CN115101603B - 一种光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光探测器，包括：衬底；第一导电层，设置于衬底上，且第一导电层为量子点结构的高铝组分p型掺杂层；光敏层和第二导电层，依次设置于第一导电层上；第一电极和第二电极，分别设置于衬底和第二导电层上，第一电极与第一导电层电接触，第二电极与第二导电层电接触；第二导电层至少除第二电极遮挡的部分为透明的。本发明中的器件，具有较高的感光效率，生产成本较低，且通过在第一导电层中设置量子点结构提升了光敏层中光生载流子的分离效率，能够实现对光信号的有效监控。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及到一种光探测器。
背景技术
光探测器是利用半导体对光的吸收所引起的光电导、光生伏特和光热效应而制成的探测器，在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。按照工作波段的不同，光探测器可分为紫外、可见、红外光探测器。目前，光探测器常用于导弹追踪、海上破雾引航、火灾预警、生化检测、生物医学等领域，而在这些领域应用中，高灵敏度和高信噪比无疑成为人们追逐的焦点。但是，在电弧监控(当电气线路或设备中出现绝缘老化破损、电气连接松动、空气潮湿、电压电流急剧升高等故障时，容易产生电弧，电弧波长处于深紫外波段，属于日盲区200～280nm，可以被紫外探测器监控)等民用领域，在保证一定监测精度的同时，光探测器的成本也应当是重要的考量内容。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种监控精度较高且生产成本较低的光探测器。
为此，本发明提供了一种光探测器，包括：
衬底；
第一导电层，设置于衬底上，且第一导电层为量子点结构的高铝组分p型掺杂层；
光敏层和第二导电层，依次设置于第一导电层上；
第一电极和第二电极，分别设置于衬底和第二导电层上，第一电极与第一导电层电接触，第二电极与第二导电层电接触；第二导电层至少除第二电极遮挡的部分为透明的。
进一步地，第一导电层包括交替叠设的若干第一结构层和第二结构层，第一结构层为量子点结构层。
进一步地，第一结构层为GaN量子点结构层或InGaN量子点结构层，第二结构层为AlGaN层或InAlGaN层。
进一步地，衬底为p型掺杂衬底，第一电极通过衬底与第一导电层电接触。
进一步地，衬底上具有导电通孔，第一电极通过衬底上的导电通孔延伸至第一导电层处。
进一步地，衬底和第一导电层之间还具有一缓冲层；缓冲层上同样具有导电通孔，第一电极依次通过衬底和缓冲层上的导电通孔延伸至第一导电层处。
进一步地，第二导电层上除第二电极覆盖部分以外的区域均设置有钝化层，钝化层包括交替叠设的若干第一介质层和第二介质层，且第一介质层的光折射率高于第二介质层的光折射率。
进一步地，第一导电层的p型掺杂净浓度高于2x1019cm-3。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的光探测器，通过将第一电极和第二电极分别设置于第一导电层和第二导电层上，使该光探测器的受光面上只有一个电极，减少电极对光敏层的遮光面积，能够提高该光探测器的感光效率，进而减小同样产能下的光探测器的尺寸，降低其生产成本。
同时，通过在高铝组分p型掺杂的第一导电层中设置量子点结构，也即将量子点(QDs)埋入另一材料的半导体基体(一般为超宽带隙(UWBG)氮化物基体)中，可以在系统中产生新的能带边(BE)，提高价带最大值(VBM)，从而降低系统高受体活化能(Ea)，提升第一导电层中的掺杂元素(如Mg)激活效率，进而获得更强的内建电场，提升光敏层中光生载流子的分离效率，实现对光信号的有效监控。
2、本发明提供的光探测器，通过在衬底和第一导电层之间设置缓冲层，可以调节衬底与衬底上材料的晶格应力，避免位错从衬底延伸到光敏层，且防止制备过程中该光探测器所在的大尺寸晶圆碎裂，进一步降低该光探测器的生产成本。
3、本发明提供的光探测器，通过在第二导电层除第二电极覆盖部分以外的区域(未被第二电极遮盖的区域)上设置有钝化层，可以改善表面缺陷，减小其对光生载流子收集产生的不利影响；同时，将钝化层设置为包括交替叠设的若干第一介质层和第二介质层，且第一介质层光折射率高于第二介质层的光折射率，使该钝化层可以被调节来反射特定波长的光线，进而使该光探测器的光响应波段可以被调控，以适用于不同的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的光探测器的一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光探测器的另一种结构示意图；
