CN113451337A - 一种光电探测器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种光电探测器阵列，可用于高质量高分辨率成像领域，包括：多个光电探测器单元，每个光电探测器单元包括晶体三极管及与晶体三极管串联的光电探测器，每行光电探测器单元中的晶体三极管共用栅极及漏极，每列光电探测器单元中的晶体三极管共用源极；其中，光电探测器用于探测光信号；晶体三极管用于控制与其相连的光电探测器的使能状态，以使每个光电探测器单元为相互独立的光电探测器单元。本公开还提供了一种光电探测器阵列的制备方法。
Description
技术领域
本公开涉及光电探测技术领域，具体涉及一种光电探测器阵列及其制备方法。
背景技术
工作在日盲紫外线波段(波长范围在200-280nm)的日盲光电探测器，其由于具有避免太阳辐射和背景干扰小等突出优点，在告警、制导、环境监测和保密通信等领域具有广阔的应用前景。随着半导体技术的不断创新，多种宽禁带无机半导体材料如AlxGa1-xN、ZnxMg1-xO、Ga2O3和金刚石已被开发用于制备日盲光电探测器。氧化镓的禁带宽度高达4.8～5.1eV直接对应日盲波段，其在日盲光电探测器领域具有重要的应用价值。氧化镓基器件在日盲探测方面已经展现了优异的性能，为基于氧化镓材料的日盲成像技术提供了可靠的基础。在不同结构的氧化镓基探测中，MSM结构的光电探测器由于制作简单、易于与读出电路集成以及具有实现高增益和高量子效率的潜力而受到特别的关注。由高响应度的光电探测器作为的传感单元是成像系统的重要组成部分。同时对光电探测器单元的阵列集成技术是将其实际应用于成像系统中关键。
虽然有关于Ga2O3光电探测器阵列的报道，但是由于在成像系统中Ga2O3光电探测器的局限性(串扰)，器件不能实际应用于成像系统。常规的阵列集成设计是在探测器的交叉阵列中的每行探测单元公用同一字线，每列探测器公用同一位线的方式将电极S(源电极)，D(漏电极)串联连接，这种阵列的设计方式虽然可以实现高度集成，但是这种设计方式不可避免的存在着串扰问题，即在外部电路对阵列单元进行数据读取时，被测试单元周围单元的状态对数据读取存在很大的影响，尤其是被测单元处于暗状态，周围单元被照亮时，这种测试误差将是最大的，读取数据甚至与被照射时数据相当。存在的漏电流的路径数目越多，所造成的误读情况将会越严重。因此这种设计方式并不能应用于实际的成像领域。串扰问题是探测器在电路和架构层面面临的重大挑战之一，设计并制备出新型的抗串扰氧化镓阵列使得每一个探测单元具备整流及选择特性来消除串扰导致的误读对高质量日盲成像至关重要。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种光电探测器阵列及其制备方法，采用晶体三极管与探测器串联的方式设计探测器交叉阵列，从而实现探测器的高度集成；通过晶体三极管的引入可以在数据读取时对探测器进行选择，避免探测器阵列的串扰问题，提高对探测单元数据读取的精确性，使得这种高度集成抗串扰阵列的设计可以应用于高质量的日盲成像。
本公开的第一个方面提供了一种光电探测器阵列，包括：多个光电探测器单元，每个光电探测器单元包括晶体三极管及与晶体三极管串联的光电探测器，每行光电探测器单元中的晶体三极管共用栅极及漏极，每列光电探测器单元中的晶体三极管共用源极；其中，光电探测器用于探测光信号；晶体三极管用于控制与其相连的光电探测器的使能状态，以使每个光电探测器单元为相互独立的光电探测器单元。
进一步地，每个光电探测器包括氧化镓层及位于所述氧化镓层上的叉指电极对，其中，每个光电探测器的第一叉指电极及第二叉指电极分别与其对应的晶体三极管及晶体三极管的漏极相连。
进一步地，每个光电探测器单元平行且等间距分布。
进一步地，栅极与漏极平行分布，源极与栅极及漏极垂直分布，且垂直接触处通过电极绝缘层隔离。
进一步地，氧化镓层为方形结构或圆形结构或多边形结构。
本公开的第二个方面提供了一种光电探测器阵列的制备方法，包括：S1，在衬底上生长探测器材料层，并刻蚀形成探测器材料层阵列；S2，在所述探测器材料层阵列间横向沉积栅极及漏极；S3，在所述S2中得到的晶片上生长氧化层，并刻蚀所述氧化层形成晶体管介质层；S4，在所述晶体管介质层上生长铟镓锌氧化物层并图形化形成晶体管沟道层；S5，在所述晶体管沟道层一侧且所述栅极及所述漏极上生长电极绝缘层；S6，在所述氧化镓层阵列间且所述电极绝缘层上纵向沉积源极，并在所述探测器阵列上生长叉指电极及连接所述探测器阵列及所述晶体管介质层的电极导线。
