例3的单晶体管多维度光信息探测器的结构示意图。
标号说明：
1、衬底；2、下氧化层；3、沟道层；4、源区；5、漏区；6、上氧化层；7、第一上栅极；8、第二上栅极；9、偏振光栅；10、源极金属接触；11、漏极金属接触；12、衬底金属接触；13、第一金属接触；14、第二金属接触。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
基于申请人前期的双光电栅极耦合效应和波长探测的工作，本发明进一步把双光电栅极耦合效应和偏振光栅集成在同一器件中，通过调控耦合效应的状态，实现光强，波长和偏振多维度光信息的提取。
图1的(a)为本发明的探测器的俯视图，图1的(b)为本发明的探测器的剖面示意图。本发明提出的探测器为多维度光信息探测晶体管，其器件结构如图1所示，由以下几个部分组成：衬底1、下氧化层2、沟道层3、重掺杂源区4和重掺杂漏区5、上氧化层6、第一上栅极7、第二上栅极8、偏振光栅9、源极金属接触10、漏极金属接触11、衬底金属接触12、第一上栅极上的第一金属接触13和第二上栅极上的第二金属接触14。衬底1作为下栅极。
本发明的探测器具有三个光电栅极，包括下栅极(衬底1)，第一上栅极7和第二上栅极8。将偏振滤波功能的光栅集成在器件上，形成额外的上栅极。偏振光栅9可集成在第一上栅极7或第二上栅极8上。以下对偏振光栅9集成在第二上栅极8上的光信息探测晶体管为例说明本发明的原理。
通过施加不同的栅极电压，调控第一上栅极7、第二上栅极8与下栅极(衬底1)的耦合效应，分别提取出入射光的光强(I)，波长(λ)和偏振(P)信息。下栅极恒定的施加正电压，而上面的两个栅极施加不同的电压从而得到不同的耦合状态。在第一上栅极7施加正电压，而第二上栅极8施加零偏压或负偏压时，第一上栅极7与下栅极耦合。由于上下栅极具有不同的光响应频谱，其耦合效应的平衡点只受入射光波长的影响，机理可参考申请人前期研发的波长探测器。而当第一上栅极7施加零偏压或负偏压，第二上栅极8施加正电压时，第二上栅极8与下栅极耦合。由于第二上栅极8同时受波长和偏振状态的影响，其耦合效应的平衡点包含了入射光波长和偏振状态的信息。而当第一上栅极7和第二上栅极8同时施加零偏压或负偏压时，耦合解除，沟道仅受下栅极控制。这时的光电响应仅来自下栅极(衬底1)。由于衬底1的受光面积远大于第二上栅极8，其光电响应受偏振状态影响不大，主要受光强和下栅极材料的光吸收谱影响。因此，测量器件两个上栅极的耦合平衡电压和下栅极的电流，便可通过上述的物理过程解调出入射光的光强，波长和偏振。
下栅极和第一上栅极、第二上栅极的厚度或材料不一样时，会具有不同的光响应谱特性。且第一上栅极、第二上栅极的掺杂类型和下栅极的掺杂类型相反，因此具有正负相反的光电响应。
第一上栅极和第二上栅极是低或者中度掺杂的半导体材料，而非传统晶体管的重掺杂或金属。
所述的下栅极(衬底1)可为硅，锗，锗硅，绝缘层上硅或绝缘层上锗等IV族半导体材料，也可为氮化镓，铟镓砷和铟磷等III-V族半导体材料，还可为氧化锌和氧化镓等II-V族半导体材料，也可为过渡金属硫族化合物，黑磷和石墨烯等二维半导体材料。其上的沟道层3也可为这些半导体材料的一种。其下氧化层2和上氧化层6可为二氧化硅，氧化铝和氧化铪等绝缘材料。
下栅极(衬底1)为P型或N型轻度掺杂，掺杂浓度为1015-1018cm-3，第一上栅极7和第二上栅极8的掺杂类型与下栅极相反，掺杂浓度为1015-1018cm-3。
沟道为轻P或N掺杂，或者不掺杂，掺杂浓度为1010-1018cm-3。
一些实施例中，源漏区域为P型重掺杂，掺杂浓度为1019-1021cm-3。一些实施例中，源漏区域为N型重掺杂。
本发明提出的探测器为半导体可调性能光电传感器，其制备方法的具体步骤为：
(1)提供图1所示的起始半导体衬底1；
(2)淀积下氧化层2、沟道层3，光刻并刻蚀后，在沟道中形成有源区；
