CN112447869A - 双色光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种双色光电探测器及其制备方法，所述双色光电探测器包括衬底、位于衬底上的pn异质结、及位于pn异质结上的电极，所述pn异质结包括位于衬底上的n型半导体层及位于n型半导体层上的p型半导体层，所述电极包括与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极，n型半导体层和p型半导体层通过范德华力形成pn异质结。本发明的双色光电探测器采用n型材料和p型材料通过范德华力形成pn异质结，优选地采用BP二维材料和β‑Ga2O3材料通过范德华力形成BP/β‑Ga2O3异质结，p型的BP材料进行中红外探测，n型的β‑Ga2O3材料进行日盲紫外探测，该器件具有制备成本低廉、工艺简单和性能优越等优点，满足在红外、紫外探测技术领域的迫切需求。
Description
技术领域
本发明属于光电信息技术领域，具体涉及一种双色光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电信息的研究与应用是电子信息、光学、半导体技术等领域的重要组成部分，而光电探测器则是人类利用光电信息的基础，尤其红外探测器和紫外探测器，已被广泛应用于军事和民用等各个方面。
红外探测器的应用为人们的日常生活带来了极大的便捷，最为常见的就是红外感应，例如感应水龙头、感应门和感应灯等等，除此之外还有红外夜视/成像、红外搜索与跟踪、红外精确制导、遥感资源调查、矿产资源勘探、航空探测、环境监测、气象卫星、无损探伤、气体分析、煤矿井下测温及隐蔽火源探测等其他应用。
中波长红外线(3～5μm)以及长波长红外线(8～15μm)是大气窗口和“热成像”的重要波段，目前主要利用InGaAs、AlAsSb、GaSb、InSb、InAsSb、HgCdTe等材料结合量子阱、超晶格、量子点等结构实现红外探测，但此类探测器的材料外延生长难度大，器件工作需要低温制冷、集成度低等，实现多光谱探测短期内更是难以突破。
紫外探测器除了紫外通讯、生化分析和早期导弹预警等相关军事领域的应用外，在皮肤病变细节诊断、癌细胞检测、微生物检测和白血球检测等医学和生物医学方面，以及火灾探测、臭氧监测、海上油监、公安侦察及天文观测、紫外消毒、紫外固化和聚合、光谱分析及粒子探测等方面也有着非常重要的应用。
日盲紫外波段(200～280nm)的天然优势，使得对其探测器的研究一直是关注焦点，宽带隙半导体材料—氧化镓(Ga2O3)禁带宽度高达4.2～5.2eV，正好能够响应此波段，且成本低、物理化学性质稳定，而成为近几年研究热点。
目前，探测器研究正朝着多谱段、高灵敏、高分辨率、低功耗、小型化、集成化和智能化的方向发展，但由于不同光敏材料的兼容性问题，极具应用潜力的集成红外-紫外双色探测器目前有待研究。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种双色光电探测器及其制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双色光电探测器及其制备方法，以实现红外、紫外的双色探测。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种双色光电探测器，所述双色光电探测器包括衬底、位于衬底上的pn异质结、及位于pn异质结上的电极，所述pn异质结包括位于衬底上的n型半导体层及位于n型半导体层上的p型半导体层，所述电极包括与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极，n型半导体层和p型半导体层通过范德华力形成pn异质结。
一实施例中，所述n型半导体层的材料为β晶相的Ga2O3，p型半导体层的材料为黑磷，优选地，所述黑磷中掺杂有砷元素。
一实施例中，所述n型半导体层上部分区域设有介质层，所述第二电极设于p型半导体层及介质层上。
一实施例中，所述介质层为SiO2、Si3N4、Al2O3中的一种或多种。
一实施例中，所述pn异质结上设有钝化层，所述第一电极和第二电极至少部分从钝化层中露出。
一实施例中，所述第一电极和第二电极为相互交叉设置的叉指电极。