附图标记说明：
1-衬底；2-第一导电层；3-光敏层；4-第二导电层；5-第一电极；6-第二电极；7-缓冲层；8-钝化层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种光探测器，如图1所示，该器件包括：衬底1、第一导电层2、光敏层3、第二导电层4、第一电极5和第二电极6。
其中，如图1所示，第一导电层2设置于衬底1上，且本实施例中的第一导电层2为量子点结构的高铝组分p型掺杂层。
本实施例中，衬底1可以为任意适合的半导体衬底1，例如，Si衬底、深埋氧化层Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底、深埋氧化层SiC衬底、涂敷二维材料的金属衬底等，且基于下述第一电极5需通过衬底1(直接或间接)与第一导电层2电接触，因此本实施例中衬底1的厚度可以根据第一电极5制造的需要进行减薄，例如，衬底1的厚度可以根据需要设置于20μm～200μm之间。
本实施例中，可以通过将第一导电层2设置为交替叠设的若干第一结构层和第二结构层，并将其中的第一结构层设置为量子点结构层，而第二结构层设置为薄基体层，且量子点和薄基体层材料不同且结构尺寸不同，实现第一导电层2的量子点结构设置，具体地，量子点高度和直径可以在1nm～20nm之间，薄基体层厚度可以在5nm～20nm之间，量子点和薄基体层交替堆叠外延的次数可以在20～100次之间。此外，为了能够提升下述生长于第一导电层2上的光敏层3的结晶质量，减少其缺陷密度，进而提高其光转化效率，还可以将第一导电层2中与光敏层接触的表面层为第一结构层(量子点结构层)。
本实施例中，上述薄基体层可以设置为AlGaN层或InAlGaN层，而量子点可以设置为GaN量子点或InGaN量子点，掺杂元素可以为Mg；当然，量子点和薄基体层材料也可以选用其他III-V族化合物，只要第一导电层2中多元化合物III族元素与V族元素比例为1，而p型掺杂净浓度高于2x1019cm-3即可。
本实施例中，为了调节衬底1与衬底1上材料的晶格应力，避免位错从衬底1延伸到光敏层3，且防止制备过程中该光探测器所在的大尺寸晶圆碎裂，以降低该光探测器的生产成本，如图2所示，还可以在衬底1和第一导电层2之间设置一缓冲层7。具体地，该缓冲层7可以为AlGaN/GaN超晶格层、AlN/GaN层或渐变Al组分的AlGaN层。
其中，如图1所示，光敏层3设置于第一导电层2上。本实施例中，光敏层3的材料需可以选用但是不限于GaN、AlGaN、InAlGaN、AlN或InN等，且其多元化合物III族元素与V族元素比例为1。
其中，如图1所示，第二导电层4设置于光敏层3上。本实施例中，基于光信号需经过该第二导电层4入射至光敏层3上，因而该第二导电层4应为透明导电层，或者，至少除第二电极6遮挡的部分为透明的，具体地，第二导电层4为具有III-V材料体系做成的横向导电沟道，其材料可以选用但是不限于GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN和AlN两者或三者组合，且其中单层材料里多元化合物的III族元素与V族元素比例为1。
其中，如图1所示，第一电极5和第二电极6分别设置于衬底1和第二导电层4上，且第一电极5与第一导电层2电接触，第二电极6与第二导电层4电接触。本实施例中，第一电极5可以为阳极，第二电极6可以为阴极，阳极与第一导电层2(直接或者间接)形成欧姆接触，阴极与第二导电层4(直接)形成欧姆接触，具体地，阳极和阴极材料可以是金属镍、金、铜、银或石墨烯等单层材料或以上材料的混合。本实施例中，为了保证光敏层3的感光效率，将阴极的面积设置为是透明导电层面积的10％以下。
本实施例中，阳极可以与第一导电层2直接形成欧姆接触，此时，可以通过在衬底1中设置导电通孔(设置导电通孔前，可以先对衬底1进行减薄)，然后在衬底1上的导电通孔处蒸镀或者溅射金属形成阴极，形成的阴极通过衬底1上的导电通孔延伸至第一导电层2处，与第一导电层2形成电接触；另外，当衬底1和第一导电层2之间还具有上述缓冲层7时，则缓冲层7中也具有对应的导电通孔，阴极依次通过衬底1和缓冲层7上的导电通孔延伸至第一导电层2处，与第一导电层2形成电接触。类似地，该直接形成的欧姆接触也可以是通过衬底1中预埋的金属线，或者是衬底1以及缓冲层7中同时预埋的金属线实现的。
