CN115440831A - 一种光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电探测器，包括一衬底、位于衬底上的低维半导体层、第一电极、第二电极和局域栅极，其中第一电极和第二电极分别位于低维半导体层两端，在第一电极与第二电极之间形成一沟道区，局域栅极位于沟道区中，并与所述第一电极和所述第二电极具有一间距，在局域栅极与低维半导体层之间具有局域栅介质，局域栅介质的宽度大于或等于局域栅极的宽度。本发明通过局域栅极的静电掺杂作用在沟道中引入局域的能带弯曲，形成局域势垒，抑制载流子的隧穿，减小暗电流，从而提高了光电探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电器件及其制作方法，尤其涉及一种碳纳米管光电探测器及其制作方法。
背景技术
红外光电探测是光探测领域中一个非常重要的方向，在短波红外探测领域，传统的红外探测器及材料虽然性能较好，但其制备工艺复杂，高质量材料的大面积制备困难，同时难以与硅基读取放大电路高度集成和价格高等瓶颈问题，从而导致难以大规模应用，在室温条件下的针对短波红外的便于集成的低成本，高性能红外探测并未很好的实现。
碳纳米管作为一维半导体材料的代表，具有独特而优良的电、光和热学特性，被认为是构建纳米尺度集成电子器件的代表。但是在溶液提纯方法制备的碳纳米管薄膜体系中，由于缠绕碳纳米管的聚合物和表面的影响，低功函数金属难以形成良好的欧姆接触，导致反偏暗电流较大。并且非对称接触的碳纳米管光探测器相对于传统P-I-N结构光电探测器在反偏工作时暗电流处于较高的水平。伴随着暗电流的增加，二极管的噪声电流增加，探测率减小，探测性能变差。
发明内容
本发明实施例提出一种红外光电探测器及其制作方法，能够减小暗电流，提高探测性能。
第一方面，本发明实施例提出了一种光电探测器衬底和衬底上的低维半导体层；
衬底和所述衬底上的低维半导体层；
第一电极和第二电极，分别位于所述低维半导体层两端，在所述第一电极和所述第二电极之间形成一沟道区，且所述第一电极与所述第二电极具有不同材质；
局域栅结构，所述局域栅结构位于所述沟道区上与所述第一电极和所述第二电极具有一间距的中央位置，所述局域栅结构包括局域栅极和局域栅介质，所述局域栅介质位于所述局域栅极与所述低维半导体层之间。
在第一方面的一种可能的实施方式中，局域栅结构为位于衬底与低维半导体层之间的局域底栅结构。
在第一方面的一种可能的实施方式中，局域栅极与局域栅介质嵌入所述衬底中，使得局域栅介质与衬底处于同一平面。
在第一方面的一种可能的实施方式中，局域栅极为位于低维半导体层上方的局域顶栅结构。
在第一方面的一种可能的实施方式中，衬底包括SiO2/Si衬底、石英衬底、Al2O3衬底、玻璃衬底或聚合物衬底中至少一个。
在第一方面的一种可能的实施方式中，低维半导体层包括碳纳米管、硅纳米线以及II-VI族元素纳米线、III-V族元素纳米线或二维层状半导体材料中至少一个，所述碳纳米管进一步优选为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、网络状碳纳米管或碳纳米管阵列，所述二维层状半导体材料进一步优选为黑磷或二硫化钼。
在第一方面的一种可能的实施方式中，局域栅极与第一电极和所述电极的所述间距大于或等于20nm。
在第一方面的一种可能的实施方式中，局域栅极的宽度为所述沟道区宽度的10％-90％。
在第一方面的一种可能的实施方式中，局域栅极选自铪(Hf)、铝(Al)、钛(Ti)、钯(Pd)或金(Au)中其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
在第一方面的一种可能的实施方式中，所述栅介质包括氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钇(Y2O3)、氧化锆(ZrO2)或氮化硼中至少一个。
在第一方面的一种可能的实施方式中，第一电极为高功函数金属，包括钯(Pd)、钼(Mo)、镍(Ni)或钴(Co)中其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