一实施例中，所述衬底为蓝宝石、硅、或碳化硅中的一种。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种双色光电探测器的制备方法，所述制备方法包括：
提供衬底；
在衬底上外延生长n型材料，形成n型半导体层；
在n型半导体层上外延生长介质层；
刻蚀部分介质层至n型半导体层，并将p型材料定向转移至刻蚀区域，形成pn异质结；
在pn异质结上沉积与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极。
一实施例中，所述n型材料为β晶相的Ga2O3，p型材料为黑磷，β晶相的Ga2O3和黑磷通过范德华力形成pn异质结。
一实施例中，“在pn异质结上形成与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极”步骤具体为：
通过掩膜刻蚀部分介质层直至n型半导体层，形成叉指状刻蚀区域；
在叉指状刻蚀区域上沉积叉指状的第一电极；
在p型半导体层上沉积叉指状的第二电极。
与现有技术相比，本发明中具有以下有益效果：
本发明的双色光电探测器采用n型材料和p型材料通过范德华力形成pn异质结，优选地采用BP二维材料和β-Ga2O3材料通过范德华力形成BP/β-Ga2O3异质结，p型的BP材料进行中红外探测，n型的β-Ga2O3材料进行日盲紫外探测，该器件具有制备成本低廉、工艺简单和性能优越等优点，满足在红外、紫外探测技术领域的迫切需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施例中双色光电探测器的剖视结构示意图；
图2为本发明一具体实施例中双色光电探测器的平面结构示意图；
图3a至图7a为本发明一具体实施例中双色光电探测器制备方法的剖视结构工艺流程图；
图3b至图7b为本发明一具体实施例中双色光电探测器制备方法的平面结构工艺流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明公开了一种双色光电探测器，包括衬底、位于衬底上的pn异质结、及位于pn异质结上的电极，pn异质结包括位于衬底上的n型半导体层及位于n型半导体层上的p型半导体层，电极包括与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极，n型半导体层和p型半导体层通过范德华力形成pn异质结。
本发明还公开了一种双色光电探测器的制备方法，包括：
提供衬底；
在衬底上外延生长n型材料，形成n型半导体层；
在n型半导体层上外延生长介质层；
刻蚀部分介质层至n型半导体层，并将p型材料定向转移至刻蚀区域，形成pn异质结；
在pn异质结上沉积与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参图1、图2所示，本发明一具体实施例中的双色光电探测器，包括衬底10、位于衬底上的pn异质结、及位于pn异质结上的电极，pn异质结包括位于衬底上的n型半导体层20及位于n型半导体层上的p型半导体层40，电极包括与n型半导体层20电连接的第一电极51及与p型半导体层40电连接的第二电极52，n型半导体层的材料为β晶相的Ga2O3，p型半导体层的材料为黑磷，n型半导体层20和p型半导体层40通过范德华力形成pn异质结。另外，n型半导体层20上部分区域设有介质层30，第二电极52设于p型半导体层40及介质层30上。
本实施例中的衬底可以选用蓝宝石衬底、硅衬底、或碳化硅衬底等，介质层为SiO2、Si3N4、Al2O3等中的一种或多种。
进一步地，本实施例中pn异质结上设有钝化层60，第一电极51和第二电极52至少部分从钝化层60中露出。
优选地，本实施例中第一电极51和第二电极52为相互交叉设置的叉指电极。
相较于第三代半导体材料，超宽带隙氧化物半导体—氧化镓(Ga2O3)，具有更大禁带宽度、更高的击穿场强、透明导电、可以通过熔体法生长、成本更低等优点，而成为半导体材料及器件等领域的研究热点。
Ga2O3材料共有α、β、γ、δ、ε五种已知的晶相，其中β-Ga2O3结构最为稳定并能和其他四种氧化镓之间互相转化。β-Ga2O3单晶材料是制备出高性能紫外探测器首选材料，但制备β-Ga2O3单晶材料十分困难且价格昂贵。在应用方面，β-Ga2O3的临界场强是Si的20余倍，是GaN和SiC的2倍多，在大功率、高电压设备上应用潜力巨大；另外，作为日盲紫外探测材料，Ga2O3相比于AlGaN、MgZnO和金刚石等材料优势更为明显。
