CN114464693A - 一种光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电探测器及其制备方法，涉及半导体光电探测器技术领域，以解决现有的半导体光电探测器应用范围较窄的问题。所述光电探测器包括：衬底。形成在衬底的上方的光电感应层。形成在光电感应层上的第一电极。以及形成在光电感应层背离衬底的表面的第二电极，第二电极的至少部分部位透光。所述光电探测器的制备方法包括上述技术方案所提的光电探测器。本发明提供的光电探测器的制备方法用于制备光电探测器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器技术领域，尤其涉及一种光电探测器及其制备方法。
背景技术
在现有技术中，二氧化钛被广泛应用于光电探测器领域中。但是由于二氧化钛的带隙较宽，只能吸收太阳光谱中的紫外区域，因此，可以通过调整二氧化钛的带隙宽度实现调节二氧化钛的光吸收能力。
目前，主要通过对二氧化钛进行元素、离子掺杂，氢处理，从而降低二氧化钛的带隙。但是流程工艺复杂，伴随较大的能源消耗和污染，成本较高，且制备得到的光电探测器的稳定性较差，质量较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电探测器及其制备方法，用于制备出一种可用于紫外-可见-红外的宽光谱光电探测器。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光电探测器，包括：
衬底。
形成在所述衬底的上方的光电感应层，所述光电感应层含有的光电材料至少部分被氧化，沿着靠近所述衬底的方向，所述光电材料中的氧元素的含量逐渐降低。
形成在所述光电感应层上的第一电极，所述第一电极靠近所述衬底的表面伸入所述光电感应层的内部。
以及形成在所述光电感应层背离所述衬底的表面的第二电极，所述第二电极的至少部分部位透光。
与现有技术相比，本发明实施例提供的光电探测器中，通过在衬底上方形成光电感应层，且光电感应层含有的光电材料至少部分被氧化，沿着靠近衬底的方向，光电材料中的氧元素的含量逐渐降低。由于该光电感应层背离所述衬底的表面被充分氧化，使得其带隙较宽，可以实现波长较短的紫外光的吸收，且沿着靠近衬底的方向，该光电材料中的氧元素的含量逐渐降低，氧化程度逐渐减弱，其带隙逐渐变窄，此时，可以吸收能量较低的光子，以实现波长较长的可见光和红外光的吸收，因此，本发明实施例提供的光电探测器通过对光电感应层的部分氧化，从而有效调控光电感应层中的光电材料的带隙宽度，增大了光电感应层的吸光波长范围，实现了紫外-可见-红外的宽谱吸收，扩大了光电探测器的应用范围。且通过上述不完全氧化工艺制备的光电感应层的成本低，工艺简单，污染小。
本发明还提供一种光电探测器的制备方法，包括：
提供一表面形成光电感应层的衬底。
对所述光电感应层进行梯度氧化，得到梯度氧化层，所述光电感应层含有的光电材料至少部分被氧化，沿着靠近所述衬底的方向，所述光电材料中的氧元素的含量逐渐降低。
在所述光电感应层上形成第一电极，所述第一电极靠近所述衬底的表面伸入所述光电感应层的内部。
在所述光电感应层背离所述衬底的表面形成第二电极，所述第二电极的至少部分部位透光。
与现有技术相比，本发明提供的光电探测器的制备方法的有益效果与上述技术方案所述光电探测器的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种光电探测器的结构示意图；
图2A~2E为本发明实施例提供的一种光电探测器的制备方法的工艺流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光电探测器的制备方法的工艺流程框图。
附图标记：
1-衬底， 2-光电感应层；
2-第一电极， 4-第二电极；
2-1-未被氧化的金属层， 4-1-透明电极层；
4-2-金属电极。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