进一步地，该方法还包括：S7，在S6中得到的晶片上生长钝化层；S8，在晶体管沟道层对应的钝化层上生长遮光层。
进一步地，S1中采用射频磁控溅射法或金属有机物化学气相法或分子束外延法或原子层沉积法在所述衬底上生长氧化镓层。
进一步地，S1中采用干法刻蚀或湿法刻蚀对所述氧化镓层进行刻蚀，得到图形化的氧化镓层阵列。
进一步地，S5中采用原子层沉积法在所述晶体管沟道层一侧且所述栅极上生长电极绝缘层，并采用反应离子束刻蚀法刻蚀所述电极绝缘层使其图形化。
本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：
(1)、通过本公开中的设计方案制备的探测器可以实现高度集成的同时，避免了串扰问题，使得高度集成的探测器阵列具有高的分辨率，可以用于高质量高分辨率成像。
(2)、通过引入晶体三极管作为探测单元的开关器件，可以精确地选择要被读取的探测器，避免串扰问题实现对器件数据的精确读取，在对某一探测单元进行数据读取时，与之串联的晶体三极管呈开启状态可读取该探测器数据，而其它探测单元(不同栅线)的晶体三极管保持关闭状态，从而避免了串扰问题，实现对探测器阵列数据的精确读取。
(3)、对器件进行隔离(氧化镓的图形化)从而降低导线及相邻器件对数据读取时产生的误差。
(4)、晶体三极管与探测器的同时制作，大大降低了工艺的复杂性，本公开没有将探测器和晶体三极管的制作分开，而是通过优化工艺，同时制作，避免了重复的工艺，大大减少了工艺的复杂性。
(5)、对器件进行钝化处理，保证器件的稳定性，晶体三极管与探测器制作完成后通过钝化技术，将器件表面缺陷钝化，尤其是氧化镓表面在经过多次的刻蚀处理后表面缺陷增多，有效的钝化处理减少了氧化镓的表面缺陷，提升器件的稳定性。
(6)、对晶体三极管进行遮光处理，避免长时间紫外光照时，晶体三极管的栅极调控性能减弱，IGZO材料对日盲紫外光敏感，光照会改变沟道的载流子浓度，遮光处理避免紫外光对晶体三极管的影响。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器阵列的俯视图；
图2示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器阵列的左视图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器阵列的制备方法的流程图；
图4A～4J分别示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器阵列的制备方法对应的晶片结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
图1和2示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器阵列的俯视图及左视图。
如图1和2所示，本公开实施例的光电探测器阵列，包括：
多个光电探测器单元，每个光电探测器单元包括晶体三极管101及与晶体三极管101串联的光电探测器102，每行光电探测器单元中的晶体三极管101共用栅极3及漏极4，每列光电探测器单元中的晶体三极管101共用源极9。
其中，每个光电探测器102用于探测光信号，每个晶体三极管101用于控制与其相连的光电探测器102的使能状态，以使每个光电探测器单元为相互独立的光电探测器单元。
本公开的实施例中，如图1和2所示，每个光电探测器102包括氧化镓层2及位于氧化镓层2上的叉指电极对10，叉指电极对10包括第一叉指电极及第二叉指电极；其中，每个光电探测器102的第一叉指电极及第二叉指电极分别与其对应的晶体三极管101及晶体三极管101的漏极4通过电极导线8相连，及晶体三极管101的另一端与源极9通过电极导线8相连。
其中，如图2所示，每个光电探测器单元上方还设置有钝化层11及遮光层12，其中，遮光层12设置于每个晶体三极管101上方对应的钝化层11上，用于遮挡光照，避免外界光源对晶体三极管101的影响。本公开的实施例中，该光电探测器阵列的制备方法及组成成分由本公开关于制备方法的另一实施例详细表述，此处不再赘述。
