CN112186052A - 一种深紫外多波长msm窄带光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种深紫外多波长msm窄带光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器及其制备方法。所述的光电探测器包括衬底、缓冲层、至少两组超短周期超晶格层、金属叉指电极，每组超短周期超晶格层的分子层数不同；超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列；不同的超短周期超晶格层对应沉积不同尺寸、形状及周期的金属纳米颗粒阵列；金属叉指电极设置在超短周期超晶格层上表面，形成肖特基接触。本发明通过将多组不同尺寸、形状及周期的金属纳米颗粒阵列设置在超短周期超晶格层上，能够针对超短周期超晶格层的特定窄带光吸收进行有效地局域表面等离激元增强，进一步提高对深紫外光的吸收效率，最终改善多波长MSM窄带探测器的响应度和外量子效率。

Description

一种深紫外多波长MSM窄带光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，更具体地说，涉及一种高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，以及一种高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器的制备方法。
背景技术
随着紫外探测技术在军事、医疗、环境等领域的广泛应用，半导体深紫外光电探测器逐渐向着微型化、集成化、多样化的方向发展，因此对深紫外探测材料质量、器件结构及性能指标等提出了更高的要求。
为了获取更丰富、更精确的探测信息，窄带宽、多波长集成的光电探测器制备已是发展所趋。现有技术中，中国发明专利申请201820553183.3提出了一种应力调控紫外多波长MSM光电探测器，利用外延于同一衬底上的两组或多组完全应变超短周期超晶格结构完成紫外双波长甚至多波长的窄带宽探测。
然而，上述发明所述的探测器响应度和外量子效率仍不够高，特别是对于距离表面较远的超短周期超晶格而言，光吸收效率低下，导致光生载流子很难被金属电极所收集。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器及其制备方法，通过有效利用局域表面等离激元效应实现针对不同探测波长的光吸收增强，其中特定吸收波长对应于特定尺寸的金属纳米颗粒阵列，最终提高窄带宽、多波长深紫外MSM光电探测器的响应度和外量子效率。
本发明的技术方案如下：
一种高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，从下至上依次包括衬底、缓冲层、至少两组超短周期超晶格层、金属叉指电极，每组超短周期超晶格层的分子层数不同；超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列；不同的超短周期超晶格层对应沉积不同尺寸、形状及周期的金属纳米颗粒阵列；金属叉指电极设置在超短周期超晶格层上表面，形成肖特基接触。
作为优选，超短周期超晶格层依次叠加生长于衬底上，从下至上的超短周期超晶格层，对应吸收光子能量从低至高。
作为优选，当在上的超短周期超晶格层完全覆盖在下的超短周期超晶格层时，金属纳米颗粒阵列沉积于最上层的超短周期超晶格层的上表面，金属纳米颗粒阵列包括多种不同的金属纳米颗粒，多种金属纳米颗粒错落设置；最上层的超短周期超晶格层的上表面设置金属叉指电极，金属叉指电极为所有超短周期超晶格层的共用电极；
当在上的超短周期超晶格层不完全覆盖在下的超短周期超晶格层时，不同金属纳米颗粒组成的金属纳米颗粒阵列分别沉积于对应的超短周期超晶格层形成裸露的上表面，超短周期超晶格层形成裸露的上表面对应设置有金属叉指电极。
作为优选，当最上层的超短周期超晶格层的上表面设置金属叉指电极，最上层的超短周期超晶格层的生长周期为20～50个；
当金属叉指电极分别设置于超短周期超晶格层形成裸露的上表面，最上层的短周期超晶格层的生长周期为20～200个。
作为优选，金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒为铑颗粒或铝颗粒中的任意一种或两种组合。
作为优选，金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的形状为球形、三角形或多边形中的任意一种；金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的直径为20nm～200nm；金属纳米颗粒阵列的周期为200nm～450nm。
