CN114361269B - 一种日盲光探测器以及成像装置 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提出了一种日盲光探测器以及成像装置，所述日盲光探测器包括衬底，在所述衬底上从上到下分别设置第一电极和第二电极，在所述第一电极和所述第二电极之间设置β‑Ga2O3薄膜，所述第一电极与所述β‑Ga2O3薄膜之间形成第一接触，所述第二电极与所述β‑Ga2O3薄膜之间形成第二接触，所述第一接触和所述第二接触位于所述衬底的垂直方向上。本公开实施例通过使用超薄β‑Ga2O3薄膜使得日盲光探测器同时具备超快响应速度和高响应度，利用透明电极使得其在有效收集光电流的同时具有对紫外光的高透明度，进一步地，针对将两个不同的接触设置为垂直结构适合与硅基读出电路集成从而制成探测阵列，为实现日盲光的高分辨成像提供条件。

Description

一种日盲光探测器以及成像装置

技术领域

本公开涉及一种光电装置的技术领域，特别地涉及一种日盲光探测器和成像装置。

背景技术

紫外光的波长范围在10-400nm之间，通常被分为四个波段，包括UV-A波段(400-315nm)、UV-B波段(315-280nm)、UV-C波段(280-200nm)和EUV波段(200-10nm)，其中，太阳光中的UV-C波段的紫外光在穿过地球臭氧层时几乎被完全吸收，很难到达地球表面，因此，这个波段的紫外光又被称为日盲光，工作在该波段区域的光探测器被称为日盲光探测器。

由于在地表极少存在日盲光，日盲光探测器具有不受太阳光干扰、低背景噪声和高分辨能力等特点。例如在导弹及战斗机发动机的尾焰中会包含日盲光，因此，这里的所述日盲光探测器在例如军事领域中尤其是导弹预警、战机跟踪监测等方面展现出极大的应用潜力。同时，这里的所述日盲光探测器探测器也广泛应用于臭氧空洞监测、空间通讯、医疗杀菌和电弧探测等民用领域。

早期针对日盲光的探测主要依靠光电倍增管，但是其体积庞大且易碎，限制了其在许多领域的应用。相比之下，基于半导体的日盲光探测器具有体积小、寿命长、低功耗和集成度高等特点，吸引了世界各国研究人员的目光，因此，可吸收日盲光的宽禁带半导体材料日趋成为人们的研究热点。

目前采用宽禁带半导体材料的日盲光探测器内采用横向非对称金属接触结构，这种结构中的金属电极会阻碍紫外光透过，减小了有效的光吸收面积，降低探测器的响应度等性能，尤其难以实际应用于成像显示领域。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提出了一种日盲光探测器，以解决现有技术中的采用横向非对称金属接触结构探测器中的金属电极会阻碍紫外光透过，减小了有效的光吸收面积，降低探测器的响应度等性能等问题。

一方面，本公开提供一种日盲光探测器，其包括衬底，在所述衬底上从上到下分别设置第一电极和第二电极，在所述第一电极和所述第二电极之间设置β-Ga2O3薄膜，所述第一电极与所述β-Ga2O3薄膜之间形成第一接触，所述第二电极与所述β-Ga2O3薄膜之间形成第二接触，所述第一接触和所述第二接触位于所述衬底的垂直方向上。

在一些实施例中，当所述β-Ga2O3薄膜为本征半绝缘的薄膜时，所述第一接触和所述第二接触为欧姆接触。

在一些实施例中，当所述β-Ga2O3薄膜为n型导电的薄膜时，所述第一接触为欧姆接触，所述第二接触为肖特基接触。

在一些实施例中，所述衬底采用蓝宝石制成。

在一些实施例中，所述第一电极采用金属钛制成。

在一些实施例中，所述第二电极是覆盖在所述β-Ga2O3薄膜表面的单层石墨烯或者沉积在所述β-Ga2O3薄膜表面的铂金属薄膜。

在一些实施例中，在所述衬底和所述第二电极之间设置引出电极。

在一些实施例中，所述引出电极采用金制成

在一些实施例中，所述第二电极和/或所述引出电极采用铜、铟、镍中的至少一种制成。

在一些实施例中，在所述第一接触和所述第二接触为欧姆接触的情况下，还包括电源，所述引出电极和所述第二电极形成的透明电极与所述电源的负极相连接，所述第一电极与所述电源的正极相连接。