如图1所示，每个光电探测器单元中的晶体三极管101及光电探测器102与其他光电探测器单元中的晶体三极管及光电探测器相互平行且等间距分布，其中，栅极3与漏极4也相互平行分布，源极9与栅极3及漏极4均垂直分布，且垂直接触处通过电极绝缘层7隔离，避免源极9、栅极3及漏极4间相互短路。如图1所示的每个光电探测器中的氧化镓层2为方形结构，在其他一些实施例中，其还可以为圆形结构或多边形结构等等，本公开的实施例对光电探测器的材料层结构不做限定。
本公开的实施例提供的一种光电探测器阵列，通过引入晶体三极管作为光电探测器单元的开关器件，可以精确地选择要被读取的光电探测器，避免串扰问题实现对光电探测器数据的精确读取，在对某一探测单元进行数据读取时，与之串联的晶体三极管呈开启状态可读取该探测器数据，而其它探测单元(不同栅线)的晶体三极管保持关闭状态，从而避免了串扰问题，实现对探测器阵列数据的精确读取，该阵列器件具有高度集成、高分辨率特性，可以用于高质量高分辨率成像。
图3示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器阵列的制备方法的流程图。
如图3所示，该光电探测器阵列的制备方法包括：
S1，在衬底1上生长探测器材料层2，并刻蚀形成探测器材料层阵列。
本公开的实施例中，衬底1可以为不同晶面的蓝宝石衬底或硅衬底或石英衬底等，探测器材料层2可以为氧化镓层等。
如图4A所示，4A(a)和4A(b)分别为生长探测器材料层2后得到的晶片的左视图和俯视图，需说明的是，下述附图4B～图4J中图(a)均为经过相应步骤处理后得到的晶片的左视图，图(b)均为经过相应步骤处理后得到的晶片的俯视图，下述步骤中不再说明。以在蓝宝石衬底1(Al2O3)上生长氧化镓层2为例，具体地，采用射频磁控溅射法或金属有机物化学气相法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)或原子层沉积法(ALD)在蓝宝石衬底1生长氧化镓层2，该生长氧化镓层2层厚优选5～500nm。
本公开的实施例中，该氧化镓层2包括不同晶向的氧化镓及经过掺杂的氧化镓材料，掺杂浓度为1×10161×1020cm-3，掺杂元素包括但不仅限于硅或锗或锡或铝或氮或镁等，形成单晶或多晶或非晶氧化镓材料层。需说明的是，该探测器材料层除了可以为氧化镓层外，还可以为任意波段的光电材料和其它宽带隙半导体材料，如GaN、AlN、ZnO等。
如图4B所示，采用干法刻蚀或湿法刻蚀对氧化镓层2进行刻蚀，如采用等离子体刻蚀工艺(BCl3和Ar)对氧化镓层进行刻蚀，刻蚀设备包括：等离子体刻蚀(ICP)和反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀气体包括但不仅限于BCl3及Ar，以使得到图形化的氧化镓层阵列。由图4B可见，氧化镓层阵列中每个氧化镓层单元平行且等间距的分布，该形状为方形结构，在其他一些实施例中，该形状包括但不仅限于圆形结构或多边形结构等，本公开对氧化镓层阵列中每个氧化镓层单元的形状不做限定。
具体地，当采用BCl3气体进行刻蚀时，其浓度优选1-50sccm，刻蚀速率：90～95nm/min；当采用Ar气体进行刻蚀时，其浓度优选1-20sccm，刻蚀速率：90～95nm/min。
S2，在探测器材料层阵列间横向沉积栅极3及漏极4。
本公开的实施例中，如图4C所示，在氧化镓层阵列间沉积栅极3及漏极4，由图4C可见，栅极3及漏极4分别位于氧化镓层阵列中每行氧化镓层单元的上下侧，均为长条形且相互平行分布。
具体地，采用标准光刻工艺及电子束蒸发沉积金属钛/金，钛/金层厚分别为20nm/80nm，栅极3及漏极4层厚范围在500nm以内。需说明的是，还可以沉积其他金属得到电极层，如Ti、Ni、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Cr、Pb等。
S3，在S2中得到的晶片上生长氧化层5，并刻蚀氧化层形成晶体管介质层。
