CN114883431A - 一种紫外/红外双波段光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外/红外双波段光电探测器及其制备方法，其工作原理是氧化镓晶体材料实现紫外光的光电探测，硒化铅薄膜材料实现中波红外光的探测。该探测器结构中，氧化镓为块状晶体结构，硒化铅为纳米薄膜结构，氧化镓衬底既具有了紫外光响应的光学功能，也承担了硒化铅薄膜的衬底功能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是涉及一种紫外/红外双波段光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是机械的“眼睛”，在机器人、无人驾驶、制导导弹等机械自动化场合有着重要的应用。随着应用场景的多样化和特殊性，近年来，光电探测技术正朝着非制冷探测、高分辨探测、高光谱成像、多波段探测等精细化方向发展。
以制导导弹为例，其自动寻的系统的原理是利用安装在导引头上的探测器探测目标辐射或反射的信息(如无线电波、红外线、激光、可见光等)，进而导引导弹攻击目标，实现“发射后不管”。但是，现代战场中，任何单一制导方式都难以满足实战环境的复杂性，例如导弹需要满足远程化、全天候、高精度、多用途等要求，以及各种隐射技术的应用，这就要求导弹的制导必须是多方式的复合制导。因此，发展了电视+红外多模制导，微波+毫米波多模制导，红外+激光多模制导，红外+紫外多模制导等技术。
应用于复合制导导弹的光电探测器，常见的技术就是采用双色或多色探测[赵志刚,王鑫等:国外中长波双波段红外成像技术的发展及应用]，来提高目标识别的准确度，降低预警系统虚警率。例如，为实现双波段探测，司俊杰等发明的InAs/GaSb双色超晶格结构[一种叠层双色红外焦平面探测器及其制备,CN107706261B]，Yang Qi等设计了Ge/Graphene/CdS三明治结构的可见/红外双波段探测器[ACS Photonics 2021,8,1027-1033]，天津津航物理技术研究所发明了一种紫外-可见双色探测器[CN202011337520.3]，姚官生等人发明了CdS/InSb双色探测器[CN 106342342 B]。按文献报道，美国紫外/红外双色探测器在毒刺便携式地空导弹以得到实际应用，单发命中率大于50％。本发明针对多波段复合制导的应用需求，提出一种基于氧化镓/硒化铅复合材料的紫外日盲和中波红外的双波段光电探测器。
发明内容
鉴于以上所述双色探测的应用需求，本发明的目的在于提供一种紫外/红外双波段光电探测器及其制备方法。
氧化镓，Ga2O3，别名三氧化二镓，是一种透明的宽禁带半导体材料。随着晶体制备技术的提高，近年将这一材料应用于光电子领域的研究较为火热，被誉为第四代半导体材料。因其宽带隙具有紫外光区域，本发明选用氧化镓单晶作为紫外探测器。
硒化铅，PbSe，是一种非制冷条件下能实现中波红外探测的薄膜材料，本发明选其作为红外响应材料。将以上两种材料复合，形成器件具有紫外和红外双波段光电探测功能。
因此，本发明的技术方案是：
根据本发明的第一技术方案，提供了一种紫外/红外双波段光电探测器，包括氧化镓基底、硒化铅薄膜以及钝化层，所述硒化铅薄膜位于所述氧化镓基底之上，在所述氧化镓基底和所述硒化铅上面设有导电金属层，在光敏功能区域表面覆盖所述钝化层，所述光敏功能区域包括所述氧化镓基底未被所述硒化铅薄膜覆盖的区域以及所述硒化铅薄膜的上端面。
进一步，所述氧化镓基底为采用提拉法、导模法或浮区法制备并经过切割、抛光得到厚度0.5～1mm的单晶片。
进一步，所述硒化铅薄膜采用化学水浴法制备或由物理气相沉积法制得，所述硒化铅薄膜的厚度为0.5～2um。
进一步，所述钝化层为Al2O3薄膜、SiO2薄膜、SiN薄膜、有机薄膜中的一种。
根据本发明的第二技术方案，提供一种紫外/红外双波段光电探测器的制备方法，所述方法包括：
步骤1、将氧化镓单晶切割成方形小片，抛光，得到氧化镓基底，根据应用场景和封装管壳来确定所述氧化镓基底的厚度和长度；
步骤2、在所述氧化镓基底上沉积硒化铅薄膜，在沉积过程中采用掩模版遮住部分氧化镓衬底，使得硒化铅薄膜仅在部分氧化镓基底上沉积；
步骤3、借助掩模版，在氧化镓和硒化铅层上制备钝化层，得到氧化镓/硒化铅/钝化层复合结构层；
步骤4、在氧化镓/硒化铅/钝化层复合结构层上制备电极，形成芯片结构；
步骤5、将芯片结构置于封装底座，点焊金线，封装管壳，形成紫外/红外双波段光电探测器。