本实施例中的β-Ga2O3材料可以通过CVD、MOCVD、LPCVD、MBE等设备生长于同质衬底或异质衬底之上。
BP(黑磷)材料具有直接带隙特征不依赖层数，且禁带宽度(1.51eV～0.3eV)随厚度在很大一个范围可调，覆盖了从可见光到中红外光的波段，以及高迁移率、异质集成等特性，是极具应用前景的高响应度、高频率响应和宽响应谱光电探测材料，在光电子器件领域具有极大的研究价值和发展潜力；更为重要的是，在BP中掺入同族元素砷，可以进一步将禁带宽度调小至0.15eV，使得黑砷磷(B-AsP)在中远波红外(～8μm)光电探测方面的具有重要发展前景。
BP是天然p型半导体，这与n型的β-Ga2O3材料互补，而BP二维材料不需要考虑晶格匹配、兼容性好，可以通过范德华力形成pn结，容易制备出二维异质结器件，从而获得独特的性能。
本发明中的BP材料可以是自支撑的，也可以是在金属衬底或半导体材料衬底上，衬底包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓、金刚石等。
BP材料的制备方法可以为机械球磨法、高压法、矿化法、铋熔化法、化学气相输运法等，上述方法均为现有技术，此处不再进行赘述。
本实施例中的探测器采用自下而上的欧姆接触金属-异质结-金属结构，p型的少层BP进行中红外探测，n型的β-Ga2O3材料进行紫外探测，二者相互作用形成基于BP/β-Ga2O3异质结的中红外-日盲紫外双色探测器。
本实施例中的中红外-日盲紫外双色探测器的异质集成方法具体如下：
以材料生长为基础，采用自下而上工艺制备β-Ga2O3与多层BP异质结合的双色探测器。在双面抛光蓝宝石衬底的n型β-Ga2O3上面转移放置少层BP单晶薄片使其形成pn异质结构，再进行叉指电极等工艺，并利用原子层沉积介质膜等方法提高BP材料稳定性。
完成基本器件制备流程后，当光源从正面自上而下入射时，BP会影响底层的β-Ga2O3探测性能。由于蓝宝石衬底材料的光学、高温、高强度特性(被广泛应用与微波通讯、红外线探测、轨道飞行器光学窗口等)，将采用倒装结构，从背面入射进行紫外-红外双色光源探测。采用导热硅胶等把BP材料置于底层，使其与氧气和水气隔绝，不被降解，此倒装结构还保证器件稳定性、提高器件的散热性能，综合提高双色探测器件的光电响应特性。
在液相、手套箱中或真空互联设备中进行BP二维材料定向转移，即充分利用范德华力优势，使BP与β-Ga2O3形成异质结构，得到双色探测器异质集成。
另外，设计不同的叉指金属电极种类/厚度、金属周期、占空比对探测器在中红外波段和日盲紫外波段光电特性影响。
具体地，本实施例中双色光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
参图3a、3b所示，首先提供衬底10，在衬底上外延生长β晶相的Ga2O3，形成n型半导体层20；而后在n型半导体层上外延生长介质层30。
参图4a、4b所示，刻蚀部分介质层至n型半导体层20，形成叉指状的刻蚀区域。
参图5a、5b所示，将p型的黑磷定向转移至叉指状的刻蚀区域形成p型半导体层40，黑磷和β晶相的Ga2O3通过范德华力形成BP/β-Ga2O3异质结；
参图6a、6b所示，通过掩膜刻蚀部分介质层30直至n型半导体层20，形成叉指状的刻蚀区域。
参图7a、7b所示，在叉指状刻蚀的区域上沉积叉指状的第一电极51，在p型半导体层40上沉积叉指状的第二电极52。
最后在pn异质结和电极上方生长钝化层60，并通过掩膜刻蚀至少露出部分第一电极51和第二电极52，最终的探测器结构参图1所示。
根据光电探测器的工作原理，可以分为光导型探测器和光伏型探测器两大类，而基于半导体光生伏特效应的光伏型探测器具有暗电流小、开关电流比高、响应度高、响应速度快等天然优势，其最为核心的部分即为pn结。
在理论方面，对于光伏型半导体光电探测器件来讲，pn结构极其重要。一般是通过材料生长在p型或n型半导体材料上直接生长另一种n型或p型材料，而二维材料不需要考虑晶格匹配，可以通过范德华力形成pn结。因此，基于p型少层BP二维材料和n型β-Ga2O3薄膜材料可构建pn异质结构，进而实现中红外-日盲紫外双色集成探测器的制备。
利用BP和β-Ga2O3薄膜各自在红外和紫外探测中特有的优势，少层BP二维材料可以通过范德华力与β-Ga2O3薄膜材料形成pn异质结。因此，基于p型少层BP二维材料和n型β-Ga2O3薄膜材料可构建pn异质结构，制备成本低廉、工艺简单和性能优越的BP-β-Ga2O3红外-日盲紫外双色集成探测器。