本公开的实施例中，如图4D所示，采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)在S2中得到的晶片上生长氧化层5，该氧化层5包括但不仅限于二氧化硅、氧化铝等，氧化层层厚优选10～500nm。
本公开的实施例中，如图4E所示，采用反应离子束刻蚀氧化层5使其图形化，即仅在栅极3上形成氧化层5作为晶体管介质层。具体地，可采用N2O或混合气5％SiH4/N2进行刻蚀，其中，N2O气体流量范围优选100～2000sccm，混合气5％SiH4/N2气体流量范围优选10～1000sccm。
S4，在晶体管介质层上生长铟镓锌氧化物层6并图形化形成晶体管沟道层。
本公开的实施例中，如图4F所示，采取标准的光刻工艺后通过射频磁控溅射的方式在晶体管介质层上生长铟镓锌氧化物层6(IGZO)，并采用金属剥离工艺法(lift-off)对其图形化，形成晶体管沟道层。其中，铟镓锌氧化物层6的层厚优选10～500nm。
需说明的是，晶体管介质层不仅可以是IGZO背栅型，其还可以为顶栅型，其构成材料也可以为其他的晶体管材料实现，如ZnO、GaN等。
S5，在晶体管沟道层一侧且栅极3及漏极4上生长电极绝缘层7。
本公开的实施例中，如图4G所示，为防止阵列栅极3、漏极4与源极9之间的短路，采用ALD沉积电极绝缘层Al2O3，以及采用反应离子束刻蚀Al2O3使其图形化，电极绝缘层层厚优选1～1000nm，电极绝缘层包括但不仅限于Al2O3、SiO2、SI3N4等等。
S6，在探测器材料层阵列间且电极绝缘层7上纵向沉积源极9，并在探测器材料层阵列上生长叉指电极10及连接探测器材料层阵列及晶体管介质层的电极导线8。
本公开的实施例中，如图4H所示，采用标准的光刻工艺及电子束蒸发镀膜生长金属钛/金，层厚分别为20nm/80nm，源极9、叉指电极10及电极导线8的层厚范围优选500nm以内。由图4H可见，在探测器材料层阵列的左右两侧且电极绝缘层7上纵向采用电子束蒸发镀膜生长源极9，并在探测器材料层阵列上生长叉指电极10，以及探测器材料层阵列及晶体管介质层的电极导线8，以使探测器材料层阵列与晶体三极管一一对应串联，其中，叉指电极10的一叉指电极与晶体三极管的漏极4通过电极导线8相连，叉指电极10的另一叉指电极与晶体三极管通过电极导线8相连，晶体三极管另一端与源极9也通过电极导线8相连。
本公开的实施例中，该光电探测器阵列结构全部制备结束，为了进一步优化器件结构，防止外界环境、外界光源对光电探测器阵列的影响，如图3所示，该方法还包括：S7～S8。
S7，在S6中得到的晶片上生长钝化层11。
本公开的实施例中，如图4I所示，在S6中得到的晶片上采用ALD法生长钝化层11，该钝化层11包括但不仅限于氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化铝、氮化硅等，层厚优选5～500nm。
S8，在晶体管沟道层6对应的钝化层11上生长遮光层12。
本公开的实施例中，如图4J所示，为了防止紫外光照射到晶体三极管上，避免不能实现晶体三极管的良好开与关的作用，在晶体管沟道层6对应的钝化层11上采用标准光刻工艺及电子束蒸发沉积遮光层12，该遮光层12由金属钛/金构成，金属钛/金的层厚分别为20nm/80nm，层厚范围在500nm以内，其中，沉积的金属包括但不仅限于Ti、Ni、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Cr、Pb等，遮光层12的设置可保证器件工作时高的稳定性。
由图4A-4J所示，晶体三极管包括：栅极3、漏极4、源极9、氧化层5及晶体管沟道层6，光电探测器包括：氧化镓层2及叉指电极10。其中，由图4J所示，每个晶体三极管和与其对应的光电探测器采用串联的方式连接，阵列中每一行光电探测器的一端被漏极4串联，光电探测器的另一端与晶体三极管串联，然后每列晶体三极管通过源极9串联连接，且相互间连接均通过电极导线8连接，这种集成方式避免了外部电路对探测器读数时的误差，保证对每个光电探测器单元的精确读数，解决了串扰问题。
需说明的是，本公开的实施例中上述步骤中采用的工艺方法、材料仅为示例性的说明，并不代表上述半导体层仅通过上述方法生长得到，例如还可以使用其他的薄膜生长方法如MOCVD、MBE、PLD等也可能得到高质量的氧化镓外延薄膜；使用其他的金属如镍、金等也可以作为电极及电极导线材料；可使用其他的绝缘材料如SiO2也可以作为电极隔离线氧化层等；使用其他的类型晶体管也可以用于氧化镓探测器集成避免串扰问题；使用其他的衬底如硅基衬底、石英衬底也可以用作实验衬底；使用其他的探测材料也可以进行其它波段的探测等等。
