CN114695590A - 晶体管型光电探测器及其制备方法 - Google Patents

晶体管型光电探测器及其制备方法 Download PDF

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魏楠
张志勇
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Abstract

本公开提供一种晶体管型光电探测器，包括：第一电极；第二电极，第二电极与第一电极间隔开；沟道层，沟道层至少设置在第一电极与第二电极之间；光敏层，用于接收光信号；第一介质层，第一介质层设置在沟道层与光敏层之间；以及第二介质层，第二介质层至少设置在光敏层与第一电极之间、和/或至少设置在光敏层与第二电极之间，以便阻断光敏层与第一电极和/或第二电极的导电通道。本公开还提供了一种晶体管型光电探测器的制备方法。

Description

晶体管型光电探测器及其制备方法
技术领域
本公开涉及一种晶体管型光电探测器及其制备方法。
背景技术
例如红外探测器等的光电探测器是夜视仪、光通信、工业质量检测和光谱仪等多种设备的基本组成元件。传统铟镓砷、碲镉汞等外延型红外探测器工艺复杂、价格昂贵，且与硅基CMOS技术不兼容，难以渗透到民用市场，也难以满足新一代智能化单片集成图像传感器的应用需求。
此外通常的晶体管型红外探测器，一般在沟道材料上以热氧化的方式沉积一层厚度小于10nm的氧化钇(高K介质)，而后在其上旋涂胶体量子点作为红外光敏层。在此过程中，源漏电极的侧壁直接与量子点薄膜接触，形成导电通道。这会导致晶体管的暗电流和噪声增大，也会由于量子点通道中较多的散射位点而降低光电探测器的速度。
另外，目前商用光电探测器基于硅、锗、铟镓砷、碲化铟、碲镉汞等半导体材料。但是硅的截止波长短(只有1100nm)，只能用于可见、近红外探测。锗的截止波长达到1.7um，但是性能差(间接带隙、暗电流大、饱和电流低)，目前大多已经被铟镓砷取代。而铟镓砷、碲镉汞需要在三五族、CdTe或ZnCdTe基底上进行外延生长，合成难度大、工艺复杂且成本高，并且与硅基读出电路不兼容，需要用铜柱或铟柱进行异质键合(bonding)，且大多需要额外的制冷装置，这导致目前高性能的红外探测器和芯片价格昂贵。
此外，随着碳纳米管技术的发展，碳纳米管逐渐用于器件中。但是碳纳米管在诸如红外的光电探测领域至今未研究出实用的光电探测器，主要原因有：单根或薄膜碳纳米管的光吸收有限，外量子效率低；BFBD是较为理想的碳纳米管二极管架构，但内建电场仅在源漏接触附近约50nm的区域，受衍射极限的限制红外探测器的像元尺寸多大于1um，因此BFBD器件很难得获得较高的信噪比；Photogating结构是克服量子效率低、内建电场范围小的一个重要途径，但是在当前的Photogating型器件架构下，光电探测器的性能欠佳，且存在响应度/外量子效率和速度的矛盾。
发明内容
为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种晶体管型光电探测器及其制备方法。
根据本公开的一个方面，一种晶体管型光电探测器，包括：
第一电极；
第二电极，所述第二电极与所述第一电极间隔开；
沟道层，所述沟道层至少设置在所述第一电极与所述第二电极之间；
光敏层，用于接收光信号；
第一介质层，所述第一介质层设置在所述沟道层与所述光敏层之间；以及
第二介质层，所述第二介质层至少设置在所述光敏层与所述第一电极之间、和/或至少设置在所述光敏层与所述第二电极之间，以便阻断所述光敏层与所述第一电极和/或第二电极的导电通道。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第二介质层为低介电常数介质层。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第二介质层设置在所述光敏层的量子点薄膜与所述第一电极之间、和/或设置在所述光敏层的量子点薄膜与所述第二电极之间。
根据本公开的至少一个实施方式，在设置所述第二介质层的过程中，在所述沟道层沉积刻蚀阻挡层后在所述沟道层与所述第一电极和/或第二电极沉积所述第二介质层，然后将所述沟道层沉积的所述刻蚀阻挡层与所述第二介质层去除，仅保留所述第一电极和/或第二电极的表面沉积的第二介质层。