在第一方面的一种可能的实施方式中，所述第二电极为低功函数金属，包括钪(Sc)、铪(Hf)、钇(Y)或铒(Er)其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
第二方面，本发明实施例提出了光电探测器的制作方法，具体步骤如下，
提供一衬底，在衬底上形成一低维半导体层；
在低维半导体层上定义第一电极图案，在该第一电极图案上沉积第一金属层形成第一电极；进一步在低维半导体层上定义第二电极图案，在该第二电极图案上形成第二电极金属层形成第二电极；
在第一电极与所述第二电极之间的低维半导体层沟道区上形成一局域栅介质，进一步在该局域栅介质上形成一局域栅极。
在第二方面的一种可能的实施方式中，在所述局域栅极上形成另一局域栅介质，形成栅介质/栅金属/栅介质三层局域栅结构。
第三方面，本发明实施例提出了一种光电探测器的制作方法，具体步骤如下：
提供一衬底；
在衬底上形成一局域栅极和局域栅介质，然后在局域栅极和所述栅介质上形成一低维半导体层；
在低维半导体层上定义第一电极图案，在该第一电极图案上沉积第一金属层形成第一电极；进一步在所述低维半导体层上定义第二电极图案，在该第二电极图案上形成第二电极金属层形成第二电极；
在第三方面的一种可能的实施方式中，在上述衬底中通过光刻工艺形成一局域凹槽，并在该局域凹槽中嵌入式形成上述局域栅电极和局域栅介质，并使得上述局域栅介质与上述衬底处于同一平面。
本发明实施例中的光电探测器通过局域栅的静电掺杂作用在沟道中引入局域的能带弯曲，形成局域势垒，抑制载流子的隧穿，碳管光电二极管不靠外界电压驱动来控制载流子的行为，而是靠金半接触附近约几十纳米范围内能带弯曲形成的电场来分离光生激子，从而采用本发明的局域栅结构能够在尽量不损失光电流或者变化较小的情况下减小器件的暗电流，提高零偏压微分电阻，提高碳管红外光电探测器的探测性能。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明的一个局域顶栅结构实施例示意图；
图2为本发明的一个局域顶栅结构实施例立体结构示意图；
图3为本发明的一个局域底栅结构实施例示意图；
图4为本发明的一个嵌入式局域底栅结构实施例示意图；
图5为本发明实施例在衬底上形成碳纳米管层示意图；
图6为本发明实施例形成第一电极示意图；
图7为本发明实施例形成第二电极示意图；
图8为本发明实施例形成底部局域栅介质示意图；
图9为本发明实施例形成底部局域栅电极示意图；
图10为本发明实施例的能带原理示意图；
图11为本发明实施例暗态下底栅0V，不同局域栅电压的I-V曲线；
图12为图11对应提取的零偏微分电阻；
图13为本发明实施例暗态下底栅20V，不同局域栅电压的I-V曲线；
图14为图13对应提取的零偏微分电阻；
图15为光照下底栅20V的I-V曲线；
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施方式。在各附图中，相同的元件采用相同的附图标记来表示，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A与B直接邻接，而非A位于B中形成的掺杂区中。
本实施例描述了一种非对称结构的红外光电探测器，如图1所示，该红外光电探测器具有一Si/SiO2衬底,其包括一重掺硅基底101及其上的一SiO2介质层102，在另外的一些实施例中，还可以采用石英衬底、Al2O3衬底、玻璃衬底或聚合物衬底。在SiO2介质层102上具有一低维半导体层103，在本实施例中采用单壁碳纳米管。在另外的一些实施例中，低维半导体层包括碳纳米管、硅纳米线以及II-VI族元素纳米线、III-V族元素纳米线或二维层状半导体材料中至少一个，进一步地碳纳米管可以为多壁碳纳米管、网络状碳纳米管或碳纳米管阵列，二维层状半导体材料进一步可以为黑磷或二硫化钼。
在低维半导体层103两端具有第一电极104和第二电极105，第一电极为高功函数金属，例如可以是钯(Pd)、钼(Mo)、镍(Ni)或钴(Co)中其中之一或由上述金属组成的合金或叠层，在本实施例中采用钯(Pd)作为第一电极，其厚度为10nm，在其他的实施例中，金属钯(Pd)厚度可以在10nm-120nm之间调节。第二电极为低功函数金属，例如可以是钪(Sc)、铪(Hf)、钇(Y)或铒(Er)其中之一或由上述金属组成的合金或叠层，在本实施例中采用钪(Sc)作为第二电极，其厚度为10nm，在其他的实施例中，金属钪(Sc)厚度可以在10nm-120nm之间调节。第一电极与第二电极采用不同材质的金属而形成非对称结构，非对称金属电极的作用在于金属钯(Pd)和钪(Sc)与碳纳米管形成无势垒接触，通过金属功函数的调节，可以实现无掺杂的碳纳米管二极管。