利用蓝宝石材料优异的晶体和光学特性，在器件制备中以其为衬底自下而上进行器件工艺和封装；在器件测试时以其为入射窗口可以有效的保证器件稳定性；采用导热硅胶等把BP材料置于底层，使其与氧气和水气隔绝，不被降解；另外此异质集成结构还可以提高器件的散热性能，综合提高双色探测器件的光电响应特性。
除了材料自身因素的影响，器件结构与制备工艺也是影响性能优异的双色集成探测器成功制备的重要方面。在器件集成过程中以双面抛光β-Ga2O3/蓝宝石为衬底，通过微纳加工技术进行BP材料转移，得到接触优良的BP/β-Ga2O3 pn异质结构，并利用蓝宝石材料的光学与物理特性，将此双色探测器倒装，光源从背面入射，在同一个光学系统中，同时响应红外和紫外双波段的探测，并实现性能优异的BP/β-Ga2O3双色集成器件的突破。
应当理解的是，上述具体实施例中n型材料和p型材料以β-Ga2O3材料和BP二维材料为例进行说明，在其他实施例中并不限于上述实施例中的材料，也可以采用其他种类的n型材料和p型材料，同样可以实现红外、紫外的双色探测。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明的双色光电探测器采用n型材料和p型材料通过范德华力形成pn异质结，优选地采用BP二维材料和β-Ga2O3材料通过范德华力形成BP/β-Ga2O3异质结，p型的BP材料进行中红外探测，n型的β-Ga2O3材料进行日盲紫外探测，该器件具有制备成本低廉、工艺简单和性能优越等优点，满足在红外、紫外探测技术领域的迫切需求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种双色光电探测器，其特征在于，所述双色光电探测器包括衬底、位于衬底上的pn异质结、及位于pn异质结上的电极，所述pn异质结包括位于衬底上的n型半导体层及位于n型半导体层上的p型半导体层，所述电极包括与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极，n型半导体层和p型半导体层通过范德华力形成pn异质结。
2.根据权利要求1所述的双色光电探测器，其特征在于，所述n型半导体层的材料为β晶相的Ga2O3，p型半导体层的材料为黑磷，优选地，所述黑磷中掺杂有砷元素。
3.根据权利要求1所述的双色光电探测器，其特征在于，所述n型半导体层上部分区域设有介质层，所述第二电极设于p型半导体层及介质层上。
4.根据权利要求3所述的双色光电探测器，其特征在于，所述介质层为SiO2、Si3N4、Al2O3中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的双色光电探测器，其特征在于，所述pn异质结上设有钝化层，所述第一电极和第二电极至少部分从钝化层中露出。
6.根据权利要求1所述的双色光电探测器，其特征在于，所述第一电极和第二电极为相互交叉设置的叉指电极。
7.根据权利要求1所述的双色光电探测器，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、硅、或碳化硅中的一种。
8.一种双色光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供衬底；
在衬底上外延生长n型材料，形成n型半导体层；
在n型半导体层上外延生长介质层；
刻蚀部分介质层至n型半导体层，并将p型材料定向转移至刻蚀区域，形成pn异质结；
在pn异质结上沉积与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述n型材料为β晶相的Ga2O3，p型材料为黑磷，β晶相的Ga2O3和黑磷通过范德华力形成pn异质结。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，“在pn异质结上形成与n型半导体层电连接的第一电极及与p型半导体层电连接的第二电极”步骤具体为：
通过掩膜刻蚀部分介质层直至n型半导体层，形成叉指状刻蚀区域；
在叉指状刻蚀区域上沉积叉指状的第一电极；
在p型半导体层上沉积叉指状的第二电极。
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