根据本公开的至少一个实施方式，所述刻蚀阻挡层的材料为高介电常数材料。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一介质层用于将所述光敏层的内建电场的电场信号变化以电容耦合方式作用至所述沟道层。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一介质层为高介电常数介质层。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括：栅极及栅绝缘层，所述栅绝缘层配置在所述沟道层与所述栅极之间。
根据本公开的至少一个实施方式，所述晶体管型光电探测器配置为全局底栅结构，所述全局底栅结构包括基底，所述基底为掺杂的基底并且作为所述栅极；或者
所述晶体管型光电探测器配置为局部底栅结构，其中所述局部底栅结构包括基底，所述栅极形成于该基底中。
根据本公开的至少一个实施方式，所述晶体管型光电探测器配置为顶栅结构，在所述顶栅结构包括基底，所述基底为透明基底且设置在所述光敏层之下，所述栅绝缘层设置在所述沟道层之上。
根据本公开的至少一个实施方式，所述基底与所述光敏层之间设计有第一功能层，所述第一功能层为滤光层、减反膜和钝化层中的至少一种；和/或
所述光敏层与所述第一介质层之间设计有第二功能层，所述第二功能层用于调节所述晶体管型光电探测器的阈值电压。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一介质层为由高介电常数材料制成的单层介质层或者由不同高介电常数材料制成的两层以上介质层。
根据本公开的至少一个实施方式，所述沟道层为碳纳米管沟道层。
根据本公开的另一方面，一种晶体管型光电探测器的制备方法，包括：
制备沟道层；
制备第一电极和第二电极；
在所述沟道层表面沉积刻蚀阻挡层；
在所述刻蚀阻挡层、所述第一电极和第二电极的表面沉积第二介质层；
去除所述刻蚀阻挡层表面的所述第二介质层，保留所述第一电极和第二电极的表面的第二介质层；
去除所述刻蚀阻挡层；
在所述沟道层表面沉积第一介质层；以及
至少在所述第一介质层的表面制备光敏层。
根据本公开的另一方面，一种晶体管型光电探测器的制备方法，
在基底上制备光敏层；
在所述光敏层上制备第一介质层；
在所述第一介质层上制备沟道层；
在所述光敏层上制备第二介质层；
在所述第二介质层上制备第一电极和第二电极，其中所述第二介质层用于对所述光敏层与所述第一电极和第二电极进行隔离；以及
在所述沟道层上制备栅绝缘层以及制备栅极。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第二介质层为低介电常数介质层。
根据本公开的至少一个实施方式，所述刻蚀阻挡层的材料为高介电常数材料。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一介质层为高介电常数介质层。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开实施方式的光电探测器的结构示意图。
图2是根据本公开实施方式的光电探测器的结构示意图。
图3是根据本公开实施方式的光电探测器的结构示意图。
图4是根据本公开实施方式的光电探测器的结构示意图。
图5是根据本公开实施方式的光电探测器的结构示意图。
图6是根据本公开实施方式的光电探测器的结构示意图。
图7A-图7L是根据本公开实施方式的制备方法的示意图。
图8A-图8L是根据本公开实施方式的制备方法的示意图。
图9A-图9H是根据本公开实施方式的制备方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
为方便起见，在以下描述中，根据本发明的实施例的各种器件几何形状在附图中示出的取向上关于器件进行描述。在描述中使用诸如“之上”、“上方”、“横向”、“垂直”等术语的情况下，不应将这些解释为意味着此类实施例限于在附图中示出的特定方向。应当容易理解，无论器件的物理方向或包括有该器件的装置的物理方向如何，本文描述的器件都将能够正确运行，因此应当相应地解释以下描述。另外，根据本发明的实施例的晶体管包括半导体区域，该半导体区域可包括半导体、半金属或简并掺杂的半导体、或其组合。因此，应相应地解释本文中对“半导体区域”的引用。
这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
根据本公开的一个实施方式，提供了一种晶体管型光电探测器，其中该晶体管型光电探测器可以是红外探测器、可见光探测器、紫外探测器、太赫兹探测器等等。