(3)光刻并进行离子注入，形成P型重掺杂的源漏区和P型掺杂的发射区，之后进行高温退火激活注入的离子；
(4)光刻并淀积金属接触，之后退火以形成如图1所示的源极金属接触10和漏极金属接触11；
(5)淀积上氧化层6；
(6)淀积第一上栅极7和第二上栅极8；
(7)形成偏振光栅9；
(8)形成栅极接触，包括第一上栅极7的接触(第一金属接触13)、第二上栅极8的接触(第二金属接触14)和下栅极接触(衬底金属接触12)。
实施例1
实施例1的单晶体管多维度光信息探测器的结构可参阅图1。如图2所示，实施例1的单晶体管多维度光信息探测器的工艺流程图具体为：
(1)如图2的(a)所示，提供衬底1。起始的衬底1可为硅，锗，锗硅，绝缘层上硅或绝缘层上锗等IV族半导体材料，也可为氮化镓，铟镓砷和铟磷等III-V族半导体材料，还可为氧化锌和氧化镓等II-V族半导体材料，也可为过渡金属硫族化合物，黑磷和石墨烯等二维半导体材料；
(2)如图2的(b)所示，形成下氧化层2和半导体沟道层3。形成的方法可用化学气相淀积，物理气相淀积或热氧化的方法。氧化层材料可为二氧化硅，氧化铝和氧化铪等绝缘材料，厚度一般为1nm-500nm。沟道材料可为硅，锗，锗硅，绝缘层上硅或绝缘层上锗等IV族半导体材料，也可为氮化镓，铟镓砷和铟磷等III-V族半导体材料，还可为氧化锌和氧化镓等II-V族半导体材料，厚度一般为1nm-500nm。沟道也可为过渡金属硫族化合物，黑磷和石墨烯等二维半导体材料，厚度为单原子层-500nm。如果衬底1为氧化硅或氧化锗等本身带有下氧化层2和沟道的衬底1，则无需这一步；
(3)如图2的(c)所示，光刻之后利用光刻胶为掩膜进行刻蚀，从而形成沟道中有源区的图形；刻蚀可选用干法或者湿法方法。干法刻蚀一般使用氟基或者卤族元素气体，如SF6，CHF3，HBr或者Cl2等。而湿法腐蚀一般使用TMAH，KOH等溶液。最终在上层硅中形成有源区；
(4)如图2的(d)所示，光刻并打开两个源漏区域的离子注入的窗口，进行离子注入形成源漏区域的P型重掺杂区域；离子注入一般使用硼或者BF2，剂量为1013cm-2至1016cm-2之间，能量为1keV至100keV之间。之后，再次光刻打开源漏接触区的窗口，淀积金属并退火以在源漏区形成电极；常用金属为铝，镍或钛等，退火温度为300度至900度之间；
(5)如图2的(e)所示，淀积上氧化层材料。氧化层可以是氧化铪或者氧化铝等高K介质材料，通过原子层沉积系统(ALD)淀积，化学气相淀积(CVD)或物理气相淀积(PVD)等，其厚度一般为1nm至30nm之间；
(6)如图2的(f)所示，淀积上栅极材料。上栅极材料可以为硅，锗，锗硅，绝缘层上硅或绝缘层上锗等IV族半导体材料，也可为氮化镓，铟镓砷和铟磷等III-V族半导体材料，还可为氧化锌和氧化镓等II-V族半导体材料，厚度一般为1nm-500nm。也可为过渡金属硫族化合物，黑磷和石墨烯等二维半导体材料，厚度为单原子层-500nm；
(7)如图2的(g)所示，在第二上栅极8形成亚波长的金属偏振光栅9。先使用光刻形成光栅结构，周期一般为10nm-1000nm，占空比一般为10％-90％。然后淀积金属，金属淀积一般用蒸发或物理气相淀积等工艺，材料一般为铝，金和银等导电率较好的金属，厚度一般为10nm-1000nm。最后用剥离工艺形成金属偏振光栅9；
(8)如图2的(h)所示，形成栅极的金属接触电极，包括第一上栅极7和第二上栅极8以及下栅极的金属接触电极；光刻打开接触区的窗口，淀积金属并退火以在源漏区形成电极；常用金属为铝，镍或钛等，退火温度为300度至900度之间。
实施例2
实施例2的单晶体管多维度光信息探测器的结构示意图如图3所示。实施例2与实施例1类似，区别在于源漏为N型重掺杂而非P型掺杂。因此，此实施例的工艺流程与实施例1类似，只需将步骤(4)的离子注入改为砷或磷，剂量为1013cm-2至1016cm-2之间，能量为1keV至100keV之间。
实施例3
