CN113948605A - 一种基于砷化镉异质结的光电探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于砷化镉异质结的光电探测器及其制备方法，光电探测器包括衬底以及设置在衬底上的砷化镉异质结光电探测层，砷化镉异质结光电探测层上设有与砷化镉异质结光电探测层相连的中心电极，衬底上设有与衬底相连的弧形电极，弧形电极位于中心电极的外侧，并与中心电极相适配。与现有技术相比，本发明中光电探测器的制备工艺流程短，不容易损伤异质结结构，特有的弧形电极结构能有效提高载流子收集效率，从而提高器件整体的光电响应。

Description

一种基于砷化镉异质结的光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，涉及一种基于砷化镉异质结的光电探测器及其制备方法。

背景技术

砷化镉是一种新型拓扑狄拉克材料，其相关拓扑理论获得2016年诺贝尔物理学奖。其能带结构具有无能隙、电子有效质量为零的线性色散关系，具有进行中远红外光电探测的潜力。

近年来，砷化镉薄膜的外延生长技术已取得突破性进展，目前已实现2英寸砷化镉单晶薄膜的分子束外延生长，因此，基于砷化镉薄膜的大面积光电探测阵列因而成为可能。然而，原有的光电探测器都是在砷化镉薄膜上再非原位沉积一层有机物或氧化物，但这样工艺复杂，还会引入不干净的界面，不利于阵列的器件性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于砷化镉异质结的光电探测器及其制备方法。本发明根据砷化镉的材料特性，针对性地设计出光电探测器结构，可提高器件整体的光电响应。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于砷化镉异质结的光电探测器，该光电探测器包括衬底以及设置在衬底上的砷化镉异质结光电探测层，所述的砷化镉异质结光电探测层上设有与砷化镉异质结光电探测层相连的中心电极，所述的衬底上设有与衬底相连的弧形电极，所述的弧形电极位于中心电极的外侧，并与中心电极相适配。

优选地，所述的中心电极与砷化镉异质结光电探测层直接相连，所述的弧形电极与衬底直接相连。

进一步地，所述的中心电极呈圆形，所述的弧形电极呈1/2-7/8圆环状，所述的弧形电极围绕设置在中心电极的外侧。

进一步地，该光电探测器还包括与中心电极相连的中心电极引线以及与弧形电极相连的弧形电极引线。引线用于将电极与外部电路连接。

进一步地，该光电探测器还包括与中心电极引线相连的中心电极引线触点以及与弧形电极引线相连的弧形电极引线触点。触点作为引线与外部电路的连接点。

进一步地，所述的衬底上还设有绝缘层；或者所述的衬底上还设有砷化镉薄膜层，该砷化镉薄膜层上设有绝缘层；

所述的中心电极引线、弧形电极引线、中心电极引线触点及弧形电极引线触点均位于绝缘层上。

进一步地，所述的绝缘层包括第一绝缘层及第二绝缘层，所述的中心电极引线触点及弧形电极引线触点均位于第一绝缘层上，所述的中心电极引线及弧形电极引线均位于第二绝缘层上。

进一步地，所述的衬底的材质为GaSb，所述的绝缘层的材质为氧化铝，所述的中心电极及弧形电极的材质为金；所述的第一绝缘层的厚度为180-220nm，所述的第二绝缘层的厚度为40-60nm。引线及触点的材质均为金属。

一种基于砷化镉异质结的光电探测阵列，该光电探测阵列包括多个所述的光电探测器，并且多个光电探测器呈阵列布设。

进一步地，多个光电探测器位于同一个衬底上。

一种基于砷化镉异质结的光电探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)在衬底上生长砷化镉薄膜层；

2)采用光刻制版与原子层沉积技术，在砷化镉薄膜层的部分区域沉积第一绝缘层；

3)采用光刻制版与反应离子刻蚀技术，在砷化镉薄膜层上刻蚀掉部分砷化镉，露出下层的衬底，衬底露出部分的中部形成砷化镉异质结光电探测层；

4)采用光刻制版技术与原子层沉积技术，在砷化镉薄膜层的部分区域沉积第二绝缘层；

5)采用光刻制版与磁控溅射技术，在砷化镉异质结光电探测层上沉积中心电极，在衬底露出部分沉积弧形电极，在第一绝缘层及第二绝缘层上沉积中心电极引线、弧形电极引线、中心电极引线触点及弧形电极引线触点。绝缘层保证上层材料与下层材料之间绝缘。

与现有技术相比，本发明实现了在不破坏砷化镉薄膜的基础上进行光电探测器的制备。本发明光电探测器的结构设计能提高光电载流子收集效率，特有的弧形电极设计缩小了两个电极的间距，减小了载流子在传输过程中的损耗，提高了光电响应。光电探测器的制备工艺流程短，可最大程度减小对砷化镉异质结结构的破坏。