图1示出了根据本公开的一个实施例的晶体管型光电探测器，其中根据本公开的内容，该晶体管型光电探测器可以为浮栅晶体管型光电探测器。
如图1所示，该晶体管型光电探测器100可以包括基底110，其中在本公开中，基底材料可以为硅、二氧化硅、玻璃、石英、ITO等；或者柔性的PI、PET等柔性基底。
晶体管型光电探测器100可以包括第一电极120和第二电极130。第一电极110和第二电极120可以彼此间隔开，其中第一电极110可以为源极或漏极，而第二电极120可以为漏极或源极。第一电极120和第二电极130可以由任何合适的材料或材料组合形成。可用于第一电极120和第二电极130的材料的示例包括但不限于：金属、导电或半导体金属氧化物、导电或半导体聚合物、掺杂半导体、石墨烯、以及二维(2D)半导体等。作为一个优选示例，第一电极120和第二电极130的材料可以为Ti(钛)、Pd(钯)或Au(金)等金属材料中的一种或多种。
在第一电极120和第二电极130之间可以设置有沟道层140。沟道层140至少设置在第一电极120和第二电极130之间的区域。可用于沟道层140的材料的示例包括但不限于：晶体或非晶硅、半导体金属氧化物、过渡金属硫族化合物、石墨烯、碳纳米管、半导体纳米线、有机半导体等二维材料。在本公开中，沟道层140的材料优选为碳纳米管。例如可以沉积网络状或者顺排的高纯度碳纳米管薄膜，此外，也可以根据实际的需要对碳纳米管的密度来进行控制。此外在二维材料沉积完成后可以对沟道区域之外的二维材料进行刻蚀以避免器件间的电串扰。
在沟道层140上可以设置有第一介质层150。第一介质层150可以设置在沟道层140与下面描述的光敏层160之间。第一介质层150可以为绝缘介质。可用于第一介质层150的材料的示例包括但不限于：SiO2、HfO2、ZrO2、Ta2O5、Y2O3、Nb2O5、Al2O3、TiO2、CeO2、In2O3、RuO2、MgO、SrO、B2O3、SnO2、PbO、PbO2、Pb3O4、V2O3、La2O3、Pr2O3、Sb2O3、Sb2O5、CaO等中的任一种。在本公开中，第一介质层150可以为上述所列材料形成的单层结构。但是第一介质层150也可以是两层以上的结构，例如通过上述所列的不同材料所形成的多层结构。可以通过曝光、热氧化或ALD等工艺来制备第一介质层150。
在本公开中第一介质层150优选为高介电常数介质层。通过该第一介质层150的设计可以实现将光敏层160的内建电场的电场信号变化以电容耦合方式放大并作用至沟道层140。根据本公开的独特器件结构，能够以电容耦合方式实现对光信号(光电压)的有效放大，从而可以获得较高的响应度/外量子效率。在本公开的结构中，光生激子不需要完全分离，只需要产生电偶极子电势，也就是产生电势分布即可。因此可以使得本公开的光电探测器具有极快的响应速度。因此，根据本公开的器件结构，可以解决传统的Photogating型光电探测器中所存在的高响应度与速度难以兼得的弊端，也能够很好地解决光敏层材料与沟道层材料接触，光敏层材料影响沟道层材料的输送特性以及传感机制变得复杂等问题。
晶体管型光电探测器100可以包括光敏层160。光敏层160与第一介质层150相邻设置。光敏层160的材料由所需探测的波段所决定。光敏层160可以设计成p-i-n异质结、p-n反型异质结、n-n同型异质结、p-p同型异质结、n-p-n双异质结、p-n-p双异质结、肖特基结等结结构。在本公开中，优选地光敏层160可以设计成p-i-n异质结，在该p-i-n异质结的结结构中，p区和n区可以设置地较薄，并且i区可以设置地较厚，也就是说i区的设置厚度大于p区和n区的设置厚度。通过这种设置可以有效地抑制多数载流子的隧穿效应，且灵敏度高，结电容小且电路常数小，耗尽层宽，扩散和渡越时间短，响应速度快。
在本公开中，可以通过以下方式来形成光敏层160。作为一个示例，可以通过热蒸发、磁控溅射、电子束蒸镀、原子层沉积、化学气相沉积等方法制备的非晶或多晶薄膜，例如ZnO、TiO2、Si、PbS、PbSe等薄膜来形成光敏层160。作为另一示例，可以通过多晶或单晶的胶体量子点薄膜来形成光敏层160，例如包括Pb系、Hg系、Cd系、Si、氧化物、钙钛矿等量子点体系，如PbS、PbSe、HgTe、Si、CdTe、CdS、ZnO及其核壳结构的量子点。作为再一示例，可以通过单晶或多晶的纳米线、纳米片等组成的薄膜来形成光敏层160，如GaAs、Te等纳米线以及ZnO、HgTe等纳米片。