另一方面，本公开提供一种成像装置，其包括上述任一项技术方案所述的日盲光探测器。

本公开的有益效果是，本公开实施例通过使用超薄β-Ga2O3薄膜使得日盲光探测器同时具备超快响应速度和高响应度，利用透明电极使得其在有效收集光电流的同时具有对紫外光的高透明度，进一步地，针对将两个不同的接触设置为垂直结构适合与硅基读出电路集成从而制成探测阵列，为实现日盲光的高分辨成像提供条件。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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公开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为现有的日盲光探测器的示意图；

图2为现有的日盲光探测器的示意图；

图3为本公开一实施例的日盲光探测器的结构示意图；

图4为本公开一实施例的日盲光探测器的结构示意图。

附图标记：

1-衬底；2-第一电极；3-引出电极；4-β-Ga2O3薄膜；5-第二电极。

具体实施方式

为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。

本公开的实施例提供一种日盲光探测器，这里的所述日盲光探测器用于探测具有特殊波段的日盲光，具体地，这里的所述日盲光是指波段在紫外光的UV-C波段即280-200nm范围内的光；所述日盲光探测器可以运用在导弹追踪、战机监测成像等军事领域以及非可见光通信、臭氧监测等民用领域，以探测和识别具有特殊波段的所述日盲光，所述日盲光探测器具有不受太阳光干扰、低背景噪声和高分辨能力等特点。

具体地，所述日盲光探测器的结构如图3和图4所示，所述日盲光探测器包括衬底1，在所述衬底1上从上到下分别设置第一电极2和第二电极5，在所述第一电极2和所述第二电极5之间设置β-Ga2O3薄膜4。其中，这里的所述衬底1例如采用蓝宝石(Al2O3)制成，所述蓝宝石对UV-C波段的紫外光具有极高的透过率。当然，所述衬底1也可以采用其他利于UV-C波段的紫外光透射的透光材料制成。

需要说明的是，所述β-Ga2O3薄膜4中采用的β-Ga2O3作为一种新型的宽禁带半导体材料，其禁带宽度为4.9eV，吸收峰位于253nm处，对日盲光具有较高的吸收系数(～10⁵cm^-1)。进一步，这种材料的光响应集中在200-280nm的区段之间，这个区段完全对应于日盲光的波段，并且对其他波段几乎没有响应，具有出色的日盲光的选择响应能力。另一方面，β-Ga2O3还具有较好的热稳定性和化学稳定性，能够适应不同工作环境，因此，被认为是制作日盲光探测器的理想材料。相对于的另一种宽禁带半导体材料AlGaN，其禁带宽度为4.5eV，对应的波长也在日盲光的波段范围内，但是其较宽的光响应区间(220-350nm)会增加探测器的背景噪声，大大降低了对日盲光的选择响应性，其截止比(R₂₅₄/R₃₆₅)相比β-Ga2O3的材料低两个数量级。