二氧化钛是一种被广泛应用于光电探测器领域的光电化学材料。二氧化钛的带隙宽度为约3.0eV-3.2eV，带隙较宽，从而导致其只能吸收太阳光谱中的紫外区域。可以通过调节二氧化钛的带隙可以调节二氧化钛的光吸收能力。
目前主要对二氧化钛材料进行元素、离子掺杂，氢处理，从而降低二氧化钛的带隙。也可以对氢化钛或钛氧化物进行氧化退火处理，从而降低二氧化钛带隙宽度（约1.5eV），达到拓宽二氧化钛的光谱吸收范围的目的。
但是对钛氧化物的修饰、还原或氧化的过程流程繁琐，工艺复杂，并且伴随较大的能源消耗和污染。
为了克服上述问题，本发明实施例提供了一种光电探测器。该光电探测器可以实现宽光谱的吸收，应用范围广泛，且制备工艺简单，稳定性好。
图1示例出了本发明实施例提供的光电探测器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的光电探测器包括：衬底1、光电感应层2、第一电极3以及第二电极4。需要说明的是，这里的衬底1可以是硅衬底，也可以是二氧化硅衬底等，并不限于此。
如图1所示，上述光电感应层2形成在衬底1的上方。该光电感应层2含有的光电材料至少部分被氧化，沿着靠近衬底1的方向，光电材料中的氧元素的含量逐渐降低。通过控制光电材料中的氧元素的含量，有效调控光电材料的带隙宽度，实现宽谱吸收，从而扩大了本发明实施例提供的光电探测器的应用范围。
如图1所示，上述第一电极3形成在光电感应层2上，该第一电极3靠近衬底1的表面伸入光电感应层2的内部，以实现欧姆接触。应理解，这里的第一电极3的材质可以为化学与电化学稳定的金属、可以为化学与电化学稳定的合金、也可以为非金属导体材料，例如，该第一电极3的材质可以为铂、金、银、铜、镍、钛、铅、铜合金、钛合金、镍合金、铅合金以及石墨等，并不限于此。
如图1所示，上述第二电极4形成在光电感应层2背离衬底1的表面，该第二电极4的至少部分部位透光，以使光线通过该透光部分射入光电感应层2中，实现光电转换。
通过上述光电探测器的结构可知，在本发明提供的光电探测器中，通过在衬底上方形成光电感应层，且光电感应层含有的光电材料至少部分被氧化，沿着靠近衬底的方向，光电材料中的氧元素的含量逐渐降低。由于该光电感应层背离所述衬底的表面被充分氧化，使得其带隙较宽，可以实现波长较短的紫外光的吸收，且沿着靠近衬底的方向，该光电材料中的氧元素的含量逐渐降低，氧化程度逐渐减弱，其带隙逐渐变窄，此时，可以吸收能量较低的光子，以实现波长较长的可见光和红外光的吸收，因此，本发明实施例提供的光电探测器通过对光电感应层的部分氧化，从而有效调控光电感应层中的光电材料的带隙宽度，增大了光电感应层的吸光波长范围，实现了紫外-可见-红外的宽谱吸收，扩大了光电探测器的应用范围。且通过上述不完全氧化工艺制备的光电感应层的成本低，工艺简单，污染小。
如图1所示，为了保证第一电极3和该光电感应层2的欧姆接触，以接收光电流。沿着靠近衬底1的方向，上述光电材料中的氧元素的含量从100%降低至0%，即至少靠近衬底1的部分光电材料为未被氧化的状态，此时，第一电极3靠近衬底1的表面与氧元素含量为0%的部分光电材料连接。
如图1所示，上述光电材料可以为多元金属光电材料。其中，该多元金属光电材料中至少含有钛元素，且该钛元素的质量含量在90%以上，以实现更优异的性能。基于此，该多元金属光电材料中还可以含有铝元素、钨元素、钼元素、铪元素中的一种或多种。例如，该多元金属光电材料中可以含有钛元素、可以含有钛元素、铝元素、可以含有钛元素、钨元素、可以含有钛元素、钼元素、可以含有钛元素、铝元素、钨元素、可以含有钛元素、铝元素、钨元素、钼元素、可以含有钛元素、铝元素、钨元素、钼元素、铪元素等。
如图1所示，上述光电感应层2的厚度可以根据实际的需求进行设置，具体的，该光电感应层2的厚度可以为20nm~200nm，例如，该光电感应层2的厚度可以为20nm，可以为70nm，可以为100nm，可以为150nm，可以为170nm，也可以为200nm等。此处粗腰说明的是，光电感应层2的厚度不宜设置的过薄，以防止在氧化过程中，光电感应层2被完全氧化，导致器件失效的情况发生。同时，该光电感应层2的厚度也不设置的过厚，过厚的光电感应层2会增加氧化时间，降低生产效率。