作为优选，金属叉指电极为金、铬/金、镍/金或钛/金组合中的任意一种。
作为优选，衬底为同质衬底或异质衬底。
一种高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底上生长缓冲层；
2)在缓冲层生长至少两层超短周期超晶格层；
3)在超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列：
4)在超短周期超晶格层的上表面制备金属叉指电极，金属叉指电极与超短周期层形成肖特基接触。
作为优选，当最上层的超短周期超晶格层的上表面设置金属叉指电极，步骤3)中，在最上层的超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列，具体如下：
3.1)使用有机丙酮溶剂、乙醇和高纯度去离子水依次超声清洗，并用氮气吹干最上层的超短周期超晶格层的上表面；
3.2)利用自组装模板在最上层的超短周期超晶格层的上表面形成有序图案；
3.3)采用高真空热蒸发技术沉积金属铝薄膜；
3.4)采用机械剥离、热蒸发或者溶液溶解法去除自组装模板，留下有序排列的金属纳米颗粒，得到第一种金属纳米颗粒阵列；
3.5)重复上述步骤3.2)至步骤3.4)，形成第二种金属纳米颗粒阵列，与第一种金属纳米颗粒阵列交错分布，直至得到所有金属纳米颗粒阵列；
或者，当金属叉指电极分别设置于超短周期超晶格层形成裸露的上表面，步骤3)中，在超短周期超晶格层形成裸露的上表面沉积金属纳米颗粒阵列，具体如下：
3.1)使用有机丙酮溶剂、乙醇和高纯度去离子水依次超声清洗，并用氮气吹干超短周期超晶格层的上表面；
3.2)利用电感耦合等离子体技术刻蚀最上层的超短周期超晶格层，露出其下一层的超短周期超晶格层的上表面；
3.3)将不同金属纳米颗粒组成的金属纳米颗粒阵列分别沉积于对应的超短周期超晶格层形成裸露的上表面。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，通过将多组不同尺寸、形状及周期的金属纳米颗粒阵列设置在超短周期超晶格层上，能够针对超短周期超晶格层的特定窄带光吸收进行有效地局域表面等离激元增强，进一步提高对深紫外光的吸收效率，最终改善多波长MSM窄带探测器的响应度和外量子效率。
附图说明
图1是本发明的剖视图；
图2是实施例一的结构示意图；
图3是实施例二的结构示意图；
图中：1是第一超短周期超晶格层，2是第二超短周期超晶格层，3是缓冲层，4是衬底，5是金属纳米颗粒阵列，6是金属叉指电极。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
实施例一
本发明所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，如图1、图2所示，从下至上依次包括衬底4、缓冲层3、至少两组超短周期超晶格层、金属叉指电极6，每组超短周期超晶格层的分子层数不同；超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列5；其中，金属纳米颗粒阵列5的金属纳米颗粒的尺寸、形状及周期可根据实施需求进行调控。不同的超短周期超晶格层对应沉积不同尺寸、形状及周期的金属纳米颗粒阵列5；金属叉指电极6设置在超短周期超晶格层上表面，形成肖特基接触。
超短周期超晶格层依次叠加生长于衬底4上，从下至上的超短周期超晶格层，对应吸收光子能量从低至高；即将吸收波长较短的超短周期超晶格层外延在吸收波长较长的超短周期超晶格层上方，进而，在下的超短周期超晶格层的吸收波长长于在上的超短周期超晶格层的吸收波长，以使从上方入射的深紫外光优先被上方的超短周期超晶格层选择性吸收，其余光子穿透至在下的超短周期超晶格层表面附近被吸收，从而获得多波长集成的窄带探测，实现针对多个深紫外光信号的窄带宽探测。
本实施例中，在上的超短周期超晶格层完全覆盖在下的超短周期超晶格层，金属纳米颗粒阵列5沉积于最上层的超短周期超晶格层的上表面。对应的，金属纳米颗粒阵列5实施为不同金属纳米颗粒错落的错落型金属纳米颗粒阵列5，即，金属纳米颗粒阵列5包括多种不同的金属纳米颗粒，多种金属纳米颗粒错落设置。由于在上的超短周期超晶格层完全覆盖在下的超短周期超晶格层，最上层的超短周期超晶格层的上表面设置金属叉指电极6，金属叉指电极6为所有超短周期超晶格层的共用电极，将金属叉指电极6表面附近吸收产生的光生载流子转换为光电流。本实施例中，最上层的超短周期超晶格层的生长周期为20～50个。