附图说明

图1为本发明中光电探测器的俯视结构示意图；

图2为实施例4在制备光电探测器时，沉积第一绝缘层时的光刻制版图样；

图3为实施例4在制备光电探测器时，在砷化镉薄膜层上刻蚀掉部分砷化镉时的光刻制版图样；

图4为实施例4在制备光电探测器时，沉积第二绝缘层时的光刻制版图样；

图5为实施例4在制备光电探测器时，沉积电极、引线及触点时的光刻制版图样；

图6为实施例4中光电探测阵列中单像素结构(即一个光电探测器)的光电流分布扫描结果图；

图中标记说明：

1—衬底、2—砷化镉异质结光电探测层、3—中心电极、4—弧形电极、5—中心电极引线、6—弧形电极引线、7—中心电极引线触点、8—弧形电极引线触点、9—第一绝缘层、10—第二绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种基于砷化镉异质结的光电探测器，包括衬底1以及设置在衬底1上的砷化镉异质结光电探测层2，砷化镉异质结光电探测层2上设有与砷化镉异质结光电探测层2相连的中心电极3，衬底1上设有与衬底1相连的弧形电极4，弧形电极4位于中心电极3的外侧，并与中心电极3相适配。

其中，中心电极3呈圆形，弧形电极4呈1/2-7/8圆环状，弧形电极4围绕设置在中心电极3的外侧。

该光电探测器还包括与中心电极3相连的中心电极引线5以及与弧形电极4相连的弧形电极引线6。该光电探测器还包括与中心电极引线5相连的中心电极引线触点7以及与弧形电极引线6相连的弧形电极引线触点8。

衬底1上还设有砷化镉薄膜层，该砷化镉薄膜层上设有绝缘层；中心电极引线5、弧形电极引线6、中心电极引线触点7及弧形电极引线触点8均位于绝缘层上。

绝缘层包括第一绝缘层9及第二绝缘层10，中心电极引线触点7及弧形电极引线触点8均位于第一绝缘层9上，中心电极引线5及弧形电极引线6均位于第二绝缘层10上。

衬底1的材质为GaSb，绝缘层的材质为氧化铝，中心电极3及弧形电极4的材质为金；第一绝缘层9的厚度为180-220nm，第二绝缘层10的厚度为40-60nm。

该光电探测器的制备方法包括以下步骤：

1)在衬底1上生长砷化镉薄膜层；

2)采用光刻制版与原子层沉积技术，在砷化镉薄膜层的部分区域沉积第一绝缘层9；

3)采用光刻制版与反应离子刻蚀技术，在砷化镉薄膜层上刻蚀掉部分砷化镉，露出下层的衬底1，衬底1露出部分的中部形成砷化镉异质结光电探测层2；

4)采用光刻制版技术与原子层沉积技术，在砷化镉薄膜层的部分区域沉积第二绝缘层10；

5)采用光刻制版与磁控溅射技术，在砷化镉异质结光电探测层2上沉积中心电极3，在衬底1露出部分沉积弧形电极4，在第一绝缘层9及第二绝缘层10上沉积中心电极引线5、弧形电极引线6、中心电极引线触点7及弧形电极引线触点8。

实施例2：

一种基于砷化镉异质结的光电探测阵列，该光电探测阵列包括多个实施例1中的光电探测器，并且多个光电探测器呈阵列布设。多个光电探测器位于同一个衬底1上。

实施例3：

一种基于砷化镉异质结的光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

1)在2英寸GaSb衬底上生长砷化镉薄膜，基本方法参考专利CN108660508A；

2)在已生长好的整片异质结薄膜样品上通过光刻制版与原子层沉积技术，在120℃下于边缘处沉积200nm厚的氧化铝，用做绝缘层；

3)再用光刻制版与反应离子刻蚀制作出中心的圆形异质结光电探测区；

4)在120℃下通过光刻制版技术与原子层沉积技术在特定区域沉积一层50nm厚的氧化铝，该氧化铝层将作为后续金属导线与下层结构之间的绝缘层，同时，较低的反应温度减少砷化镉的升华，保护砷化镉薄膜的质量。

5)通过光刻制版与磁控溅射技术沉积出电极(通常是金电极)、引线与触点，后续可将器件连接至外部电路进行数据处理。

实施例4：

一种基于砷化镉异质结的2×2光电探测阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)在外延生长获得的整片异质结薄膜样品上进行光刻制版标准操作：在样品上滴上光刻胶溶液，并使用匀胶机匀胶。利用图2所示的图样在光刻制版机中进行的曝光后显影，然后用原子层沉积技术在120℃下，于光刻图形处生长200nm氧化铝。沉积结束后，洗去所有残余的光刻胶。

2)利用如图3所示的图样在光刻制版机中进行的曝光后显影，然后用反应离子刻蚀技术将曝光图样处的砷化镉刻蚀掉，露出下层的锑化镓衬底。刻蚀的时间可精确控制，使得被曝光部分上层的砷化镉被完全清除，而其他部分的砷化镉仍被光刻胶保护着。刻蚀完成后，洗去所有残余的光刻胶。