进一步，所述氧化镓基底的厚度0.5～1mm，长宽2～10mm。
进一步，在所述氧化镓基底上沉积硒化铅薄膜，包括：
以醋酸铅、硒脲和氢氧化钾水溶液组成反应液，在60～80摄氏度的水浴中，化学反应生成硒化铅薄膜，并将所述硒化铅薄膜沉积在氧化镓基底上。
进一步，在所述氧化镓基底上沉积硒化铅薄膜，包括：
以多晶硒化铅为原料置于真空炉中，在坩埚中以中频加热、电阻加热或电子束轰击的方法，使得硒化铅升华得到硒化铅薄膜，进而沉积在氧化镓基底上。
进一步，所述钝化层为Al2O3薄膜、SiO2薄膜、SiN薄膜、有机薄膜中的一种。
进一步，所述电极材料为Cr/Au或Al/Au。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备工艺简单，器件具备紫外探测和中波红外双波段光电探测性能，既降低探测误警率，又提高了器件结构的紧凑性；
(2)特别是，本发明的器件能实现非制冷的光电探测，同其他同类产品相比，非制冷工作的优势使得其用于导引头等场合，无需制冷措施，大大提高导引系统的可靠性提高。
(3)利用本发明的氧化镓/硒化铅复合材料结构，不仅可用于双波段探测的单元探测器，通过进一步的工艺改进，制成以该结构为单元像素的面阵，可实现非制冷的双波段成像相机。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1为氧化镓衬底示意图；
图2为氧化镓衬底上生长了硒化铅薄膜示意图；
图3为氧化镓/硒化铅复合结构上制备了钝化层结构；
图4为氧化镓/硒化铅/钝化层复合结构上制备了电极结构的芯片示意图；
图5为芯片结构与封装管壳点焊后，形成的双波段探测器示意图；
图6为氧化镓/硒化铅探测器对365nm紫外光的光电响应测试结果图；
图7为氧化镓/硒化铅探测器对2.7um红外光的光电响应测试结果图。
图1～图5中，其中1-氧化镓基底；2-硒化铅薄膜；3-钝化层；4-导电电极；5-封装管壳；6-导电焊线；7-管脚。
具体实施方式
以下列举的部分实施例仅仅是为了更好地对本发明进行说明，但本发明的内容并不局限在应用于所举的实施例中。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整而应用于其他实施例中，仍在本发明的保护范围之内。
现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
实施例1：氧化镓/硒化铅探测器芯片的制备
参照图1和图2，本发明提供一种以氧化镓单晶为衬底，硒化铅薄膜附着于氧化镓衬底之上的光敏复合材料结构。1为氧化镓基底，2为水浴法制备的硒化铅薄膜。
其中，氧化镓采用导模法制备，β-Ga2O3,抛光后切割成长宽2mm*5mm厚度1mm的晶片。
其中，硒化铅薄膜用水浴法制备，以醋酸铅、硒脲和氢氧化钾水溶液组成反应液。将氧化镓衬底置于专门的掩模版结构中，再放入反应液。反应液在80摄氏度的水浴中，保温1小时，氧化镓衬底上生成硒化铅薄膜，厚度0.6um左右。此时，整个结构如图2所示。
参照图3，借助特定结构的掩模版，在氧化镓/硒化铅薄膜上，磁控溅射Al2O3层作为钝化层，厚度200nm。
参照图4，在氧化镓/硒化铅/氧化铝复合薄膜上，制备Cr/Au金属电极。
上述步骤的实施，即完成光电芯片的制作。
实施例2：氧化镓/硒化铅探测器芯片封装及产品测试
参照图5，通过实施例1形成的芯片，经过点焊封装，形成性能优良的氧化镓/硒化铅探测器，并测试该探测器的紫外和红外光电响应性能。
紫外测试光源为365nm激光光源，红外光源为2.7um激光光源，在非制冷条件下，光电响应测试结果如图6和图7所示。图6和图7中，横坐标表示时间，单位为S，纵坐标表示光电流信号的相对强度，单位为a.u。结果表明，该探测器在非制冷条件下，很好的实现了紫外和中波红外双波段探测性能。
最后，无论是该器件结构设计的紧凑性，还是器件双波段探测性能的优异性，特别是其非制冷条件下工作的优势，均验证了本发明的巧妙、新颖和应用前景。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种紫外/红外双波段光电探测器，其特征在于，包括氧化镓基底、硒化铅薄膜以及钝化层，所述硒化铅薄膜位于所述氧化镓基底之上，在所述氧化镓基底和所述硒化铅上面设有导电金属层，在光敏功能区域表面覆盖所述钝化层，所述光敏功能区域包括所述氧化镓基底未被所述硒化铅薄膜覆盖的区域以及所述硒化铅薄膜的上端面。