作为示例，当晶体管型光电探测器为中波红外探测器的情况下，光敏层160的p-i-n结可以为Ag2Te-HgTe-Bi2Se3。当晶体管型光电探测器为短波红外探测器的情况下，光敏层160的p-i-n结可以为p-i-nGeSn、p-Si/i-Ge/n-Ge、PbS-EDT量子点/i-卤素骨架的PbS量子点/n-ZnO或n-TiO2。当晶体管型光电探测器为近红外波探测器的情况下，光敏层160的p-i-n结可以为p-NiOx/i-卤素骨架的PbS量子点/n-ZnO，当晶体管型光电探测器为可见光探测器的情况下，光敏层160的p-i-n结可以为p-i-n硅异质结。当晶体管型光电探测器为紫外光探测器的情况下，光敏层160的p-i-n结可以为ZnO薄膜、p-Si/i-ZnO/n-ZnO的p-i-n异质结。
此外，对于p-i-n结结构，可以在p-i或i-n之间设计功能层，以便更好地实现能带匹配、或提高机械和/或电学稳定性等。例如，可以设计p-NiOx/i-PbS量子点/C60/n-ZnO结构作为光敏层，进行近红外探测，其中C60作为功能层；设计p-Si/SiOx/i-ZnO/n-ZnO作为光敏层，进行紫外光电探测，其中SiOx作为功能层。
在本公开的结构中，内建电场的作用范围可以形成在整个结结构的区域，因此可以很好地解决BFBD器件的内建电场作用范围有限的问题，在BFBD器件中，内建电场的作用范围仅在源漏接触附近约50nm的区域，因此BFBD器件很难获得较高的信噪比。
在下面的描述中，将会以n型氧化锌层161和量子点薄膜162作为光敏层的示例来进行描述，但是对于其他构成形式的光敏层，其原理相同。
晶体管型光电探测器100可以包括第二介质层170，第二介质层可以包括至少设置在光敏层160与第一电极120之间的第二介质层171、和/或至少设置在光敏层160与第二电极130之间的第二介质层172。根据本公开的实施方式，该第二介质层170可以为低介电常数介质层，其材料例如可以为二氧化硅、氮化硅等低介电常数材料。通过该第二介质层170可以在第一电极120和/或第二电极130的表面上增加一层低介电常数介质，从而可以有效地阻断光敏层(量子点薄膜)与第一电极120和/或第二电极130之间的导电通道，从而实现隔离。可以真正实现“光响应”与“电响应”的解耦合，有利于降低光电探测器的暗电流和提升其响应速度。因此通过阻断响应速度较慢的量子点导电通道，可以有效地提高器件的速度。
在本公开的各个实施例中，在设置第二介质层170的过程中，在沟道层140沉积阻挡层后在沟道层140与第一电极120和/或第二电极130沉积第二介质层170，然后将沟道层140沉积的阻挡层与第二介质层170去除，仅保留第一电极120和/或第二电极130的表面沉积的第二介质层170。对于该部分的内容，参照本文中的关于方法的描述将会更加容易理解。
晶体管型光电探测器100可以包括栅绝缘层180。栅绝缘层180可以为任意的绝缘介质，例如可以为SiO2等。在图1中示出了全局底栅结构。在该全局底栅结构中，掺杂的基底110可以作为栅极，并且栅绝缘层180可以设置在基底110和沟道层140之间。
根据本公开的晶体管型光电探测器可以被视为一种理想的探测器结构，促进了“光响应”和“电响应”的分离与协同作用，能够充分发挥光敏层(如胶体量子点)较高的量子效率和低维超薄体(如碳纳米管)优异的静电控制能力，实现较高的灵敏度、响应速度和信噪比。这一结构可以实现可比拟于铟镓砷红外探测器的性能，而且能够进行低成本、晶圆级制备，真正实现产业化应用。
图2示出了根据本公开的另一实施例，该实施例与参照图1所描述的内容的区别在于，可以在光敏层160的外侧设置功能层190，其中该功能层190可以为一层结构也可以为多层结构，例如可以为滤光层、减反膜、封装层等的至少一种。对于与图1的相关描述相同的内容，在此不再赘述。
图3示出了根据本公开的另一实施例的晶体管型光电探测器200的示意图。在该实施例中，光电探测器200可以包括基底210、第一电极220、第二电极230、沟道层240、第一介质层250、光敏层260、第二介质层270、栅绝缘层280和栅极281。
其中，第一电极220、第二电极230、沟道层240、第一介质层250、光敏层260、第二介质层270、栅绝缘层280等的具体描述可以参照第一电极120、第二电极130、沟道层140、第一介质层150、光敏层160、第二介质层170、和栅绝缘层180的详细描述。这里为了简洁起见，不再赘述。同样地，第二介质层271可以设置相对第一电极220设置，而第二介质层272可以相对于第二电极230设置。
