CN111640768B - 一种垂直双异质结光探测器面阵及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种垂直双异质结光探测器面阵及其制作方法，该垂直双异质结光探测器面阵包括透明基底，该透明基底上设置有下欧姆接触层，该下欧姆接触层上设置有多个柱形双异质结探测器单元，多个柱形双异质结探测器单元在下欧姆接触层上有序排列，形成柱形双异质结探测器阵列；每一柱形双异质结探测器单元分别包括自下而上设置的下光吸收层、中光吸收层、上光吸收层以及上欧姆接触层；在下欧姆接触层上设置有共电极，每一上欧姆接触层上分别设置有上电极，多个上电极形成上电极阵列。本发明能够实现覆盖红外‑可见‑紫外波段的超宽谱光探测，可实现大面积、高分辨、实时动态的光探测成像，同时其光响应度高、响应时间快，且具有极低的暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光探测技术领域，特别是指一种垂直双异质结光探测器面阵及其制作方法。
背景技术
半导体光探测器是利用半导体对光的吸收所引起的光电导、光生伏特和光热效应而制成的探测器，在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是一种最理想光探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。从第一代Si材料、第二代III-V化合物半导体(GaAs、InP等)到第三代宽禁带半导体材料(以GaN、SiC为代表)，半导体材料经历了快速发展，相应地，半导体光电探测器的光谱响应范围也从红外、可见、紫外、深紫外波段逐渐拓展和完善。
近年来，信息功能材料也已由三维(3D)体材料发展到薄层、超薄层甚至二维(2D)单原子层材料。新兴的二维材料为光探测应用提供了崭新的支撑与补充。作为二维材料的典型代表，Graphene的透光率极高，单层石墨烯的吸收效率只有2.3％，光吸收容易饱和，但是其吸收光的波长范围很广，可以覆盖可见和红外光。其次，二维TMDCs家族材料丰富，禁带宽度可调节，其中MoS2作为一种超薄的二维半导体，有着较高载流子迁移率(～410cm2V-1s-1)和随着层厚可调控的光学带隙(单层1.8eV)，是一种制备可见光乃至近红外光电探测器的理想材料；PtSe2因其可调带隙从单层PtSe2(1.2eV)过渡到零带隙的块体PtSe2，其响应波段为近红外波段到中红外波段。另外，二维黑磷同样具有带隙可调控特性(0.3eV-2.0eV)，高载流子迁移率(103cm2V-1s-1)、高电流开关比(104-105)以及各向异性等特点使其成为光电探测器的重要候选材料。总体来看，基于二维材料的光电探测器已展现出宽波段响应且高灵敏度的优势，其工作波段主要集中在可见、近红外到远红外区间。
新兴二维半导体材料与传统先进半导体材料的集成设计将为未来光探测技术发展和应用提供新的机遇。将两者进行垂直异质构建可提高光生载流子的分离效率，改善光响应度和响应时间，拓宽光谱响应范围，尤其适用于多像素面阵集成，可进行高质量的光探测成像。
目前现有的半导体光探测器无法覆盖红外-可见-紫外波段的超宽谱光探测，也无法获得大面积、高分辨、实时动态的光探测成像。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种垂直双异质结光探测器面阵及其制作方法，旨在利用垂直双异质结光探测器面阵，实现大面积、高分辨、实时动态的光探测成像；将新兴二维半导体材料与传统先进半导体材料进行垂直异质集成，构建垂直双异质结光探测器面阵。一方面旨在实现覆盖红外-可见-紫外波段的超宽谱光探测，另一方面旨在获得大面积、高分辨、实时动态的光探测成像，同时具有光响应度高、响应时间快且暗电流极低的性能优势。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种垂直双异质结光探测器面阵，该垂直双异质结光探测器面阵包括透明基底，所述透明基底上设置有下欧姆接触层，所述下欧姆接触层上设置有多个柱形双异质结探测器单元，所述多个柱形双异质结探测器单元在所述下欧姆接触层上有序排列，形成柱形双异质结探测器阵列；
每一所述柱形双异质结探测器单元分别包括自下而上设置的下光吸收层、中光吸收层、上光吸收层以及上欧姆接触层；
在所述下欧姆接触层上设置有下共电极，每一所述上欧姆接触层上分别设置有上电极，多个所述上电极形成上电极阵列。
