CN114914315A - 一种基于深能级缺陷态的CdTe宽光谱探测器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于深能级缺陷态的CdTe宽光谱探测器及其工作方法，特点是使用分子束外延系统并通过范德华外延方式调控制备具有深能级的CdTe外延薄膜。采用简单的水溶法，可实现CdTe外延薄膜的大面积剥离与转移。将CdTe外延薄膜转移到表面含有SiO2薄层膜的重掺Si晶圆衬底上，再利用标准的光刻工艺，结合金属热蒸镀技术实现所设计的CdTe宽光谱探测器。利用本发明，可使CdTe光电探测器的探测范围得到拓展，截止波长从原来的870纳米拓展到1.65微米，实现由紫外到长波近红外波段的宽谱探测，故在光纤通信波段1.3到1.6微米的光电器件，以及中心波长为1.25微米和1.6微米的白天和夜间微弱辉光的成像应用等方面具有巨大应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件制造领域，尤其是一种基于深能级缺陷态的CdTe宽光谱探测器及其工作方法。具有深能级缺陷态的CdTe外延薄膜作为沟道材料，利用栅极电压调控深能级态的占据和未被占据情况，来实现CdTe光电探测器响应谱的拓展。
背景技术
CdTe是一种重要的II-VI族化合物半导体，常应用于室温高能射线探测领域、太阳能电池领域以及作为经典红外探测材料碲镉汞外延生长的衬底材料。
近年来，CdTe由于具有较低的暗电流和优良的光电性质，在光电探测领域受到了广泛关注。CdTe的带隙为1.5eV，能量低于1.5eV即波长大于830纳米的光子则无法探测，这使得CdTe在光电探测器应用受到极大的限制。有关CdTe材料各类缺陷能级及不同能级载流子寿命的研究十分广泛，但将其应用于电子器件和光电探测器领域的研究较少。
CdTe是典型的II-VI半导体材料，它不仅有共价键成键更有离子键作用，这导致CdTe晶体易于出现不同的缺陷态，如反位原子、间隙原子等，从而导致浅能级和深能级缺陷态等。尽管对这些缺陷能级相关的物理进行深入系统的研究，但利用深能级态物理现象，来研制电子器件和光电子器件并未涉及。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于深能级缺陷态，来拓展CdTe光电探测器的响应谱及其工作方法，以弥补背景技术中所述的不足。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于深能级缺陷态的CdTe宽光谱探测器，该探测器基于晶体管结构，特点是使用分子束外延系统，在范德华衬底上制备具有深能级缺陷态的CdTe外延薄膜；将所述CdTe外延薄膜转移到表面含有SiO2薄层膜的重掺Si晶圆衬底上作为沟道材料；采用氩离子刻蚀和光刻将CdTe外延薄膜图形化，利用光刻和金属热蒸镀法制备Cr/Au金属电极作为源漏电极，在划去氧化层的重掺硅上涂Ag浆作为栅电极，即构成所述的CdTe宽光谱探测器。
所述范德华衬底为云母即Mica、石墨烯、MoTe2、WSe2或NbSe2。
所述具有深能级缺陷态的CdTe外延薄膜，在制备过程中，是通过调控分子束外延系统中的束流比为CdTe:Te=1:1.9-2.1和生长温度为270-300℃制得的CdTe外延薄膜，通过控制生长时间，从几十分钟至几小时，厚度从几十纳米到10微米。
所述薄膜转移是将聚二甲基硅氧烷即PDMS薄膜粘在CdTe外延薄膜表面，随后将PDMS/CdTe/Mica放置于去离子水中浸泡1-6小时，待PDMS/CdTe薄膜与Mica衬底分离后，将其对粘在表面含有SiO2薄层膜的重掺Si晶圆衬底上，最后将PDMS取下。