2.根据权利要求1所述的紫外/红外双波段光电探测器，其特征在于，所述氧化镓基底为采用提拉法、导模法或浮区法制备并经过切割、抛光得到厚度0.5～1mm的单晶片。
3.根据权利要求1所述的紫外/红外双波段光电探测器，其特征在于，所述硒化铅薄膜采用化学水浴法制备或由物理气相沉积法制得，所述硒化铅薄膜的厚度为0.5～2um。
4.根据权利要求1所述的紫外-红外双波段光电探测器，其特征在于，所述钝化层为Al2O3薄膜、SiO2薄膜、SiN薄膜、有机薄膜中的一种。
5.一种紫外/红外双波段光电探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、将氧化镓单晶切割成方形小片，抛光，得到氧化镓基底，根据应用场景和封装管壳来确定所述氧化镓基底的厚度和长度；
步骤2、在所述氧化镓基底上沉积硒化铅薄膜，在沉积过程中采用掩模版遮住部分氧化镓衬底，使得硒化铅薄膜仅在部分氧化镓基底上沉积；
步骤3、借助掩模版，在氧化镓和硒化铅层上制备钝化层，得到氧化镓/硒化铅/钝化层复合结构层；
步骤4、在氧化镓/硒化铅/钝化层复合结构层上制备电极，形成芯片结构；
步骤5、将芯片结构置于封装底座，点焊金线，封装管壳，形成紫外/红外双波段光电探测器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述氧化镓基底的厚度0.5～1mm，长宽2～10mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述氧化镓基底上沉积硒化铅薄膜，包括：
以醋酸铅、硒脲和氢氧化钾水溶液组成反应液，在60～80摄氏度的水浴中，化学反应生成硒化铅薄膜，并将所述硒化铅薄膜沉积在氧化镓基底上。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述氧化镓基底上沉积硒化铅薄膜，包括：
以多晶硒化铅为原料置于真空炉中，在坩埚中以中频加热、电阻加热或电子束轰击的方法，使得硒化铅升华得到硒化铅薄膜，进而沉积在氧化镓基底上。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述钝化层为Al2O3薄膜、SiO2薄膜、SiN薄膜、有机薄膜中的一种。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电极材料为Cr/Au或Al/Au。
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| CN202210613902.7A CN114883431A (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 一种紫外/红外双波段光电探测器及其制备方法 |
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| CN202210613902.7A CN114883431A (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 一种紫外/红外双波段光电探测器及其制备方法 |
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| JPH08186278A (ja) * | 1994-12-27 | 1996-07-16 | Toshiba Corp | 半導体赤外線検知素子 |
| CN104900744A (zh) * | 2015-04-24 | 2015-09-09 | 原子健 | 一种中红外探测器及其制备方法 |
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-
2022
- 2022-05-31 CN CN202210613902.7A patent/CN114883431A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPH08186278A (ja) * | 1994-12-27 | 1996-07-16 | Toshiba Corp | 半導体赤外線検知素子 |
| CN104900744A (zh) * | 2015-04-24 | 2015-09-09 | 原子健 | 一种中红外探测器及其制备方法 |
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