图3的实施例与图1的实施例的主要区别在于，在图3中采用了局部底栅结构，而图1采用的是全局底栅结构。
在图3的实施例中，栅极281可以由Ti、Al、Sc、Ni、Pd、Au、Pt等金属材料制成，也可以为金属材料的叠层结构。在本公开中，可以为了实现调控晶体管的阈值来选择栅极金属。可以通过调控施加在底栅金属的电压，可以将晶体管偏置在最佳工作点，实现最佳信噪比。
在图3的实施例中，也可以在光敏层260上设置功能层(如图2的描述)，其中该功能层可以为一层结构也可以为多层结构，例如可以为滤光层、减反膜、封装层等的至少一种。
图4示出了根据本公开的又一实施例的晶体管型光电探测器300的示意图。图4所示的晶体管型光电探测器300可以为顶栅结构的背入射的光电探测器。在该实施例的光电探测器中，可以包括基底310、第一电极320、第二电极330、沟道层340、第一介质层350、光敏层360、第二介质层370、栅绝缘层380和栅极381。其中这些部分的具体描述可以引用上面描述的内容，在此不再赘述。
在本公开中，光敏层360可以设置在基底310之上。基底310可以设置成透明形式(例如由玻璃、石英、ITO等制成)，这样光线可以从如图4所示的基底310的下部进入并且照射至光敏层360。在光敏层360之上可以设置第一介质层350。沟道层340形成在第一电极320和第二电极330之间。
在该实施例中，第二介质层371可以设置在光敏层360与第一电极320之间，并且第二介质层372可以设置在光敏层与第二电极330之间。
根据本公开的进一步实施例，如图5所示，晶体管型光电探测器300还可以包括第一功能层391，其中第一功能层391可以为滤光层、减反膜、钝化层等中的至少一种。其中该第一功能层391可以设置在光敏层360与透明的基底310之间。此外，晶体管型光电探测器300还可以包括第二功能层392。该第二功能层392可以设置在光敏层360和第一介质层350之间，该第二功能层392可以用于调整晶体管型光电探测器的阈值电压，例如该第二功能层392可以为金属层，此外可以为增反膜等。在图5中示出了，第二介质层370位于光敏层360和第二功能层392之间。但是第二介质层也可以设置在光敏层360与第一电极320/第二电极330之间且第二功能层392位于第一介质层371和372之间。
根据本公开的器件结构，可以通过调节晶体管光电探测器的栅压来将其沟道层偏置到最佳工作点，实现最佳信噪比。例如可以采用如图6(以图1为例)所示进行电路连接之后，可以调控施加栅压VGS，以使得沟道层偏置至最佳工作点，从而实现最佳信噪比。其中，对于其他实施例，也可以采用相同的方式。
根据本公开的技术方案，将浮栅晶体管型光电探测器的源漏金属与光敏层隔离，通过这种方法可以有效阻断量子点红外光敏层等的导电通道，促进“光响应”与“电响应”的解耦和协作，实现更低暗电流、更高响应速度。也可以有效地解决BFBD器件的内建电场的作用范围有限很难得获得较高的信噪比的问题，也可以很好解决Photogating型器件所存在响应度/外量子效率和速度的矛盾问题。
尤其是对于沟道层为碳纳米管材料的情况下，本公开的技术方案可以同时获得较快的响应速度、较高的响应度/外量子效率和较大的信噪比。具体而言：在晶圆片上沉积网络状或阵列碳纳米管，实现高质量底栅晶体管的批量制作，由于碳纳米管具有优异的电荷输运性能，可以实现载流子的快速传输。采用ALD、热氧化等方式在碳纳米管上沉积高k介质作为介质层，这一介质层的设计能够实现将电场信号变化以电容耦合的方式放大并作用到碳纳米管；在介质层上采用旋涂、溅射等方式沉积量子薄膜等作为光敏层，具有高外量子效率，能够实现有效光吸收；在光敏层中设计p-i-n异质结、p-n反型异质结、n-n同型异质结、p-p同型异质结、n-p-n双异质结、p-n-p双异质结、肖特基结，实现光生载流子的有效快速分离，形成光电压；通过调控施加在碳纳米管底栅晶体管上的栅压，将碳纳米管偏置在最佳工作点，实现最佳信噪比。
根据本公开的再一实施例，提供了一种晶体管型光电探测器的制备方法。图7示出了一种制备方法的流程图。该制备方法可以对应于如图1的实施例的全局底栅结构，该方法的具体细节内容可以参照关于图1的描述。
如图7A所示，可以在基底110(晶圆)上沉积栅绝缘层180。栅绝缘层180可以为任意的绝缘介质，该晶圆可以为掺杂的基底并且可以作为晶体管型光电探测器的栅极来使用。