所述薄膜图形化是在CdTe外延薄膜上旋涂AZ5214光刻胶，以500-1000转/分钟旋转5-10秒后，以3000-5000转/分钟旋转30-60秒；在加热板上以70-110℃加热1-5分钟完成前烘；在紫外光刻机中，用定制的沟道宽度为50-500微米的光刻掩膜版与样品对准后，曝光10-30秒；将曝光后的CdTe外延薄膜放置于显影液中20-40秒后，用去离子水冲洗并用氮气枪吹干；随后用氩离子刻蚀3-6分钟；将CdTe外延薄膜放置于丙酮中浸泡15-50分钟去除用于保护图形化薄膜的光刻胶。
所述源漏电极是在图形化的CdTe外延薄膜上旋涂PMMA光刻胶，以500-1000转/分钟旋转5-10秒后，以3000-5000转/分钟旋转30-60秒；在加热板上以100-180℃加热1-5分钟完成前烘；在电子束光刻机中根据DesignCAD设计的图案光刻成为沟道长度为1.5-10微米可调的图形；将曝光后的CdTe外延薄膜放置于显影液中6-10秒后，用异丙醇冲洗并用氮气枪吹干；随后使用热蒸发镀膜法蒸镀金属电极，所用金属及其厚度为Cr：10-20纳米/Au：50-200纳米；将蒸镀金属后的样品放入丙酮溶液中，浸泡15-50分钟，完成对除金属电极外金属层的剥离；所述栅电极为在划去氧化层的重掺硅上涂Ag浆。
本发明还提供一种上述CdTe宽光谱探测器的工作方法，若向所述探测器的栅极施加正向电压，探测器的探测范围得到拓展，截止波长从原来的870纳米拓展到1.65微米，实现由紫外到长波近红外波段的宽谱探测。
本发明的有益效果：
1、利用本发明，可以在室温下将CdTe光电探测器的截止波长从原来的870纳米拓展到1.65微米，实现由紫外到长波近红外波段的宽谱探测，极大地提高了CdTe光电探测器的探测范围，从而丰富了CdTe的应用领域；
2、器件体积小，结构简单，适合光电子器件工艺的加工，从而为红外探测器阵列制备和探测芯片应用奠定基础；
3、器件工作条件要求低，不需要强电场、特殊环境如低温等苛刻条件，具有巨大的潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明的CdTe外延薄膜的光致发光谱及不同能级及跃迁示意图。
图2为本发明所述光电探测器的结构示意图及实物光学照片图。
图3为本发明制备的CdTe宽光谱探测器在不加栅压及栅压为20伏时的响应谱对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的具体实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，均属于本发明的保护范围。
本发明是基于深能级缺陷态的CdTe作为沟道材料来实现的。其中，深能级缺陷是在外延薄膜时通过控制外延工艺参数，生长出具有深能级缺陷态的CdTe外延薄膜。将深能级缺陷态用于光电探测是通过施加栅极电压，调控深能级缺陷态被电子占据情况，为光生载流子提供了更多的量子态，从而达到拓展CdTe光电探测器响应谱的目的。
基于上述实现原理，本发明提供了一种基于深能级缺陷以拓展CdTe响应谱的光电探测器，使用分子束外延系统，在范德华衬底上制备具有深能级缺陷态的CdTe外延薄膜；将该范德华薄膜转移到表面含有SiO2薄层膜的重掺Si晶圆衬底上作为沟道材料；采用氩离子刻蚀和光刻将CdTe外延薄膜图形化，利用光刻和金属热蒸镀法制备Cr/Au金属电极作为源漏电极，在划去氧化层的重掺硅上涂Ag浆作为栅电极，即构成所述的CdTe宽光谱探测器。其实现方法具体包括如下：
使用分子束外延系统，在范德华衬底云母上制备CdTe外延薄膜。
具有深能级缺陷态的CdTe外延薄膜，是通过控制分子束外延系统中的束流比为1:2.1和生长温度为280℃制得的CdTe外延薄膜，本发明采用的CdTe厚度为500纳米，图1中（a）为本发明所用深能级缺陷态的CdTe外延薄膜的光致发光谱，（b）为不同能级和跃迁过程的示意图。