如图1所示，上述光电感应层2中，氧元素的含量不高于含量阈值的部位厚度可以为10nm~30nm，例如，该氧元素的含量不高于含量阈值的部位厚度可以为10nm，可以为20nm，还可以为30nm等。应理解，这里的氧元素的含量阈值为0%。即在光电感应层2中，具有未氧化的金属层2-1，且未氧化的金属层2-1的厚度可以为10nm~30nm，以保证第一电极3和光电感应层中未氧化的金属层2-1实现良好的欧姆接触。
如图1所示，上述第二电极4包括形成在光电感应层2背离衬底1的表面的透明电极层4-1，以及形成在透明电极层4-1上的金属电极4-2。应理解，这里的金属电极的材质可以为铂、金、银、铜、镍、钛、铅等，并不限于此。这里的透明电极层4-1可以为ITO透明电极层、AZO透明电极层等透明氧化物电极。
在现有技术中，主要是对二氧化钛或者低价钛氧化物进行还原或氧化处理得到带隙宽度较窄的二氧化钛，从而实现宽谱吸收。但是上述工艺制备的是纳米颗粒，在光电探测器制备的过程中，该纳米颗粒需要进行旋涂成膜，成膜过程中易出现纳米颗粒团簇和膜厚不均等问题，从而导致电信号的感应准确度差异过大，稳定性差，严重影响了探测器的质量。
鉴于上述技术问题，本发明实施例还提供了一种光电探测器的制备方法。该光电探测器的制备方法用于制备前文所述的光电探测器。在本发明实施例提供的光电探测器的制备方法中，通过在衬底表面形成光电感应层，即多元金属光电材料的纳米薄膜，从而克服了纳米颗粒需要进行旋涂成膜的技术问题，因此，通过使用本发明实施例提供的光电探测器的制备方法制备得到的光电探测器的成本低，应用范围广且稳定性好。
图2A~2E为本发明实施例提供的一种光电探测器的制备方法的工艺流程示意图，图3位本发明实施例提供的流程框图。如图2A~2E和图3所示，本发明实施例提供的一种光电探测器的制备方法包括：
步骤110：提供一表面形成光电感应层2的衬底1。具体的，可以使用电子束蒸发镀膜、热蒸发镀膜、磁控溅射镀膜等金属镀膜工艺在衬底1的表面上沉积光电感应层2，以克服现有技术中的旋涂成膜的缺陷。应理解，这里的光电感应层2用于接收光线辐射，并由光线辐射引起该光电感应层2的电导率发生改变，从而将光信号转换为电信号。该光电感应层2为含有光电材料的光电感应层，该光电材料可以为多元金属光电材料。该多元金属光电材料中至少含有钛元素，其中，钛元素的质量含量大于90%。当然，该多元金属光电材料中还可以含有铝元素、钨元素、钼元素、铪元素中的一种或多种。
在实际应用中，该光电材料可以为钛铝合金，此时，可以使用磁控溅射镀膜的工艺硅衬底上沉积一层钛铝合金层，需要注意的是，本发明实施例选用的是铝元素的含量低于10%钛铝合金，以保证制备得到的钛铝合金层的性能更加优异。且该钛铝合金层的厚度可以为20nm~200nm。
步骤120：对光电感应层2进行梯度氧化，得到梯度氧化层。其中，光电感应层2含有的光电材料至少部分被氧化，沿着靠近衬底1的方向，光电材料中的氧元素的含量逐渐降低。且靠近衬底1的方向，该梯度氧化层中的未氧化的金属层2-1的厚度为10nm~30nm，以保证第一电极3和该未氧化的金属层2-1之间实现良好的欧姆接触。此处需要说明的是，尽管在对光电感应层2进行梯度氧化的过程中，该光电感应层2的两端处会被氧化，但是由于本发明实施例提供的光电探测器的工作区域在该光电感应层2的中部，因此光电感应层2的两端处被氧化对本发明实施例提供的光电探测器没有影响。
在一些实施例中，上述对该光电感应层2进行梯度氧化，得到梯度氧化层的方式可以为使用加热板进行加热，或者使用加热炉进行加热。
例如，上述对光电感应层2进行梯度氧化，得到梯度氧化层可以包括：在空气气氛中，利用加热板对衬底1进行加热，使得光电感应层2被梯度氧化，得到梯度氧化层，此时，加热板的加热面与衬底1接触。
又例如，上述对光电感应层2进行梯度氧化，得到梯度氧化层还可以包括：在空气气氛中，利用加热炉对衬底1进行加热，使得光电感应层2被梯度氧化，得到梯度氧化层。