如图7B所示，在栅绝缘层上可以沉积沟道层140，例如可以沉积网络状或顺排的高纯度碳纳米管薄膜。如上面说明的，也可以采用晶体或非晶硅、半导体金属氧化物、过渡金属硫族化合物、石墨烯、半导体纳米线、有机半导体等其他二维材料来进行沉积形成沟道层。在本公开中，可以对沉积的碳纳米管的密度进行相应的控制。此外，在碳纳米管沉积完成之后，可以进行高温退火，并且采用例如氧化钇清洗技术来去除碳纳米管表面的有机聚合物。
如图7C所示，可以对沟道层140进行刻蚀。例如可以用等离子体来刻蚀碳纳米管等。可以诸如曝光、干法刻蚀等工艺对碳纳米管薄膜进行图形化，并且刻蚀沟道区域之外的碳纳米管，从而避免器件之间的电串扰。
如图7D所示，可以制备第一电极120和第二电极130。其中具体地，可以采用曝光、电子束镀膜等微加工工艺来沉积金属材料从而制备第一电极和第二电极。第一电极和第二电极的材料可以为Ti、Pd或Au等金属材料中的一种或多种。
如图7E所示，在形成第一电极120和第二电极130之后，可以通过沉积等形成刻蚀阻挡层171。作为一个示例，例如可以采用电子束蒸镀金属钇，然后进行热氧化，从而在沟道层上形成氧化钇来作为刻蚀阻挡层，这里氧化钇等高介电常数介质层是作为刻蚀阻挡层而非作为浮栅介质层(第一介质层)。
如图7F所示，可以在刻蚀阻挡层171、第一电极120和/或第二电极130的表面沉积第二介质层170，这里第二介质层可以作为隔离层。其中沉积材料可以为低介电常数材料，例如二氧化硅、氮化硅等材料。
如图7G所示，可以将沟道区域的第二介质层去除。例如可以以光刻胶为掩膜，通过干法刻蚀来去除沟道区域的第二介质层。这样仅在第一电极120和/或第二电极130的表面留下第二介质层。
如图7H所示，可以将刻蚀阻挡层去除。例如可以通过盐酸洗去氧化钇层等。
如图7I所示，在沟道层140上沉积第一介质层150，其中第一介质层的材料可以为高介电常数材料，例如可以为氧化铪、氧化铝、氧化钇等材料，这里第一介质层可以作为浮栅介质层。
如图7J所示，可以在第一介质层上沉积氧化锌层161。如图7K所示，可以在氧化锌层上及第二介质层上旋涂量子点，以形成量子点薄膜。如图7K所示，光敏层可以制备成二层至三层结构，光敏层的材料根据所需探测波段所确定。并且光敏层制备成可以促进光生载流子的有效分离。光敏层可以制备成p-i-n异质结、p-n反型异质结、n-n同型异质结、p-p同型异质结、n-p-n双异质结、p-n-p双异质结、肖特基结等结结构。在本公开中，光敏层优选为p-i-n异质结。例如在进行中波红外探测的情况下，光敏层的p-i-n结可以为Ag2Te-HgTe-Bi2Se3。当晶体管型光电探测器为短波红外探测器的情况下，光敏层的p-i-n结可以为p-i-nGeSn、p-Si/i-Ge/n-Ge、p-PbS-EDT量子点/i-卤素骨架的PbS量子点/n-ZnO或n-TiO2。当晶体管型光电探测器为近红外波探测器的情况下，光敏层的p-i-n结可以为p-NiOx/i-卤素骨架的PbS量子点/n-ZnO，当晶体管型光电探测器为可见光探测器的情况下，光敏层的p-i-n结可以为p-i-n硅异质结。当晶体管型光电探测器为紫外光探测器的情况下，光敏层的p-i-n结可以为ZnO薄膜、p-Si/i-ZnO/n-ZnO的p-i-n异质结。
在该实施例中，还可以包括在光敏层上制备一层或多层功能层，例如可以为滤光层、减反膜、封装层等的至少一种。
进一步地还可以包括进行如图7L所示的电路连接，进行相应的光电性能测试，通过调控底栅工作电压获得最佳信噪比。
图8示出了根据本公开的晶体管型光电探测器的制备方法。该制备方法可以对应于如图3的实施例的局部底栅结构，该方法的具体特征内容可以参照关于图3的描述。
如图8A所示，在基底210(晶圆)上加工栅极281结构，并且沉积栅极金属来制备栅极。
如图8B所示，可以在晶圆及栅极结构之上沉积栅绝缘层280。栅绝缘层可以为任意的绝缘介质。
如图8C所示，在栅绝缘层上可以沉积沟道层240，例如可以沉积网络状或顺排的高纯度碳纳米管薄膜。如上面说明的，也可以采用晶体或非晶硅、半导体金属氧化物、过渡金属硫族化合物、石墨烯、半导体纳米线、有机半导体等其他二维材料来进行沉积形成沟道层。在本公开中，可以对沉积的碳纳米管的密度进行相应的控制。此外，在碳纳米管沉积完成之后，可以进行高温退火，并且采用例如氧化钇清洗技术来去除碳纳米管表面的有机聚合物。