进一步地，常见的基于β-Ga2O3的日盲光探测器具有肖特基结型和pn结型，其原理是肖特基结和pn结会在半导体内部产生耗尽区。这样，在紫外光照射下，耗尽区中产生光生载流子并被内建电场或外加偏压分离，最终传导出电极，因此，此类结构由于耗尽区的存在而具有低暗电流等特点。由于β-Ga2O3材料具有较高的紫外光吸收系数，使得基于β-Ga2O3制备的光探测器的有效光吸收区域集中在表面约400nm区域，因此，具有肖特基结的探测器通常是采用横向非对称金属接触结构，如图1所示，其中，图1中左边为金属镍与金制成的电极与β-Ga2O3薄膜之间接触形成肖特基接触，右边为金属钛与金制成的电极与β-Ga2O3薄膜之间接触形成欧姆接触，这样形成横向非对称金属接触结构，其中，肖特基结可以形成耗尽区并在光照下产生光生载流子，该结构可以及时收集光生载流子，有效利用表面吸光区域。另一方面，由于缺少p型β-Ga2O3，如图2所示，当前常见的pn结型日盲光探测器均是n型Ga2O3与其他p型半导体材料组成的异质结，例如锡掺杂的n型β-Ga2O3与p型GaN异质结，金属铟(In)作为β-Ga2O3和GaN的引出电极。

为此，当前肖特基结构的日盲光探测器存在的主要缺点是由于β-Ga2O3具有较高的紫外光吸收系数，有效吸光区域集中在表面深度约400nm的区域，同时又难以制备超薄(厚度小于400nm)的自支撑β-Ga2O3薄膜，为了有效收集吸光区域的光生载流子，通常采用使载流子沿平行于表面方向传输的横向结构。该结构中由于电极均集成在半导体表面，这些金属电极会阻碍紫外光透过，减小了有效的光吸收面积，降低探测器的响应度等性能。尤其将该结构集成入高分辨率成像阵列时，表面集成的电极及导线数量将会急剧增加，阻挡光吸收的缺点将被放大，因此，横向结构的光探测器难以实际应用于成像显示领域。

另一方面，由于很难制备p型β-Ga2O3，当前pn结型的日盲光探测器均是由n型β-Ga2O3与其他p型宽禁带半导体组成的异质结构，例如p型GaN，但是GaN禁带宽度较小(3.4eV)，会对VUA波段的紫外光产生强烈的吸收并产生光电流。因此，基于GaN等其他材料的pn结型日盲光探测器会对日盲光波段以外的光线产生响应，这将大大增加探测器的背景噪声，减弱了日盲光探测器的选择响应性，也削弱了β-Ga2O3的优势。

进一步地，所述β-Ga2O3薄膜4可以是通过单晶β-Ga2O3或者高质量的外延β-Ga2O3制备的大面积超薄β-Ga2O3薄膜，这里的所述β-Ga2O3薄膜4的厚度控制在10-1000nm的范围内，不同的厚度会影响日盲光的探测响应度，优选地，所述β-Ga2O3薄膜4的所述厚度为500nm；所述β-Ga2O3薄膜4能够有效增加薄膜表面的受光区域，同时500nm的厚度确保99％的UVC波段的紫外光可被吸收，能够最大化器件的响应度。另一方面，所述β-Ga2O3薄膜4去除了500nm吸光区域以外的无效厚度，大幅度减小光生载流子在薄膜4内部垂直迁移的距离，缩短载流子迁移时间，同时其具有器件级别的单晶质量，具有厚度均匀可控、掺杂元素浓度可控、表面粗糙度小等优点，使所述β-Ga2O3薄膜4具有高载流子迁移率。较短迁移时间和较高的载流子迁移率保证了器件的超快响应速度。为此，所述β-Ga2O3薄膜4包括掺杂的薄膜以及非掺杂的薄膜。

为此，所述第一电极2与所述β-Ga2O3薄膜4之间形成第一接触，所述第二电极5与所述β-Ga2O3薄膜4之间形成第二接触，所述第一接触和所述第二接触位于所述衬底1的垂直方向上。

具体地，当所述β-Ga2O3薄膜4为非掺杂的薄膜，例如本征半绝缘的薄膜时，所述第一接触和所述第二接触为欧姆接触或者肖特基接触；当所述β-Ga2O3薄膜为掺杂的薄膜，例如n型导电的薄膜时，所述第一接触为欧姆接触，所述第二接触为肖特基接触。