为了得到符合要求的梯度氧化层，防止氧化过度或者氧化不完全的情况发生，需要对光电感应层2进行梯度氧化的温度和时间进行限定。具体的，对该光电感应层2进行梯度氧化的温度可以为300℃~600℃，例如，对该光电感应层2进行梯度氧化的温度可以为300℃，可以为500℃，还可以为600℃等。对该光电感应层2进行梯度氧化的氧化时间为1h~5h，例如，对该光电感应层2进行梯度氧化的氧化时间可以为1h，可以为2h，可以为3h，也可以为5h等。当然，具体的温度和时间还需要根据光电感应层2的厚度等实际情况进行选择。
在实际应用中，上述梯度氧化的升温方式可以选择恒温氧化，也可以选择变温氧化。当该梯度氧化的升温方式为恒温氧化时，恒温氧化的温度和时间可以根据实际情况进行选择，例如，该恒温氧化的温度可以为300℃，可以为400℃，可以为500℃，也可以为600℃等。当该梯度氧化的升温方式为变温氧化时，该变温氧化的规律为：将衬底在300℃，氧化0.4h~2.5h，升温至400℃氧化0.3h~1.5h，升温至500℃氧化0.2h~0.5h，升温至600℃氧化0.1h~0.5h。需要说明的是，具体的氧化时间需要根据光电感应层2的厚度等实际情况进行选择。随着氧化的进行，氧气会越来越难进入光电感应层2中，因此通过变温氧化提高温度有助于得到梯度氧化层，但是需要注意的是，温度过高时，氧化的速度过快，因此要控制氧化的时间，防止过氧化的现象发生。
步骤130：在光电感应层2上形成第一电极3，第一电极3靠近衬底1的表面伸入光电感应层2的内部。具体的，可以通过在光电感应层2背离衬底1的表面上进行光刻、刻蚀、金属沉积、剥离制作第一电极3。该第一电极3的厚度可以为100nm~200nm，例如，该第一电极3的厚度可以为100nm，可以为150nm，还可以为200nm等。
步骤140：在光电感应层2背离衬底1的表面形成第二电极4，第二电极4的至少部分部位透光。具体的，该第二电极4包括形成在光电感应层2背离衬底1的表面的透明电极层4-1，即第二电极4的部分透光的结构，以及形成在透明电极层4-1上的金属电极4-2。这里的透明电极层4-1可以为ITO透明电极层、AZO透明电极层等透明氧化物电极。
在实际应用中，当上述透明电极层4-1为ITO透明电极层时，可以通过在光电感应层2背离衬底1的表面进行光刻、沉积ITO薄膜后，剥离制作顶层透明电极层4-1，最后在顶层透明电极层4-1的表面利用光刻、金属沉积、剥离工艺制作形成在透明电极层4-1上的金属电极4-2，完成器件制作。其中，顶层透明电极层4-1的厚度为10nm~50nm，例如，该顶层透明电极层4-1的厚度可以为10nm，可以为20nm，还可以为50nm等。形成在透明电极层4-1上的金属电极4-2的厚度100nm~200nm，例如，该金属电极4-2的厚度可以为100nm，可以为150nm，还可以为200nm等。这里的金属电极4-2的材质可以为铂、金、银、铜、镍、钛、铅等，并不限于此。
综上所述，在本发明实施例提供的一种光电探测器的制备方法中，通过使用电子束蒸发镀膜、热蒸发镀膜、磁控溅射镀膜等金属镀膜工艺在衬底的表面上沉积光电感应层，得到的光电感应层纳米薄膜的结构连续且与衬底的附着力良好。从而克服了现有技术中由于纳米颗粒需要使用旋涂成膜，因此在成膜过程中易出现纳米颗粒团簇和膜厚不均等问题，降低探测器的质量的技术缺陷。同时，本发明实施例提供的一种光电探测器的制备方法中得到的光电感应层纳米薄膜可以通过光刻工艺实现图形化，可以实现光电器件的图形成膜及规模化制备，有效的提高了光电探测器的质量，降低了生产成本。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
1.一种光电探测器，其特征在于，包括：
衬底；
形成在所述衬底的上方的光电感应层，所述光电感应层含有的光电材料至少部分被氧化，沿着靠近所述衬底的方向，所述光电材料中的氧元素的含量逐渐降低；
形成在所述光电感应层上的第一电极，所述第一电极靠近所述衬底的表面伸入所述光电感应层的内部；