实施例3的单晶体管多维度光信息探测器的结构示意图如图4所示。实施例3与实施例1类似，区别在于偏振光栅9放置于离源极近的第一上栅极7上，而非第二上栅极8上。此实施例的工艺流程与实施例1完全一致，只需改变步骤(7)中对应的版图结构。
综上所述，本发明仅用单个晶体管实现对入射光的光强，波长和偏振信息的提取，无需分立的光学部件，其结构简单，体积小巧且成本低。本发明提出的新型单晶体管多维光信息探测器可广泛应用于光谱检测，荧光分析，非接触式火焰温度测量，各类超光谱成像和偏振成像应用中。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，包含：衬底、下氧化层、沟道层、上氧化层、源区、漏区、第一上栅极、第二上栅极、以及偏振光栅；其中，衬底、下氧化层、沟道层、上氧化层由下向上依次叠置，源区和漏区设在沟道层的两端；所述的衬底作为下栅极；所述的第一上栅极和所述的第二上栅极设在所述的上氧化层上；所述的偏振光栅设在所述的第一上栅极上或所述的第二上栅极上。
2.根据权利要求1所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的第一上栅极和所述的第二上栅极的掺杂类型与所述的下栅极的掺杂类型相反。
3.根据权利要求2所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的第一上栅极和所述的第二上栅极选择低或中度掺杂的半导体材料。
4.根据权利要求3所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的下栅极为P型或N型轻度掺杂，掺杂浓度为1015-1018cm-3；所述的第一上栅极和第二上栅极的掺杂浓度为1015-1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的探测器还包含：设在所述的衬底下方的衬底金属接触、设于所述的第一上栅极上的第一金属接触、设于所述的第二上栅极上的第二金属接触、以及分别沉积在所述的源区和所述的漏区上的源极金属接触和漏极金属接触。
6.根据权利要求1所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的光信息探测器通过控制所述的第一上栅极、所述的第二上栅极、以及所述的下栅极的电压，调控不同的栅极耦合状态，实现波长、偏振和光强信息的提取。
7.根据权利要求1所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的衬底的材料选自IV族半导体材料，包括硅、锗、锗硅、绝缘层上硅或绝缘层上锗；或者，所述的衬底选自III-V族半导体材料，包括氮化镓、铟镓砷或铟磷；或者，所述的衬底选自II-V族半导体材料，包括氧化锌或氧化镓；或者，所述的衬底选自二维半导体材料，包括过渡金属硫族化合物、黑磷或石墨烯。
8.根据权利要求1所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的沟道层为轻P或N掺杂，掺杂浓度为1010-1018cm-3，或者不掺杂。
9.根据权利要求1所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的源区和所述的漏区为P或N型重掺杂，掺杂浓度为1019-1021cm-3。
10.根据权利要求1所述的单晶体管多维度光信息探测器，其特征在于，所述的第一上栅极和所述的第二上栅极的材料选自IV族半导体材料，包括硅、锗、锗硅、绝缘层上硅或绝缘层上锗；或者，选自III-V族半导体材料，包括氮化镓、铟镓砷或铟磷；或者，选自II-V族半导体材料，包括氧化锌或氧化镓；或者，选自二维半导体材料，包括过渡金属硫族化合物、黑磷或石墨烯。
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