本实施例中，设置两层超短周期超晶格层，即在下的第一超短周期超晶格层1，在上的第二超短周期超晶格层2；错落型金属纳米颗粒阵列5交错分布在第二超短周期超晶格层2的上表面。超短周期超晶格层由氮化镓分子层与氮化铝分子层交替生长形成第I类超晶格。其中，通过控制不同分子层数(阱垒比)的GaN/AlN结构，形成第一超短周期超晶格层1和第二超短周期超晶格层2。第二超短周期超晶格层2的生长周期为20～50个。
所述的金属纳米颗粒阵列5中，金属纳米颗粒先通过已有模板或者自组装模板在超短周期超晶格表面形成有序图案，然后采用高真空热蒸发技术沉积金属薄膜，最后采用机械剥离、热蒸发或者溶液溶解法去除模板，留下有序排列的金属纳米颗粒；金属纳米颗粒周期为200nm-450nm。本实施例中，金属纳米颗粒阵列5的金属纳米颗粒为铑颗粒或铝颗粒中的任意一种或两种组合；金属纳米颗粒的形状为球形、三角形或多边形中的任意一种；金属纳米颗粒的直径为20nm～200nm；金属纳米颗粒阵列5的周期为200nm～450nm。
本实施例中，衬底4为同质衬底4或异质衬底4。当衬底4为同质衬底4时，实施为氮化镓或氮化铝单晶；当衬底4为异质衬底4时，实施为蓝宝石、碳化硅或单晶硅。金属叉指电极6为金、铬/金、镍/金或钛/金组合中的任意一种。
本实施例所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
1)衬底4处理，具体为：
1.1)采用金属有机物气相外延(MOVPE)技术在蓝宝石衬底4上进行外延：在1100℃高温和100Torr反应室压强下，用H2吹扫蓝宝石衬底4，去除表面沾污；
1.2)进行蓝宝石衬底4的氮化：预通入三甲基铝(TMA)使蓝宝石衬底4表面成为富Al表面，再降温至570℃，用高纯度H2作载气，将NH3通入反应腔，达到氮化目的。
2)在衬底4上生长缓冲层3，具体为：升温至800℃，利用H2作载气，通入TMA和NH3外延20nm厚度的AlN低温缓冲层3，再升温至1090℃，在低温缓冲层3上继续外延生长1μm的AlN缓冲层3。
3)在缓冲层3生长至少两层超短周期超晶格层，具体为：在步骤2)基础上继续通入TMA、三甲基镓(TMG)作为III族源，NH3作为V族源外延生长超短周期超晶格层，超短周期超晶格层采用GaN/AlN结构，通过控制气体的流量和生长时间使之形成交替结构，再调控两层超短周期超晶格层的分子层数，形成不同吸收波长的超短周期超晶格层，即第一超短周期超晶格层1、第二超短周期超晶格层2。
4)在超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列5，具体为：
4.1)使用有机丙酮溶剂、乙醇和高纯度去离子水依次超声清洗，并用氮气吹干最上层的超短周期超晶格层的上表面，即第二超短周期超晶格层2的上表面；
4.2)利用自组装模板(自组装聚苯乙烯(PS)球模板技术)在最上层的超短周期超晶格层的上表面形成有序图案；本实施例中，在第二超短周期超晶格层2的上表面形成有序六角阵列图案。
4.3)采用高真空热蒸发技术沉积金属铝薄膜；本实施例中，在真空度为10-5Torr的电子束蒸发系统中沉积厚度为30nm的金属铑薄膜；
4.4)采用机械剥离、热蒸发或者溶液溶解法去除自组装模板，留下有序排列的金属纳米颗粒，得到第一种金属纳米颗粒阵列5，本实施例中，形成有序排列的金属铑纳米颗粒，金属铑纳米颗粒周期为200nm，直径为20nm。
4.5)重复上述步骤4.2)至步骤4.4)，经光刻套刻等步骤，形成第二种金属纳米颗粒阵列5，与第一种金属纳米颗粒阵列5交错分布，直至得到所有金属纳米颗粒阵列5；本实施例中，形成第二种结构的金属铑纳米颗粒阵列5，金属铑纳米颗粒周期为450nm，直径为200nm。
5)在超短周期超晶格层的上表面制备金属叉指电极6，金属叉指电极6与超短周期层形成肖特基接触，具体为：
5.1)对外延片进行标准清洗，依次在丙酮、乙醇及高纯度去离子水中各自超声清洗10分钟；
5.2)采用涂胶、甩胶、前烘、对准和曝光等标准光刻工艺，进行反转烘和泛曝实现图形反转，显影后形成目标图形；
5.3)在真空度为10-5Torr的电子束蒸发系统中，依次沉积厚度为10nm和200nm的钛/金复合金属层；
5.4)使用丙酮溶液浸泡并剥离光刻胶，只保留沉积在叉指电极上的金属；
5.5)在氮气氛围下400℃热退火300s，得到与衬底4形成肖特基接触的金属叉指电极6。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，超短周期超晶格层的设置不同，金属纳米颗粒阵列5的结构不同，金属叉指电极6的结构不同。