以及形成在所述光电感应层背离所述衬底的表面的第二电极，所述第二电极的至少部分部位透光。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，沿着靠近所述衬底的方向，所述氧元素的含量从100%降低至0%。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述第一电极靠近所述衬底的表面与所述氧元素含量为0%的部分所述光电材料连接。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电材料为多元金属光电材料。
5.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于，所述多元金属光电材料中至少含有钛元素；和/或，
所述多元金属光电材料中还含有铝元素、钨元素、钼元素、铪元素中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电感应层的厚度为20nm~200nm。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电感应层中，所述氧元素的含量不高于含量阈值的部位厚度为10nm~30nm，所述氧元素的含量阈值为0%。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第二电极包括形成在所述光电感应层背离所述衬底的表面的透明电极层，以及形成在所述透明电极层上的金属电极。
9.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
提供一表面形成光电感应层的衬底；
对所述光电感应层进行梯度氧化，得到梯度氧化层，所述光电感应层含有的光电材料至少部分被氧化，沿着靠近所述衬底的方向，所述光电材料中的氧元素的含量逐渐降低；
在所述光电感应层上形成第一电极，所述第一电极靠近所述衬底的表面伸入所述光电感应层的内部；
在所述光电感应层背离所述衬底的表面形成第二电极，所述第二电极的至少部分部位透光。
10.根据权利要求9所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述光电材料为多元金属光电材料，所述多元金属光电材料中至少含有钛元素，其中，所述钛元素的质量含量大于90%；和/或，
所述多元金属光电材料中还含有铝元素、钨元素、钼元素、铪元素中的一种或多种。
11.根据权利要求9所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述对所述光电感应层进行梯度氧化，得到梯度氧化层包括：
在空气气氛中，利用加热板对所述衬底进行加热，使得所述光电感应层被梯度氧化，得到梯度氧化层，所述加热板的加热面与衬底接触。
12.根据权利要求9所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述对所述光电感应层进行梯度氧化，得到梯度氧化层包括：
在空气气氛中，利用加热炉对所述衬底进行加热，使得所述光电感应层被梯度氧化，得到梯度氧化层。
13.根据权利要求9所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述梯度氧化的温度为300℃~600℃，所述梯度氧化的氧化时间为1h~5h。
14.根据权利要求9所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述梯度氧化的温度为恒温氧化；或，
所述梯度氧化的温度为变温氧化，所述变温氧化的规律为：将所述衬底在300℃，氧化0.4h~2.5h，升温至400℃氧化0.3h~1.5h，升温至500℃氧化0.2h~0.5h，升温至600℃氧化0.1h~0.5h。
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