为此，所述第一电极2作为背面电极设置在所述β-Ga2O3薄膜4的外侧面，所述第一电极2与所述β-Ga2O3薄膜4之间形成欧姆接触，优选地，所述第一电极2可以采用金属钛(Ti)制成，金属钛作为所述第一电极2具有良好的导电性，并且能够与所述β-Ga2O3薄膜4的表面之间形成良好的欧姆接触，具有极小的接触电阻。当然，所述第一电极2也可以采用铜(Cu)、铟(In)或者镍(Ni)等金属制成。

所述第二电极5设置在所述β-Ga2O3薄膜4的内侧面，当所述β-Ga2O3薄膜4为非掺杂的本征半绝缘的薄膜时，由于所述β-Ga2O3薄膜4内是没有(或者极少)自由电子的，也就是耗尽状态，所述第二电极5与所述β-Ga2O3薄膜4之间形成欧姆接触或者肖特基接触；当所述β-Ga2O3薄膜为掺杂的n型导电的薄膜时，所述β-Ga2O3薄膜4内有较多自由电子需要耗尽，因此，所述第二电极5与所述β-Ga2O3薄膜4之间形成肖特基接触。其中，所述第二电极5可以是覆盖在所述β-Ga2O3薄膜4的内表面的单层石墨烯或者沉积在表面的铂(Pt)或者金(Au)金属薄膜。此外，所述第二电极5还可以采用铟(In)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)等金属制成。

这里，所述第二电极5的厚度可以根据需要进行调整，优选地，所述厚度可以设置为4nm；所述第二电极5具有良好导电性且对UV-C波段的紫外光的透过率达到90％以上，从而能够保证所述日盲光探测器的响应速度。在制作时可将蓝宝石覆盖于第二电极5的石墨烯或金属透光电极表面作为表面盖板保护整个所述日盲光探测器的结构不被破坏。

在所述第二电极5和所述衬底1之间设置引出电极3，所述引出电极3和所述第二电极5共同形成透明电极，其中，所述引出电极3可以选用金(Au)沉积在第二电极表面，从而将所述日盲光探测器接入到外部电路中。当然，所述引出电极3也可以采用铟(In)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)等金属制成。

进一步地，所述引出电极3可以在所述衬底1上按照预定方式布置，只要保证所述引出电极3与所述第二电极5接触即可，例如可以将所述引出电极3以间隔方式在所述衬底1和所述第二电极5之间布置，以便于日盲光能够穿过所述第二电极3达到所述过渡层5，这样，所述引出电极3和所述第二电极5可以共同形成透明电极，使用透明电极(相对UV-C波段的紫外光而言)，增加了表面覆盖区域的同时减少对UV-C波段紫外光的吸收，保证了探测器的响应度。作为优选，还可以在所述第二电极5的侧面设置所述引出电极3以便于使得所述β-Ga2O3薄膜4的受光面积最大。

此外，作为透明电极的所述第二电极5与作为背面电极的所述第一电极2均与所述β-Ga2O3薄膜4之间形成良好的接触界面，有效减小界面缺陷及表面态对器件的影响，减小导通电阻及寄生电容，使电极快速提取收集光生载流子，提高器件响应度及响应速度。

更为重要的是，所述第一电极2与所述β-Ga2O3薄膜4之间的所述第一接触、所述β-Ga2O3薄膜4以及所述第二电极5与所述β-Ga2O3薄膜4之间的所述第二接触形成从上到下的垂直结构，这里使用的所述垂直结构有益于探测器阵列的高度集成，使基于日盲光的高分辨成像成为可能。

如上所述，所述第二电极5与所述β-Ga2O3薄膜4形成良好接触并形成欧姆接触或者肖特基接触，这里的形成良好接触的界面能够为所述第二电极5及时快速地收集和提取电子提供保证，其中，当所述第一接触为欧姆接触，所述第二接触为肖特基接触时，探测器依靠内建电场实现自供电，无需连接额外电源。