进一步地，所述透明基底的材质为蓝宝石、碳化硅、氮化铝、氮化镓、氧化锌、金刚石或石英玻璃中的任意一种；
所述下欧姆接触层和上欧姆接触层为半导体材料。
进一步地，所述下光吸收层、中光吸收层以及上光吸收层的带隙能量小于所述透明基底和下欧姆接触层的带隙能量，以使所述下光吸收层、中光吸收层以及上光吸收层能够从所述透明基底一侧吸收外部入射光；其中，
所述下光吸收层、中光吸收层和上光吸收层为三维半导体薄膜材料或者二维材料，其中下光吸收层、中光吸收层和上光吸收层中至少有一层为二维材料。
进一步地，所述三维半导体薄膜材料为GaN基、GaP基、GaAs基二元、三元、四元或多元材料，或者ZnO基、ZnS基、ZnSe基二元、三元、四元或多元材料，或者CdS基、CdSe基或CdTe基二元、三元、四元或多元材料中的任意一种；
所述二维材料为过渡金属硫族化合物、黑磷、石墨烯、第IV族单质二维材料、第V族单质二维材料、第III-V族二维材料、第III-VI族二维材料、或第IV-VI族二维材料中的任意一种。
进一步地，所述下共电极和上电极为钛、铝、镍、金、银、铬、铂、钯中的任意一种或多种的组合形成的金属电极；或者为铟锡氧化物或石墨烯透明导电电极；
其中，所述下共电极与所述下欧姆接触层之间为电学欧姆接触；所述上电极与对应的上欧姆接触层之间为电学欧姆接触。
进一步地，所述柱形双异质结探测器单元的横断面为圆形或者多边形，其直径或者多边形的边长为10nm～1mm；多个所述柱形双异质结探测器单元形状和尺寸相同。
相应地，为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：
一种垂直双异质结光探测器面阵的制作方法，该制作方法包括：
步骤一、在透明基底上制备下欧姆接触层；
步骤二、在下欧姆接触层上制作下光吸收层、中光吸收层和上光吸收层；
步骤三、在所述上光吸收层上制备上欧姆接触层；
步骤四、在所述上欧姆接触层的表面制作上电极图形，并依次沉积上电极，形成上电极阵列和掩模金属阵列；
步骤五、利用所述掩模金属阵列，自上而下刻蚀所述上欧姆接触层、上光吸收层、中光吸收层和下光吸收层，暴露出所述下欧姆接触层；
步骤六、去除所述上电极阵列顶端残留的所述掩模金属阵列；
步骤七、在所述下欧姆接触层的表面制作下共电极图形，并沉积下共电极。
进一步地，所述下欧姆接触层和上欧姆接触层的制备方法为金属有机化学气相沉积、分子束外延、化学气相沉积、原子层沉积或者磁控溅射中的任一种；
进一步地，所述下光吸收层、中光吸收层和上光吸收层采用自上而下机械转移制作得到，或者采用金属有机化学气相沉积、分子束外延、化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射中的任意一种制备方法制作得到。
进一步地，所述上电极图形和下共电极图形采用光学光刻、电子束直写光刻或者纳米压印图形化技术制得，所述掩模金属阵列为镍、钨或者钼金属；
所述自上而下刻蚀所述上欧姆接触层、上光吸收层、中光吸收层和下光吸收层中采用的刻蚀方法为感应耦合等离子体刻蚀或者反应离子刻蚀。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1、本发明的垂直双异质结光探测器面阵结构简单且可调性强，其光谱响应波长覆盖红外-可见-紫外波段，可进行超宽谱光探测；
2、本发明的垂直双异质结光探测器面阵具有良好的半导体兼容性和系统集成性，适用于大面积、高分辨、实时动态的光探测成像；
3、本发明的垂直双异质结光探测器面阵可提高光生载流子的分离效率，改善光响应度和响应时间，同时具有极低的暗电流，面阵信噪比高。
附图说明
图1为本发明的第一实施例提供的垂直双异质结光探测器面阵示意图；
图2为本发明的第二实施例提供的垂直双异质结光探测器面阵制作方法的流程示意图；
图3为本发明的第三实施例提供的垂直GaN/MoS2/GaN双异质结光探测器面阵示意图。
附图标记说明：
L1、透明基底；L2、下欧姆接触层；L3、下光吸收层；L4、中光吸收层；
L5、上光吸收层；L6、上欧姆接触层；P1、下共电极；P2、上电极。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
第一实施例
请参阅图1，本实施例提供一种垂直双异质结光探测器面阵，该垂直双异质结光探测器面阵包括透明基底L1，透明基底L1上设置有下欧姆接触层L2，下欧姆接触层L2上设置有多个柱形双异质结探测器单元，多个柱形双异质结探测器单元在下欧姆接触层L2上有序排列，形成柱形双异质结探测器阵列；