如图8D所示，可以对沟道层240进行刻蚀。例如可以用等离子体来刻蚀碳纳米管等。可以诸如曝光、干法刻蚀等工艺对碳纳米管薄膜进行图形化，并且刻蚀沟道区域之外的碳纳米管，从而避免器件之间的电串扰。
如图8E所示，可以制备第一电极220和第二电极230。其中具体地，可以采用曝光、电子束镀膜等微加工工艺来沉积金属材料从而制备第一电极和第二电极。第一电极和第二电极的材料可以为Ti、Pd或Au等金属材料中的一种或多种。
如图8F所示，在形成第一电极220和第二电极230之后，可以通过沉积等形成刻蚀阻挡层271。作为一个示例，例如可以采用电子束蒸镀金属钇，然后进行热氧化，从而在沟道层上形成氧化钇来作为刻蚀阻挡层，这里氧化钇等高介电常数介质层是作为刻蚀阻挡层而非作为浮栅介质层(第一介质层)。
如图8G所示，可以在刻蚀阻挡层271、第一电极220和/或第二电极230的表面沉积第二介质层270，这里第二介质层可以作为隔离层。其中沉积材料可以为低介电常数材料，例如二氧化硅、氮化硅等材料。
如图8H所示，可以将沟道区域的第二介质层去除。例如可以以光刻胶为掩膜，通过干法刻蚀来去除沟道区域的第二介质层。这样仅在第一电极220和/或第二电极230的表面留下第二介质层。
如图8I所示，可以将刻蚀阻挡层去除。例如可以通过盐酸洗去氧化钇层等。
如图8J所示，在沟道层240上沉积第一介质层250，其中第一介质层的材料可以为高介电常数材料，例如可以为氧化铪、氧化铝、氧化钇等材料，这里第一介质层可以作为浮栅介质层。
如图8K所示，可以在第一介质层上沉积氧化锌层261。如图8L所示，可以在氧化锌层上及第二介质层上旋涂量子点，以形成量子点薄膜。如图8L所示，光敏层可以制备成二层至三层结构，光敏层的材料根据所需探测波段所确定。并且光敏层制备成可以促进光生载流子的有效分离。光敏层可以制备成p-i-n异质结、p-n反型异质结、n-n同型异质结、p-p同型异质结、n-p-n双异质结、p-n-p双异质结、肖特基结等结结构。在本公开中，光敏层优选为p-i-n异质结。例如在进行中波红外探测的情况下，光敏层的p-i-n结可以为Ag2Te-HgTe-Bi2Se3。当晶体管型光电探测器为短波红外探测器的情况下，光敏层的p-i-n结可以为p-i-nGeSn、p-Si/i-Ge/n-Ge、p-PbS-EDT量子点/i-卤素骨架的PbS量子点/n-ZnO或n-TiO2。当晶体管型光电探测器为近红外波探测器的情况下，光敏层的p-i-n结可以为p-NiOx/i-卤素骨架的PbS量子点/n-ZnO，当晶体管型光电探测器为可见光探测器的情况下，光敏层的p-i-n结可以为p-i-n硅异质结。当晶体管型光电探测器为紫外光探测器的情况下，光敏层的p-i-n结可以为ZnO薄膜、p-Si/i-ZnO/n-ZnO的p-i-n异质结。
在该实施例中，还可以包括在光敏层上制备一层或多层功能层，例如可以为滤光层、减反膜、封装层等的至少一种。
进一步地还可以包括进行将第一电极和第二电极连接，以及将栅极与第二电极连接，进行相应的光电性能测试，通过调控底栅工作电压获得最佳信噪比。
图9示出了如图4所示的顶栅结构的背入射的光电探测器的制备方法的示意图。图4的相关内容均可以并入本部分的描述中。
如图9A所示，在基底310(晶圆)上沉积光敏层360。光敏层360可以采用上述的各种光敏层的结构，例如量子点薄膜和氧化锌层的形式等等。
如图9B所示，在光敏层360上沉积第一介质层350，其中第一介质层的材料可以为高介电常数材料，例如可以为氧化铪、氧化铝、氧化钇等材料，这里第一介质层可以作为浮栅介质层。
如图9C所示，在第一介质层350上可以沉积沟道层340，例如可以沉积网络状或顺排的高纯度碳纳米管薄膜。如上面说明的，也可以采用晶体或非晶硅、半导体金属氧化物、过渡金属硫族化合物、石墨烯、半导体纳米线、有机半导体等其他二维材料来进行沉积形成沟道层。
图9D所示，可以在光敏层360上沉积第二介质层370，这里第二介质层可以作为隔离层。其中沉积材料可以为低介电常数材料，例如二氧化硅、氮化硅等材料。
如图9E所示，可以制备第一电极320和第二电极330。其中具体地，可以采用曝光、电子束镀膜等微加工工艺来沉积金属材料从而制备第一电极和第二电极。第一电极和第二电极的材料可以为Ti、Pd或Au等金属材料中的一种或多种。
如图9F所示，可以在沟道层340上沉积栅绝缘层280。栅绝缘层可以为任意的绝缘介质。
如图9G所示，可以在栅绝缘层280加工栅极381。
如图9H所示，进行如图7L所示的电路连接，进行相应的光电性能测试，通过调控底栅工作电压获得最佳信噪比。