如图1、图3所示，本实施例中，在上的超短周期超晶格层不完全覆盖在下的超短周期超晶格层，不同金属纳米颗粒组成的金属纳米颗粒阵列5分别沉积于对应的超短周期超晶格层形成裸露的上表面。对应的，金属纳米颗粒阵列5实施为不同金属纳米颗粒各自独立分布设置的独立型金属纳米颗粒阵列5，即，金属纳米颗粒阵列5包括多种不同的金属纳米颗粒，每种金属纳米颗粒独立分布设置。由于在上的超短周期超晶格层不完全覆盖在下的超短周期超晶格层，最上层的超短周期超晶格层的上表面全部形成裸露，在下的超短周期超晶格层的部分上表面形成裸露，则超短周期超晶格层形成裸露的上表面对应设置有金属叉指电极6，将金属叉指电极6表面附近吸收产生的光生载流子转换为光电流。本实施例中，最上层的短周期超晶格层的生长周期为20～200个。
本实施例中，设置两层超短周期超晶格层，即在下的第一超短周期超晶格层1，在上的第二超短周期超晶格层2；独立型金属纳米颗粒阵列5分别分布在第一超短周期超晶格层1形成裸露的上表面与第二超短周期超晶格层2的上表面。
其他部分与实施例一相同。
本实施例所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
1)衬底4处理，具体为：
1.1)采用金属有机物气相外延(MOVPE)技术在蓝宝石衬底4上进行外延：在1100℃高温和100Torr反应室压强下，用H2吹扫蓝宝石衬底4，去除表面沾污；
1.2)进行蓝宝石衬底4的氮化：预通入三甲基铝(TMA)使蓝宝石衬底4表面成为富Al表面，再降温至570℃，用高纯度H2作载气，将NH3通入反应腔，达到氮化目的。
2)在衬底4上生长缓冲层3，具体为：升温至800℃，利用H2作载气，通入TMA和NH3外延20nm厚度的AlN低温缓冲层3，再升温至1090℃，在低温缓冲层3上继续外延生长1μm的AlN缓冲层3。
3)在缓冲层3生长至少两层超短周期超晶格层，具体为：在步骤2)基础上继续通入TMA、三甲基镓(TMG)作为III族源，NH3作为V族源外延生长超短周期超晶格层，超短周期超晶格层采用GaN/AlN结构，通过控制气体的流量和生长时间使之形成交替结构，再调控两层超短周期超晶格层的分子层数，形成不同吸收波长的超短周期超晶格层，即第一超短周期超晶格层1、第二超短周期超晶格层2。
4)在超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列5，具体为：
4.1)使用有机丙酮溶剂、乙醇和高纯度去离子水依次超声清洗，并用氮气吹干最上层的超短周期超晶格层的上表面，即第二超短周期超晶格层2的上表面；
4.2)利用自组装模板(自组装聚苯乙烯(PS)球模板技术)在最上层的超短周期超晶格层的上表面形成有序图案；本实施例中，在第二超短周期超晶格层2的上表面形成有序六角阵列图案。
4.3)采用高真空热蒸发技术沉积金属铝薄膜；本实施例中，在真空度为10-5Torr的电子束蒸发系统中沉积厚度为30nm的金属铑薄膜；
4.4)采用机械剥离、热蒸发或者溶液溶解法去除自组装模板，留下有序排列的金属纳米颗粒，得到第一种金属纳米颗粒阵列5，本实施例中，形成有序排列的金属铑纳米颗粒，金属铑纳米颗粒周期为200nm，直径为20nm。
4.5)利用电感耦合等离子体技术刻蚀最上层的超短周期超晶格层，露出其下一层的超短周期超晶格层的上表面，具体为：掩膜遮挡外延基片的部分区域，采用电感耦合等离子体(ICP)技术，刻蚀未遮挡区域至一定深度，露出第一超短周期超晶格层1；
4.6)将不同金属纳米颗粒组成的金属纳米颗粒阵列5分别沉积于对应的超短周期超晶格层形成裸露的上表面；本实施例中，在第一超短周期超晶格层1和第二超短周期超晶格层2上分别沉积金属铑纳米颗粒阵列5，其中，金属纳铑米颗粒直径分别为20nm和200nm，阵列周期分别为200nm和450nm。
5)在超短周期超晶格层的上表面制备金属叉指电极6，金属叉指电极6与超短周期层形成肖特基接触，具体为：经光刻、热蒸发及退火等微加工工艺，制作金属叉指电极6，分别设置在第一超短周期超晶格层1和第二超短周期超晶格层2上，经氮气氛围快速退火形成肖特基接触。
6)再通过金属互连将二者集成。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，其特征在于，从下至上依次包括衬底、缓冲层、至少两组超短周期超晶格层、金属叉指电极，每组超短周期超晶格层的分子层数不同；超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列；不同的超短周期超晶格层对应沉积不同尺寸、形状及周期的金属纳米颗粒阵列；金属叉指电极设置在超短周期超晶格层上表面，形成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，其特征在于，超短周期超晶格层依次叠加生长于衬底上，从下至上的超短周期超晶格层，对应吸收光子能量从低至高。