本实施例中，阳极也可以与第一导电层2间接形成欧姆接触，此时，可以将衬底1同样设置为p型掺杂衬底，则设置于衬底1远离第一导电层2的表面的阴极可以通过衬底1与第一导电层2形成电接触。
本实施例中，为了改善光探测器的表面缺陷，减弱表面态对光生载流子的捕获作用，如图2所示，还可以在第二导电层4上除第二电极6覆盖部分以外的区域(未被第二电极6遮盖的区域)均设置一钝化层8，具体地，该钝化层8可以选用但是不限于HfO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、Si3N4、NdF3、LaF3以及SiO2等中的一种材料制备形成，或者由以上材料中的多种混合或者堆叠形成。本实施例中，还可以设置钝化层8包括交替叠设的若干第一介质层和第二介质层，且第一介质层光折射率高于第二介质层的光折射率，从而使该钝化层8可以被调节来反射特定波长的光线，进而使该光探测器的光响应波段可以被调控，以适用于不同的应用场景，具体地，第一介质层的材料可以选用但是不限于HfO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、Si3N4、NdF3或LaF3等，第二介质层的材料可以选用但是不限于SiO2等。
本实施例中的光探测器，通过将第一电极5和第二电极6分别设置于第一导电层2和第二导电层4上，使该光探测器的受光面上只有一个电极，减少电极对光敏层3的遮光面积，能够提高该光探测器的感光效率，进而减小同样产能下的光探测器的尺寸，降低其生产成本。
同时，通过在高铝组分p型掺杂的第一导电层2中设置量子点结构，也即将量子点(QDs)埋入另一材料的半导体基体(一般为超宽带隙(UWBG)氮化物基体)中，可以在系统中产生新的能带边(BE)，提高价带最大值
(VBM)，从而降低系统高受体活化能(Ea)，提升第一导电层2中的掺杂元素(如Mg)激活效率，进而获得更强的内建电场，提升光敏层3中光生载流子的分离效率，具体地，光信号从第二电极6面穿过第二导电层4(未被第二电极6遮挡的部分)入射到光敏层3后，生成的电子和空穴对可以被第一导电层2与第二导电层4二维电子气之间的内建电场分离，进而在第一电极5和第二电极6间产生可以被外部读出电路识别的光生电流，激活预警，实现对光信号的有效监控。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种光探测器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
第一导电层(2)，设置于所述衬底(1)上，且所述第一导电层(2)为量子点结构的高铝组分p型掺杂层；所述第一导电层(2)包括交替叠设的若干第一结构层和第二结构层，所述第一结构层为量子点结构层，所述第一结构层为GaN量子点结构层或InGaN量子点结构层，所述第二结构层为AlGaN层或InAlGaN层，所述第二结构层的厚度在5nm～20nm之间；
光敏层(3)和第二导电层(4)，依次设置于所述第一导电层(2)上；
第一电极(5)和第二电极(6)，分别设置于所述衬底(1)和所述第二导电层(4)上，所述第一电极(5)与所述第一导电层(2)电接触，所述第二电极(6)与所述第二导电层(4)电接触；所述第二导电层(4)至少除所述第二电极(6)遮挡的部分为透明的。
2.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述衬底(1)为p型掺杂衬底，所述第一电极(5)通过所述衬底(1)与所述第一导电层(2)电接触。
3.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述衬底(1)上具有导电通孔，所述第一电极(5)通过所述衬底(1)上的导电通孔延伸至所述第一导电层(2)处。
4.根据权利要求3所述的光探测器，其特征在于，所述衬底(1)和所述第一导电层(2)之间还具有一缓冲层(7)；所述缓冲层(7)上同样具有导电通孔，所述第一电极(5)依次通过所述衬底(1)和所述缓冲层(7)上的导电通孔延伸至所述第一导电层(2)处。
5.根据权利要求1-4任一项所述的光探测器，其特征在于，所述第二导电层(4)上除所述第二电极(6)覆盖部分以外的区域均设置有钝化层(8)，所述钝化层(8)包括交替叠设的若干第一介质层和第二介质层，且所述第一介质层的光折射率高于所述第二介质层的光折射率。
6.根据权利要求5所述的光探测器，其特征在于，所述第一导电层(2)的p型掺杂净浓度高于2x1019cm-3。
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