需要说明的是，无论是说明书还是权利要求书中，步骤的文字描述顺序并不用于限定步骤的实施顺序，步骤的实施顺序可以进行调整。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
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至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种晶体管型光电探测器，其特征在于，包括：
第一电极；
第二电极，所述第二电极与所述第一电极间隔开；
沟道层，所述沟道层至少设置在所述第一电极与所述第二电极之间；
光敏层，用于接收光信号；
第一介质层，所述第一介质层设置在所述沟道层与所述光敏层之间；以及
第二介质层，所述第二介质层至少设置在所述光敏层与所述第一电极之间、和/或至少设置在所述光敏层与所述第二电极之间，以便阻断所述光敏层与所述第一电极和/或第二电极的导电通道。
2.如权利要求1所述的晶体管型光电探测器，其特征在于，所述第二介质层为低介电常数介质层。
3.如权利要求1所述的晶体管型光电探测器，其特征在于，所述第二介质层设置在所述光敏层的量子点薄膜与所述第一电极之间、和/或设置在所述光敏层的量子点薄膜与所述第二电极之间。
4.如权利要求1所述的晶体管型光电探测器，其特征在于，
可选地，在设置所述第二介质层的过程中，在所述沟道层沉积刻蚀阻挡层后在所述沟道层与所述第一电极和/或第二电极沉积所述第二介质层，然后将所述沟道层沉积的所述刻蚀阻挡层与所述第二介质层去除，仅保留所述第一电极和/或第二电极的表面沉积的第二介质层，
可选地，所述刻蚀阻挡层的材料为高介电常数材料，
可选地，所述第一介质层用于将所述光敏层的内建电场的电场信号变化以电容耦合方式作用至所述沟道层，
可选地，所述第一介质层为高介电常数介质层。
5.如权利要求1至4中任一项所述的晶体管型光电探测器，其特征在于，还包括：栅极及栅绝缘层，所述栅绝缘层配置在所述沟道层与所述栅极之间，
可选地，所述晶体管型光电探测器配置为全局底栅结构，所述全局底栅结构包括基底，所述基底为掺杂的基底并且作为所述栅极；或者所述晶体管型光电探测器配置为局部底栅结构，其中所述局部底栅结构包括基底，所述栅极形成于该基底中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的晶体管型光电探测器，其特征在于，
可选地，所述晶体管型光电探测器配置为顶栅结构，在所述顶栅结构包括基底，所述基底为透明基底且设置在所述光敏层之下，所述栅绝缘层设置在所述沟道层之上，
可选地，所述基底与所述光敏层之间设计有第一功能层，所述第一功能层为滤光层、减反膜和钝化层中的至少一种；和/或所述光敏层与所述第一介质层之间设计有第二功能层，所述第二功能层用于调节所述晶体管型光电探测器的阈值电压。
7.如权利要求1至6中任一项所述的晶体管型光电探测器，其特征在于，
可选地，所述第一介质层为由高介电常数材料制成的单层介质层或者由不同高介电常数材料制成的两层以上介质层，
可选地，所述沟道层为碳纳米管沟道层。
8.一种晶体管型光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
制备沟道层；
制备第一电极和第二电极；
在所述沟道层表面沉积刻蚀阻挡层；
在所述刻蚀阻挡层、所述第一电极和第二电极的表面沉积第二介质层；
去除所述刻蚀阻挡层表面的所述第二介质层，保留所述第一电极和第二电极的表面的第二介质层；
去除所述刻蚀阻挡层；
在所述沟道层表面沉积第一介质层；以及
至少在所述第一介质层的表面制备光敏层。
9.一种晶体管型光电探测器的制备方法，其特征在于，
在基底上制备光敏层；
在所述光敏层上制备第一介质层；
在所述第一介质层上制备沟道层；
在所述光敏层上制备第二介质层；
在所述第二介质层上制备第一电极和第二电极，其中所述第二介质层用于对所述光敏层与所述第一电极和第二电极进行隔离；以及
在所述沟道层上制备栅绝缘层以及制备栅极。
10.如权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，
可选地，所述第二介质层为低介电常数介质层，
可选地，所述刻蚀阻挡层的材料为高介电常数材料，
可选地，所述第一介质层为高介电常数介质层。
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