每一柱形双异质结探测器单元分别包括下光吸收层L3、中光吸收层L4、上光吸收层L5和上欧姆接触层L6；在下欧姆接触层L2上设置有下共电极P1，每一上欧姆接触层L6上分别设置有上电极P2，多个上电极P2形成上电极阵列。
进一步地，透明基底L1优选为下列材料：蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石或石英玻璃(SiO2)。
下欧姆接触层L2和上欧姆接触层L6优选为n型或者p型半导体材料。
下光吸收层L3、中光吸收层L4、上光吸收层L5的带隙能量小于透明基底L1和下欧姆接触层L2的带隙能量，以使下光吸收层L3、中光吸收层L4、上光吸收层L5能够从透明基底L1一侧吸收外部入射光。
下光吸收层L3、中光吸收层L4和上光吸收层L5可以为三维半导体薄膜材料或者二维材料；其中，下光吸收层L3、中光吸收层L4和上光吸收层L5中至少有一层为二维材料。其中，三维半导体薄膜材料可以为GaN基、GaP基、GaAs基二元、三元、四元或多元材料，或者ZnO基、ZnS基、ZnSe基二元、三元、四元或多元材料，或者CdS基、CdSe基、CdTe基二元、三元、四元或多元材料；二维材料可以为过渡金属硫族化合物(TMDCs)、黑磷(BP)、石墨烯(Graphene)、第IV族单质二维材料、第V族单质二维材料、第III-V族二维材料、第III-VI族二维材料、第IV-VI族二维材料。
下共电极P1和上电极P2优选为钛(Ti)、铝(Al)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铬(Cr)、铂(Pt)、钯(Pb)等金属及其多种组成的金属合金形成的金属电极，或者铟锡氧化物(ITO)、石墨烯(Graphene)透明导电电极。
下共电极P1与下欧姆接触层L2之间为电学欧姆接触；
上电极P2与对应的上欧姆接触层L6之间为电学欧姆接触。
柱形双异质结探测器单元优选为横断面为圆形或者多边形，其直径或者多边形的边长为10nm～1mm；多个柱形双异质结探测器单元形状和尺寸相同。
本实施例的垂直双异质结光探测器面阵能够实现覆盖红外-可见-紫外波段的超宽谱光探测，可实现大面积、高分辨、实时动态的光探测成像，同时其光响应度高、响应时间快，且具有极低的暗电流。
第二实施例
请参阅图2，本实施例提供一种上述的垂直双异质结光探测器面阵的制作方法，该制作方法包括以下步骤：
S1、在透明基底L1上依次制备下欧姆接触层L2；
参见图1，上述步骤具体为：在透明衬底L1上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或者磁控溅射(Magnetronsputtering)方法制备下欧姆接触层L2。
S2、在下欧姆接触层L2上制作下光吸收层L3、中光吸收层L4以及上光吸收层L5；
参见图1，上述下光吸收层L3、中光吸收层L4、上光吸收层L5采用自上而下机械转移制作得到，或者采用金属有机化学气相沉积、分子束外延、化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射中的任意一种制备方法制作得到。
S3、在上光吸收层L5上制备上欧姆接触层L6；
参见图1，上述步骤具体为：在上光吸收层L5上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或者磁控溅射(Magnetron sputtering)方法制备上欧姆接触层L6。
S4、在上欧姆接触层L6的表面制作上电极阵列图形，并依次沉积上电极阵列和掩模金属阵列；
参见图1，上述步骤具体可以为：采用光学光刻、电子束直写光刻或者纳米压印图形化技术，在上欧姆接触层L6的表面制作电极阵列图形，并依次沉积上电极阵列和掩模金属阵列，其中，掩模金属阵列优选为耐刻蚀的镍(Ni)、钨(W)或者钼(Mo)金属。
S5、利用掩模金属阵列，自上而下刻蚀上欧姆接触层L6、上光吸收层L5、中光吸收层L4和下光吸收层L3，暴露出下欧姆接触层L2；
参见图1，上述步骤具体可以为：利用掩模金属阵列采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)或者反应离子刻蚀(RIE)方法自上而下刻蚀上欧姆接触层L6、上光吸收层L5、中光吸收层L4和下光吸收层L3，暴露出下欧姆接触层L2。
S6、去除上电极阵列顶端残留的掩模金属阵列；
参见图1，上述步骤具体为：去除上电极阵列顶端残留的镍(Ni)、钨(W)或者钼(Mo)金属。