3)在样品上特定位置蒸镀氧化铝：利用如图4所示的图样进行标准光刻制版工艺，并使用原子层沉积设备进行氧化铝的沉积。沉积温度不能超过薄膜的生长温度，本实施例使用的温度为120℃。蒸镀的氧化铝厚度在合理区间内，若太薄则起不到绝缘的效果，太厚则难以在洗胶过程中将未曝光部分的氧化铝去除，本实施例采用的氧化铝厚度是50nm。

4)在样品上蒸镀金电极、引线与触点：利用如图5所示的图样进行光刻制版工艺，再使用磁控溅射镀膜技术在样品上蒸镀金。镀金厚度同样应在合理区间内，本实施例采用的厚度为100nm。

其它规格大小的阵列设计思路与本实施例一致。

图6为光电探测阵列中单像素结构(即一个光电探测器)的光电流分布扫描结果图，所用光源波长为690nm，功率为0.3mW。可以看出，光电流主要分布在设计好的异质结结区，响应明显。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于砷化镉异质结的光电探测器，其特征在于，该光电探测器包括衬底(1)以及设置在衬底(1)上的砷化镉异质结光电探测层(2)，所述的砷化镉异质结光电探测层(2)上设有与砷化镉异质结光电探测层(2)相连的中心电极(3)，所述的衬底(1)上设有与衬底(1)相连的弧形电极(4)，所述的弧形电极(4)位于中心电极(3)的外侧，并与中心电极(3)相适配。

2.根据权利要求1所述的一种基于砷化镉异质结的光电探测器，其特征在于，所述的中心电极(3)呈圆形，所述的弧形电极(4)呈1/2-7/8圆环状，所述的弧形电极(4)围绕设置在中心电极(3)的外侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于砷化镉异质结的光电探测器，其特征在于，该光电探测器还包括与中心电极(3)相连的中心电极引线(5)以及与弧形电极(4)相连的弧形电极引线(6)。

4.根据权利要求3所述的一种基于砷化镉异质结的光电探测器，其特征在于，该光电探测器还包括与中心电极引线(5)相连的中心电极引线触点(7)以及与弧形电极引线(6)相连的弧形电极引线触点(8)。

5.根据权利要求4所述的一种基于砷化镉异质结的光电探测器，其特征在于，

所述的衬底(1)上还设有绝缘层；或者所述的衬底(1)上还设有砷化镉薄膜层，该砷化镉薄膜层上设有绝缘层；

所述的中心电极引线(5)、弧形电极引线(6)、中心电极引线触点(7)及弧形电极引线触点(8)均位于绝缘层上。

6.根据权利要求5所述的一种基于砷化镉异质结的光电探测器，其特征在于，所述的绝缘层包括第一绝缘层(9)及第二绝缘层(10)，所述的中心电极引线触点(7)及弧形电极引线触点(8)均位于第一绝缘层(9)上，所述的中心电极引线(5)及弧形电极引线(6)均位于第二绝缘层(10)上。

7.根据权利要求6所述的一种基于砷化镉异质结的光电探测器，其特征在于，所述的衬底(1)的材质为GaSb，所述的绝缘层的材质为氧化铝，所述的中心电极(3)及弧形电极(4)的材质为金；所述的第一绝缘层(9)的厚度为180-220nm，所述的第二绝缘层(10)的厚度为40-60nm。

8.一种基于砷化镉异质结的光电探测阵列，其特征在于，该光电探测阵列包括多个如权利要求1至7任一项所述的光电探测器，并且多个光电探测器呈阵列布设。

9.根据权利要求8所述的一种基于砷化镉异质结的光电探测阵列，其特征在于，多个光电探测器位于同一个衬底(1)上。

10.一种如权利要求1至7任一项所述的基于砷化镉异质结的光电探测器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在衬底(1)上生长砷化镉薄膜层；

2)采用光刻制版与原子层沉积技术，在砷化镉薄膜层的部分区域沉积第一绝缘层(9)；

3)采用光刻制版与反应离子刻蚀技术，在砷化镉薄膜层上刻蚀掉部分砷化镉，露出下层的衬底(1)，衬底(1)露出部分的中部形成砷化镉异质结光电探测层(2)；

4)采用光刻制版技术与原子层沉积技术，在砷化镉薄膜层的部分区域沉积第二绝缘层(10)；

5)采用光刻制版与磁控溅射技术，在砷化镉异质结光电探测层(2)上沉积中心电极(3)，在衬底(1)露出部分沉积弧形电极(4)，在第一绝缘层(9)及第二绝缘层(10)上沉积中心电极引线(5)、弧形电极引线(6)、中心电极引线触点(7)及弧形电极引线触点(8)。

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