具体地，在所述β-Ga2O3薄膜4为n型导电的薄膜时，所述第二电极5与所述β-Ga2O3薄膜4之间形成的肖特基接触能够使得所述β-Ga2O3薄膜4的一侧面采用肖特基接触，另一侧面采用欧姆接触的非对称结构，肖特基接触可在所述β-Ga2O3薄膜4内部产生内建电场且使其中自由电子完全耗尽，使得所述日盲光探测器具备自供电能力的同时增加了光生载流子的迁移速率，提高的器件的响应速度。

也就是说，所述日盲光探测器具有自供电能力，由于在所述β-Ga2O3薄膜4与第二电极5之间形成的所述肖特基接触可在所述β-Ga2O3薄膜4的内部产生内建电场，光生载流子可在内建的电场下分离并迁移出所述β-Ga2O3薄膜4，因此，尤其在所述β-Ga2O3薄膜4为本征半绝缘或轻掺杂的薄膜时，所述日盲光探测器可在不外接任何电源的情况下工作。

当然，例如在所述第二接触为欧姆接触的情况下，所述日盲光探测器也可连接外部的电源工作于反偏电压下，其中，由所述引出电极3和所述第二电极5形成的透明电极与外部的电源的负极相连接，由所述第一电极2形成背面电极与外部的电源的正极相连接。相较于自供电模式，通过外部电源的外加偏压可使探测器具有更快的响应速度及更大的响应度。

例如在采用本征半绝缘的所述Ga2O3薄膜4的情况下，薄膜内部自由电子浓度低，且无掺杂可以降低杂质离子对迁移电子的散射，所述第二接触为欧姆接触的情况下，所述日盲光探测器还可以通过使用外加电源，有效提高电子迁移率，增加探测器响应速度。

本公开实施例的另一方面提供一种成像装置，其包括上述任一项技术方案所述的日盲光探测器，这里所述成像装置通过所述日盲光探测器，以通过日盲光实现成像功能。

本公开实施例通过使用超薄β-Ga2O3薄膜使得日盲光探测器同时具备快速响应性和高响应度的优点，利用透明电极使得其在有效收集光电流的同时具有对紫外光的高透明度，进一步地，针对将两个不同的接触设置为垂直结构适合与硅基读出电路集成从而制成探测阵列，为利用日盲光的后期成像提供条件。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这不应当理解为要求这些操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行来执行。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实施例中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种日盲光探测器，其特征在于，包括衬底，在所述衬底上从上到下分别设置第一电极和第二电极，在所述第一电极和所述第二电极之间设置β-Ga₂O₃薄膜，所述第一电极与所述β-Ga₂O₃薄膜之间形成第一接触，所述第二电极与所述β-Ga₂O₃薄膜之间形成第二接触，所述第一接触和所述第二接触位于所述衬底的垂直方向上；其中，所述β-Ga₂O₃薄膜具有平整表面；

当所述β-Ga₂O₃薄膜为本征半绝缘的薄膜时，所述第一接触和所述第二接触为欧姆接触或者肖特基接触；

当所述β-Ga₂O₃薄膜为n型导电的薄膜时，所述第一接触为欧姆接触，所述第二接触为肖特基接触；

所述衬底采用蓝宝石制成；

所述第一电极采用金属钛制成；

所述第二电极是覆盖在所述β-Ga2O3薄膜表面的单层石墨烯或者沉积在所述β-Ga2O3薄膜表面的铂或金的金属薄膜；

在所述衬底和所述第二电极之间设置引出电极；

所述引出电极采用金制成；

所述第二电极和/或所述引出电极采用铜、铂、铟、镍中的至少一种制成；

在所述第一接触和所述第二接触为欧姆接触的情况下，还包括电源，所述引出电极和所述第二电极形成的透明电极与所述电源的负极相连接，所述第一电极与所述电源的正极相连接。

2.一种成像装置，其特征在于，包括权利要求1所述的日盲光探测器。

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