S7、在下欧姆接触层L2的表面制作下共电极图形，并沉积下共电极P1；
参见图1，上述步骤具体为采用光学光刻、电子束直写光刻或纳米压印图形化技术，在下欧姆接触层L2的表面制作下共电极图形，并沉积下共电极P1。
本实施例的制作方法利用垂直双异质结光探测器面阵，实现了大面积、高分辨、实时动态的光探测成像；将新兴二维半导体材料与传统先进半导体材料进行垂直异质集成，构建垂直双异质结光探测器面阵。实现了覆盖红外-可见-紫外波段的超宽谱光探测，在获得大面积、高分辨、实时动态的光探测成像的同时具有光响应度高、响应时间快且暗电流极低的性能优势。
第三实施例
请参阅图3，本实施例提供一种垂直GaN/MoS2/GaN双异质结光探测器面阵的制作方法，该制作方法包括：
(a)在双抛c面蓝宝石衬底上，采用MOCVD依次外延生长1μm厚n型Al0.1Ga0.9N薄膜(掺杂Si，n型掺杂浓度为3*1018/cm3)；
(b)采用MOCVD外延技术，依次外延生长0.2μm厚非掺杂GaN薄膜；然后以H2S作为硫气源、Mo(CO)6作为钼气源，生长二维MoS2单层材料；接着生长0.1μm厚非掺杂GaN薄膜；
(c)采用MOCVD外延技术，在0.1μm厚非掺杂GaN薄膜上生长0.1μm厚p型GaN薄膜(掺杂Mg，p型掺杂浓度为1*1018/cm3)；
(d)利用紫外光刻手段，在p型GaN薄膜表面制作圆形点阵图形，其单个圆形直径为5μm，其周期为10μm。然后采用电子束蒸发沉积5nm镍(Ni)和50nm金(Au)欧姆接触电极，以及100nm镍(Ni)作为掩模金属层；
(e)采用含有5％Ar气的Cl基ICP技术，自上而下依次刻蚀p型GaN薄膜、上层0.1μm厚非掺杂GaN薄膜、二维MoS2单层、下层0.2μm厚非掺杂GaN薄膜，截止于n型Al0.1Ga0.9N薄膜内；
(f)调配氢氟酸、硝酸和水(1:1:10)的混合溶液，去除垂直点阵顶端残留的镍(Ni)掩模金属，之后在500度、空气气氛下退火5分钟使得Ni/Au上电极阵列形成良好的欧姆接触；
(g)利用紫外光刻手段，在暴露的n型Al0.1Ga0.9N薄膜上采用电子束蒸发沉积15nm钛(Ti)、200nm铝(Al)、40nm镍(Ni)和50nm金(Au)，制作环形共电极，并在600度、氮气气氛下退火30秒得到良好的欧姆接触。最终，制作出本实施例的垂直GaN/MoS2/GaN双异质结光探测器面阵，参见图3。
第四实施例
本实施例提供一种垂直In0.2Ga0.8N/MoS2/PtSe2双异质结光探测器面阵的制作方法，该制作方法包括：
(a)在双抛c面蓝宝石衬底上，采用MOCVD依次外延生长1μm厚n型GaN薄膜(掺杂Si，n型掺杂浓度为3*1018/cm3)和0.1μm厚非掺杂In0.2Ga0.8N薄膜；
(b)利用机械剥离转移技术，在非掺杂In0.2Ga0.8N薄膜上依次干法转移单层MoS2和少层PtSe2二维材料；
(c)采用MOCVD外延技术，在少层PtSe2二维材料上外延0.1μm厚p型GaN薄膜(掺杂Mg，p型掺杂浓度为1*1018/cm3)；
(d)利用紫外光刻手段，在p型GaN薄膜表面制作圆形点阵图形，其单个圆形直径为2μm，其周期为5μm。然后采用电子束蒸发沉积5nm镍(Ni)和50nm金(Au)欧姆接触电极，以及100nm镍(Ni)作为掩模金属层；
(e)采用含有5％Ar气的Cl基ICP技术，自上而下依次刻蚀p型GaN薄膜、二维PtSe2少层、单层MoS2、0.1μm厚非掺杂In0.2Ga0.8N薄膜，截止于n型GaN薄膜内；
(f)调配氢氟酸、硝酸和水(1:1:10)的混合溶液，去除垂直点阵顶端残留的镍(Ni)掩模金属，之后在500度、空气气氛下退火5分钟使得Ni/Au上电极阵列形成良好的欧姆接触；
(g)利用紫外光刻手段，在暴露的n型GaN薄膜上采用电子束蒸发沉积15nm钛(Ti)、200nm铝(Al)、40nm镍(Ni)和50nm金(Au)，制作环形共电极，并在600度、氮气气氛下退火15秒得到良好的欧姆接触。最终，制作出本实施例的垂直In0.2Ga0.8N/MoS2/PtSe2双异质结光探测器面阵。
此外，需要说明的是，在本文中，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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。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、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明的优选实施例，但对于本领域普通技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