3.根据权利要求1所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，其特征在于，当在上的超短周期超晶格层完全覆盖在下的超短周期超晶格层时，金属纳米颗粒阵列沉积于最上层的超短周期超晶格层的上表面，金属纳米颗粒阵列包括多种不同的金属纳米颗粒，多种金属纳米颗粒错落设置；最上层的超短周期超晶格层的上表面设置金属叉指电极，金属叉指电极为所有超短周期超晶格层的共用电极；
当在上的超短周期超晶格层不完全覆盖在下的超短周期超晶格层时，不同金属纳米颗粒组成的金属纳米颗粒阵列分别沉积于对应的超短周期超晶格层形成裸露的上表面，超短周期超晶格层形成裸露的上表面对应设置有金属叉指电极。
4.根据权利要求3所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，其特征在于，当最上层的超短周期超晶格层的上表面设置金属叉指电极，最上层的超短周期超晶格层的生长周期为20～50个；
当金属叉指电极分别设置于超短周期超晶格层形成裸露的上表面，最上层的短周期超晶格层的生长周期为20～200个。
5.根据权利要求1至3任一项所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，其特征在于，金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒为铑颗粒或铝颗粒中的任意一种或两种组合。
6.根据权利要求1至3任一项所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，其特征在于，金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的形状为球形、三角形或多边形中的任意一种；金属纳米颗粒阵列的金属纳米颗粒的直径为20nm～200nm；金属纳米颗粒阵列的周期为200nm～450nm。
7.根据权利要求1至4任一项所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，其特征在于，金属叉指电极为金、铬/金、镍/金或钛/金组合中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器，其特征在于，衬底为同质衬底或异质衬底。
9.一种权利要求1至8任一项所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底上生长缓冲层；
2)在缓冲层生长至少两层超短周期超晶格层；
3)在超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列；
4)在超短周期超晶格层的上表面制备金属叉指电极，金属叉指电极与超短周期层形成肖特基接触。
10.根据权利要求9所述的高外量子效率的深紫外多波长MSM窄带光电探测器的制备方法，其特征在于，当最上层的超短周期超晶格层的上表面设置金属叉指电极，步骤3)中，在最上层的超短周期超晶格层的上表面沉积金属纳米颗粒阵列，具体如下：
3.1)使用有机丙酮溶剂、乙醇和高纯度去离子水依次超声清洗，并用氮气吹干最上层的超短周期超晶格层的上表面；
3.2)利用自组装模板在最上层的超短周期超晶格层的上表面形成有序图案；
3.3)采用高真空热蒸发技术沉积金属铝薄膜；
3.4)采用机械剥离、热蒸发或者溶液溶解法去除自组装模板，留下有序排列的金属纳米颗粒，得到第一种金属纳米颗粒阵列；
3.5)重复上述步骤3.2)至步骤3.4)，形成第二种金属纳米颗粒阵列，与第一种金属纳米颗粒阵列交错分布，直至得到所有金属纳米颗粒阵列；
或者，当金属叉指电极分别设置于超短周期超晶格层形成裸露的上表面，步骤3)中，在超短周期超晶格层形成裸露的上表面沉积金属纳米颗粒阵列，具体如下：
3.1)使用有机丙酮溶剂、乙醇和高纯度去离子水依次超声清洗，并用氮气吹干超短周期超晶格层的上表面；
3.2)利用电感耦合等离子体技术刻蚀最上层的超短周期超晶格层，露出其下一层的超短周期超晶格层的上表面；
3.3)将不同金属纳米颗粒组成的金属纳米颗粒阵列分别沉积于对应的超短周期超晶格层形成裸露的上表面。
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