本公开的实施例公开了一种光电探测器阵列及其制备方法，可以实现高度集成的同时，避免了串扰问题，使得高度集成的探测器阵列具有高的分辨率，可以用于高质量高分辨率成像；通过引入晶体三极管作为探测单元的开关器件，可以精确地选择要被读取的探测器，避免串扰问题实现对器件数据的精确读取，在对某一探测单元进行数据读取时，与之串联的晶体三极管呈开启状态可读取该探测器数据，而其它探测单元(不同栅线)的晶体三极管保持关闭状态，从而避免了串扰问题，实现对探测器阵列数据的精确读取；对器件进行隔离(氧化镓的图形化)从而降低导线及相邻器件对数据读取时产生的误差；晶体三极管与探测器的同时制作，大大降低了工艺的复杂性，本公开没有将探测器和晶体三极管的制作分开，而是通过优化工艺，同时制作，避免了重复的工艺，大大减少了工艺的复杂性；对器件进行钝化处理，保证器件的稳定性，晶体三极管与探测器制作完成后通过钝化技术，将器件表面缺陷钝化，尤其是氧化镓表面在经过多次的刻蚀处理后表面缺陷增多，有效的钝化处理减少了氧化镓的表面缺陷，提升器件的稳定性；对晶体三极管进行遮光处理，避免长时间紫外光照时，晶体三极管的栅极调控性能减弱，IGZO材料对日盲紫外光敏感，光照会改变沟道的载流子浓度，遮光处理避免紫外光对晶体三极管的影响。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种光电探测器阵列，其特征在于，包括：
多个光电探测器单元，每个光电探测器单元包括晶体三极管及与所述晶体三极管串联的光电探测器，每行光电探测器单元中的晶体三极管共用栅极及漏极，每列光电探测器单元中的晶体三极管共用源极；其中，
所述光电探测器用于探测光信号；所述晶体三极管用于控制与其相连的光电探测器的使能状态，以使每个光电探测器单元为相互独立的光电探测器单元。
2.根据权利要求1所述的光电探测器阵列，其特征在于，每个光电探测器包括氧化镓层及位于所述氧化镓层上的叉指电极对，其中，每个光电探测器的第一叉指电极及第二叉指电极分别与其对应的晶体三极管及晶体三极管的漏极相连。
3.根据权利要求1所述的光电探测器阵列，其特征在于，每个光电探测器单元平行且等间距分布。
4.根据权利要求1所述的光电探测器阵列，其特征在于，所述栅极与所述漏极平行分布，所述源极与所述栅极及所述漏极垂直分布，且垂直接触处通过电极绝缘层隔离。
5.根据权利要求2所述的光电探测器阵列，其特征在于，所述氧化镓层为方形结构或圆形结构或多边形结构。
6.一种光电探测器阵列的制备方法，其特征在于，包括：
S1，在衬底上生长探测器材料层，并刻蚀形成探测器材料层阵列；
S2，在所述探测器材料层阵列间横向沉积栅极及漏极；
S3，在所述S2中得到的晶片上生长氧化层，并刻蚀所述氧化层形成晶体管介质层；
S4，在所述晶体管介质层上生长铟镓锌氧化物层并图形化形成晶体管沟道层；
S5，在晶体管沟道层一侧且栅极及漏极上生长电极绝缘层；
S6，在所述探测器材料层阵列间且所述电极绝缘层上纵向沉积源极，并在所述探测器材料层阵列上生长叉指电极及连接所述探测器材料层阵列及所述晶体管介质层的电极导线。
7.根据权利要求6所述的光电探测器阵列的制备方法，其特征在于，该方法还包括：
S7，在所述S6中得到的晶片上生长钝化层；
S8，在所述晶体管沟道层对应的钝化层上生长遮光层。
8.根据权利要求6所述的光电探测器阵列的制备方法，其特征在于，所述S1中采用射频磁控溅射法或金属有机物化学气相法或分子束外延法或原子层沉积法在所述衬底上生长氧化镓层。
9.根据权利要求8所述的光电探测器阵列的制备方法，其特征在于，所述S1中采用干法刻蚀或湿法刻蚀对所述氧化镓层进行刻蚀，得到图形化的氧化镓层阵列。
10.根据权利要求6所述的光电探测器阵列的制备方法，其特征在于，所述S5中采用原子层沉积法在所述晶体管沟道层一侧且所述栅极上生长电极绝缘层，并采用反应离子束刻蚀法刻蚀所述电极绝缘层使其图形化。
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