Claims (9)
1.一种垂直双异质结光探测器面阵，其特征在于，所述垂直双异质结光探测器面阵包括透明基底，所述透明基底上设置有下欧姆接触层，所述下欧姆接触层上设置有多个柱形双异质结探测器单元，所述多个柱形双异质结探测器单元在所述下欧姆接触层上有序排列，形成柱形双异质结探测器阵列；
每一所述柱形双异质结探测器单元分别包括自下而上设置的下光吸收层、中光吸收层、上光吸收层以及上欧姆接触层；
在所述下欧姆接触层上设置有下共电极，每一所述上欧姆接触层上分别设置有上电极，多个所述上电极形成上电极阵列；
所述下光吸收层、中光吸收层以及上光吸收层的带隙能量小于所述透明基底和下欧姆接触层的带隙能量，以使所述下光吸收层、中光吸收层以及上光吸收层能够从所述透明基底一侧吸收外部入射光；其中，
所述下光吸收层、中光吸收层和上光吸收层为三维半导体薄膜材料或者二维材料，其中下光吸收层、中光吸收层和上光吸收层中至少有一层为二维材料。
2.如权利要求1所述的垂直双异质结光探测器面阵，其特征在于，所述透明基底的材质为蓝宝石、碳化硅、氮化铝、氮化镓、氧化锌、金刚石或石英玻璃中的任意一种；所述下欧姆接触层和上欧姆接触层为半导体材料。
3.如权利要求1所述的垂直双异质结光探测器面阵，其特征在于，所述三维半导体薄膜材料为GaN基、GaP基、GaAs基二元、三元、四元或多元材料，或者ZnO基、ZnS基、ZnSe基二元、三元、四元或多元材料，或者CdS基、CdSe基或CdTe基二元、三元、四元或多元材料中的任意一种；
所述二维材料为过渡金属硫族化合物、黑磷、石墨烯、第IV族单质二维材料、第V族单质二维材料、第III-V族二维材料、第III-VI族二维材料、或第IV-VI族二维材料中的任意一种。
4.如权利要求1所述的垂直双异质结光探测器面阵，其特征在于，所述下共电极和上电极为钛、铝、镍、金、银、铬、铂、钯中的任意一种或多种的组合形成的金属电极；或者为铟锡氧化物或石墨烯透明导电电极；
其中，所述下共电极与所述下欧姆接触层之间为电学欧姆接触；所述上电极与对应的上欧姆接触层之间为电学欧姆接触。
5.如权利要求1所述的垂直双异质结光探测器面阵，其特征在于，所述柱形双异质结探测器单元的横断面为圆形或者多边形，其直径或者多边形的边长为10nm～1mm；多个所述柱形双异质结探测器单元形状和尺寸相同。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的垂直双异质结光探测器面阵的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
步骤一、在透明基底上制备下欧姆接触层；
步骤二、在下欧姆接触层上制作下光吸收层、中光吸收层和上光吸收层；
步骤三、在所述上光吸收层上制备上欧姆接触层；
步骤四、在所述上欧姆接触层的表面制作上电极图形，并依次沉积上电极，形成上电极阵列和掩模金属阵列；
步骤五、利用所述掩模金属阵列，自上而下刻蚀所述上欧姆接触层、上光吸收层、中光吸收层和下光吸收层，暴露出所述下欧姆接触层；
步骤六、去除所述上电极阵列顶端残留的所述掩模金属阵列；
步骤七、在所述下欧姆接触层的表面制作下共电极图形，并沉积下共电极。
7.如权利要求6所述的垂直双异质结光探测器面阵的制作方法，其特征在于，所述下欧姆接触层和上欧姆接触层的制备方法为金属有机化学气相沉积、分子束外延、化学气相沉积、原子层沉积或者磁控溅射中的任意一种。
8.如权利要求6所述的垂直双异质结光探测器面阵的制作方法，其特征在于，所述下光吸收层、中光吸收层和上光吸收层采用自上而下机械转移制作得到，或者采用金属有机化学气相沉积、分子束外延、化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射中的任意一种制备方法制作得到。
9.如权利要求6所述的垂直双异质结光探测器面阵的制作方法，其特征在于，所述上电极图形和下共电极图形采用光学光刻、电子束直写光刻或者纳米压印图形化技术制得，所述掩模金属阵列为镍、钨或者钼金属；
所述自上而下刻蚀所述上欧姆接触层、上光吸收层、中光吸收层和下光吸收层中采用的刻蚀方法为感应耦合等离子体刻蚀或者反应离子刻蚀。
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