第一电极与第二电极之间的低维半导体层形成光电探测器的沟道区，在沟道区中具有一局域栅极107，该局域栅极107与第一电极和第二电极具有一定间距L，通过激子动力学模拟发现激子主要在靠近电极的10nm的范围内分离，10nm为激子的有效分离区。新构建的局域栅极为了不影响激子的有效分离需和电极的间距大于10nm，在本实施例中该间距为20nm。在其他的一些实施例中，局域栅极107可以在距离第一电极和第二电极20nm之外的沟道区的其他位置。局域栅极占沟道宽度的最大比值90％也是基于此考虑。10％是考虑局域栅的调控效果，目前低于10％宽度暗电流调控效果欠佳。
上述局域栅极107与沟道层之间具有一局域栅介质层106，该局域栅介质层106的横向宽度大于局域栅极107的宽度，确保局域栅电极107不发生漏电。在另外的一些实施例中，局域栅介质层106的横向宽度也可以等于局域栅的宽度。同时在本实施例中局域栅极107的宽度为沟道区宽度的10％，在另外的一些实施例中，局域栅极的宽度可以在10％-90％区间范围内。在本实施例中，局域栅介质106的材质为氧化铪(HfO2)。在另外的一些实施例中，局域栅介质为氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钇(Y2O3)、氧化锆(ZrO2)或氮化硼中至少一个或上述材料组成的叠层。在另一个实施例中，可以在上述局域栅极107上覆盖另一栅介质层，在本实施例中该栅介质层为氧化层，形成栅介质/栅金属/栅介质的三明治结构。在另外的一些实施例中，该栅介质也可以是二维绝缘材料(例如氮化硼)、有机物及其组合。
进一步的，在上述光电探测器上包覆有厚度为20nm的Al2O3封装介质108，该封装介质包覆上述低维半导体层103、局域栅极107、局域栅介质106、第一电极104和第二电极105。在其他实施例中，封装介质108还可以采用旋涂玻璃(SOG)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)，其厚度可以在10nm-2μm的范围内。最终形成的器件结构立体示意图参见图2。
在另外一个实施例中，上述局域栅极为底栅结构，具体如图3所示。在Si/SiO2衬底中上具有局域底栅207，同时在该局域底栅207上具有局域栅介质206，该局域栅介质206的宽度大于该局域底栅207的宽度。进一步在上述结构上具有一单壁碳纳米管层203，以及位于单壁碳纳米管层203两端的第一电极204和第二电极205，然后单壁碳纳米管层上包覆有一封装介质208，最终形成具有局域底栅的光电探测器。上述各层的材质选择可以与前述顶栅结构的选择相同。
在另外的一个实施例中，如图4所示，通过在Si/SiO2衬底中嵌入一局域底栅307，同时在与局域底栅307相对应的位置具有嵌入衬底的局域栅介质306，该局域栅介质306的宽度大于或等于该局域底栅307的宽度，该局域栅介质306与衬底具有同一平面。随后上述平面上具有一单壁碳纳米管层303，以及位于单壁碳纳米管层303两端的第一电极304和第二电极305，然后单壁碳纳米管层上包覆有一封装介质308，最终形成具有局域底栅的光电探测器。上述各层的材质选择可以与前述顶栅结构的选择相同。
本发明的另一个实施例描述了上述非对称红外光电探测器的制作方法。首先提供一Si/SiO2衬底，通过化学气相沉积(CVD)生长或者将分散好的碳纳米管溶液滴到上述衬底上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管层，形成一低维半导体层103，如图5所示。在另一个实施例中，可沉积3nm金属钇，在200℃下氧化20分钟，在1:10的盐酸中清洗15分钟，以去除表面聚合物。在另一个实施例中，可通过提拉法来形成上述碳纳米管层，首先配制碳纳米管溶液，将碳纳米管溶解在一种或多种卤代烃中形成，优选为氯仿、二氯乙烷、三氯乙烷、氯苯、二氯苯、溴苯等有机溶剂，然后将上述Si/SiO2衬底夹在提拉机上并浸入上述碳纳米管溶液中，随后通过提拉Si/SiO2衬底从而在衬底上形成碳纳米管层，从而形成低维半导体层103。