将聚二甲基硅氧烷即PDMS薄膜粘在CdTe外延薄膜表面，随后将PDMS/CdTe/Mica放置于去离子水中浸泡3h小时，待PDMS/CdTe薄膜与Mica衬底分离后，将其对粘在表面含有SiO2薄层膜的重掺Si晶圆衬底上，最后将PDMS取下。
在CdTe外延薄膜上旋涂AZ5214光刻胶，以500转/分钟旋转5秒后，以3000转/分钟旋转40秒；在加热板上以90℃加热300秒完成前烘；在紫外光刻机中，用定制的沟道宽度为100微米的光刻掩膜版与样品对准后，曝光10秒；将曝光后的CdTe外延薄膜放置于显影液中30秒后，用去离子水冲洗并用氮气枪吹干；随后用氩离子刻蚀300秒；将CdTe外延薄膜放置于丙酮中浸泡15分钟去除用于保护图形化薄膜的光刻胶。
在图形化的CdTe外延薄膜上旋涂PMMA光刻胶，以500转/分钟旋转5秒后，以4000转/分钟旋转40秒；在加热板上以150℃加热300秒完成前烘；在电子束光刻机中根据DesignCAD设计的图案光刻成为沟道长度为1.5微米的图形；将曝光后的CdTe外延薄膜放置于显影液中7秒后，用异丙醇冲洗并用氮气枪吹干；随后使用热蒸发镀膜技术蒸镀金属电极，所用金属及其厚度为Cr：20纳米/Au：100纳米；将蒸镀金属后的样品放入丙酮溶液中，浸泡15分钟，完成对除金属电极外金属层的剥离。图2中（a）为本发明所述光电探测器的结构示意图，（b）为光学照片实物示图。
图3为本发明制备的光电探测器未加栅压以及栅压20伏的响应谱。本发明还提供一种如上所述的基于深能级拓展CdTe响应谱的光电探测器的工作方法，若向所述光电探测器的栅极施加20伏的栅压，截止波长从原来的870纳米拓展到1.65微米，实现由紫外到长波近红外波段的宽谱探测。
实施例
步骤一：选择范德华材料云母作为衬底。使用胶带对云母的表面进行机械剥离，获得清洁表面的云母片。
步骤二：将云母片粘贴于钼盘上，传入型号为Riber 32P的分子束外延系统中。通过控制分子束外延系统中的束流比为1:2.1和生长温度为280℃，有控制的生长富Cd的CdTe外延薄膜，并配以原位的反射高能电子衍射仪监控薄膜的生长状态。
步骤三：取出CdTe薄膜，使用PDMS进行湿法转移，将CdTe薄膜由Mica衬底转移至双面氧化、单面抛光的重掺Si衬底上。即将聚二甲基硅氧烷即PDMS薄膜粘在CdTe外延薄膜表面，随后将PDMS/CdTe/Mica放置于去离子水中浸泡3h小时，待PDMS/CdTe薄膜与Mica衬底分离后，将其对粘在表面含有SiO2薄层膜的重掺Si晶圆衬底上，最后将PDMS取下。
步骤四：利用氩离子刻蚀和光刻，将CdTe薄膜图形化为100微米的规则条状。即在CdTe外延薄膜上旋涂AZ5214光刻胶，以500转/分钟旋转5秒后，以3000转/分钟旋转40秒；在加热板上以90℃加热300秒完成前烘；在紫外光刻机中，用定制的沟道宽度为100微米的光刻掩膜版与样品对准后，曝光10秒；将曝光后的CdTe外延薄膜放置于显影液中30秒后，用去离子水冲洗并用氮气枪吹干；随后用氩离子刻蚀300秒；将CdTe外延薄膜放置于丙酮中浸泡15分钟去除用于保护图形化薄膜的光刻胶。
步骤五：利用光刻和金属热蒸镀法制备面积为1.5微米×100微米的器件，蒸镀20纳米/100纳米的Cr/Au金属电极，作为源漏电极。即在图形化的CdTe外延薄膜上旋涂PMMA光刻胶，以500转/分钟旋转5秒后，以4000转/分钟旋转40秒；在加热板上以150℃加热300秒完成前烘；在电子束光刻机中根据DesignCAD设计的图案光刻成为沟道长度为1.5微米的图形；将曝光后的CdTe外延薄膜放置于显影液中7秒后，用异丙醇冲洗并用氮气枪吹干；随后使用热蒸发镀膜技术蒸镀金属电极，所用金属及其厚度为Cr：20纳米/Au：100纳米；将蒸镀金属后的样品放入丙酮溶液中，浸泡15分钟，完成对除金属电极外金属层的剥离。
步骤六：在划去氧化层的重掺硅上涂Ag浆作为栅电极。
该光电探测器的工作方法为，在栅极施加20伏的正向栅极电压，截止波长从原来的870纳米拓展到1.65微米，实现由紫外到长波近红外波段的宽谱探测。
Claims (7)
1.一种基于深能级缺陷态的CdTe宽光谱探测器，该探测器基于晶体管结构，其特征在于，使用分子束外延系统，在范德华衬底上制备具有深能级缺陷态的CdTe外延薄膜；将所述CdTe外延薄膜转移到表面含有SiO2薄层膜的重掺Si晶圆衬底上作为沟道材料；采用氩离子刻蚀和光刻将CdTe外延薄膜图形化，利用光刻和金属热蒸镀法制备Cr/Au金属电极作为源漏电极，在划去氧化层的重掺硅上涂Ag浆作为栅电极，即构成所述的CdTe宽光谱探测器。
2.根据权利要求1所述的CdTe宽光谱探测器，其特征在于：所述范德华衬底为云母即Mica、石墨烯、MoTe2、WSe2或NbSe2。
3.根据权利要求1所述的CdTe宽光谱探测器，其特征在于：所述具有深能级缺陷态的CdTe外延薄膜，在制备过程中，是通过调控分子束外延系统中的束流比为CdTe:Te=1:1.9-2.1和生长温度为270-300℃制得的CdTe外延薄膜，通过控制生长时间，从几十分钟至几小时，厚度从几十纳米到10微米。
4.根据权利要求1所述的CdTe宽光谱探测器，其特征在于：所述薄膜转移是将聚二甲基硅氧烷即PDMS薄膜粘在CdTe外延薄膜表面，随后将PDMS/CdTe/Mica放置于去离子水中浸泡1-6小时，待PDMS/CdTe薄膜与Mica衬底分离后，将其对粘在表面含有SiO2薄层膜的重掺Si晶圆衬底上，最后将PDMS取下。
5.根据权利要求1所述的CdTe宽光谱探测器，其特征在于，所述薄膜图形化是在CdTe外延薄膜上旋涂AZ5214光刻胶，以500-1000转/分钟旋转5-10秒后，以3000-5000转/分钟旋转30-60秒；在加热板上以70-110℃加热1-5分钟完成前烘；在紫外光刻机中，用定制的沟道宽度为50-500微米的光刻掩膜版与样品对准后，曝光10-30秒；将曝光后的CdTe外延薄膜放置于显影液中20-40秒后，用去离子水冲洗并用氮气枪吹干；随后用氩离子刻蚀3-6分钟；将CdTe外延薄膜放置于丙酮中浸泡15-50分钟去除用于保护图形化薄膜的光刻胶。
6.根据权利要求1所述的CdTe宽光谱探测器，其特征在于，所述源漏电极是在图形化的CdTe外延薄膜上旋涂PMMA光刻胶，以500-1000转/分钟旋转5-10秒后，以3000-5000转/分钟旋转30-60秒；在加热板上以100-180℃加热1-5分钟完成前烘；在电子束光刻机中根据DesignCAD设计的图案光刻成为沟道长度为1.5-10微米可调的图形；将曝光后的CdTe外延薄膜放置于显影液中6-10秒后，用异丙醇冲洗并用氮气枪吹干；随后使用热蒸发镀膜法蒸镀金属电极，所用金属及其厚度为Cr：10-20纳米/Au：50-200纳米；将蒸镀金属后的样品放入丙酮溶液中，浸泡15-50分钟，完成对除金属电极外金属层的剥离；所述栅电极为在划去氧化层的重掺硅上涂Ag浆。
7.一种权利要求1至6中任一项所述的CdTe宽光谱探测器的工作方法，其特征在于：若向所述探测器的栅极施加正向电压，探测器的探测范围得到拓展，截止波长从原来的870纳米拓展到1.65微米，实现由紫外到长波近红外波段的宽谱探测。
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