在上述低维半导体层103上涂光刻胶并通过光刻或者电子束光刻形成一钯(Pd)电极图案，并将光刻后的样品放入电子或者热蒸发系统中，抽真空后蒸镀一层厚度为90nm的金属Pd薄膜，随后将样品放入丙酮中进行剥离，去除残留金属层。
在低维半导体层103上涂光刻胶并通过光刻或者电子束光刻形成一钪(Sc)电极图案，在将光刻好的样品放进磁控溅射系统中，采用纯度为98％以上的金属钪(Sc)作为靶材，抽真空至5×10-6Torr左右，首先采用预溅射工艺，进一步去除钪(Sc)靶材表面的氧化物，然后以1A/s的速率溅射沉积一层90nm厚的金属钪(Sc)，从而获得非对称二极管结构。在另一实施例中，可以采用电子束蒸发法来获得金属钪(Sc)。
在制备好的非对称二极管基础上，使用光刻或者电子束曝光在沟道中定义局域栅介质图形。采用原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或者转移的方法生长栅介质，剥离去除残余介质。在另外的实施例中可首先整面生长一层栅介质，然后通过光刻或者电子束定义局域栅介质图形，随后通过刻蚀的方法来形成局域栅介质。随后使用光刻或者电子束曝光定义局域栅电极图形，通过电子束蒸发、磁控溅射或者热蒸发沉积金属，最后剥离来形成局域栅电极。在另外的实施例中，局域顶栅工艺也可以采用自最准的方式，即生长栅介质后直接沉积金属，最后剥离。
在另一个实施例中，可以在形成局域栅电极后，进一步在其上形成另一局域栅介质，形成栅介质/栅金属/栅介质三层局域栅结构，上述另一局域栅介质为氧化层。在另外的一些实施例中，该栅介质也可以是二维绝缘材料(例如氮化硼)、有机物及其组合。最后通过化学气相沉积在上述局域栅极上形成封装介质层。
在另一个实施例中，通过局域底栅工艺来制备具有底栅结构的非对称光电二极管。首先提供一Si/SiO2衬底，通过光刻或者电子束曝光定义局域底栅电极图形，然后通过电子束蒸发、磁控溅射或者热蒸发沉积金属形成局域底栅电极，随后通过原子层沉积(ALD)，化学气相沉积(CVD)或者转移的方式生长栅介质，转移碳纳米管后分别制备非对称接触电极。在另外的一个实施例中，可以采用嵌入式埋栅结构的底栅结构，首先提供一Si/SiO2衬底，然后在SiO2上定义局域底栅图形，然后以此图形进行刻蚀形成一凹槽结构，在凹槽结构中通过电子束蒸发、磁控溅射或者热蒸发沉积金属形成局域底栅电极，然后通过原子层沉积(ALD)或化学气相沉积(CVD)生长栅介质，随后通过化学机械抛光(CMP)使得栅介质与SiO2衬底处于同一平面。然后在该表面上通过化学气相沉积(CVD)生长或者将分散好的碳纳米管溶液滴到上述表面上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管，或者沉积3nm金属钇，在200℃下氧化20分钟，在1:10的盐酸中清洗15分钟，以去除表面聚合物。接着在碳纳米管层表面分别形成钯(Pd)电极图案和钪(Sc)，其形成工艺与前述顶栅结构相同。进一步在所获的表面结构上通过原子层沉积(ALD)方式生长一层50nm的Al2O3封装介质。
局域栅结构应用在碳管光电二极管中，通过局域栅的静电掺杂作用在沟道中引入局域的能带弯曲，形成局域势垒，抑制载流子的隧穿，减小暗电流，提高探测性能。图11是暗态下的I-V曲线，从中可见在0V栅压下，局域栅引入后，器件的暗电流得到抑制，并且随着栅电压的改变暗电流逐渐减小，在栅电压1.5V趋近饱和。进一步根据暗态提取零偏压下的微分电阻如图12所示，可见局域栅的引入可以使零偏压微分电阻提高一个量级。图13是20V栅压的I-V曲线，与0V栅压类似，从中可见局域栅可以有效抑制暗电流，器件的零偏微分电阻提高一个数量级。图14是光照下的I-V曲线，光电流随着局域栅栅压的变化影响不大。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (16)
1.一种光电探测器，其特征在于，包括：
衬底和所述衬底上的低维半导体层；
第一电极和第二电极，分别位于所述低维半导体层两端，在所述第一电极和所述第二电极之间形成一沟道区，且所述第一电极与所述第二电极具有不同材质；
局域栅结构，所述局域栅结构位于所述沟道区上与所述第一电极和所述第二电极具有一间距的中央位置，所述局域栅结构包括局域栅极和局域栅介质，所述局域栅介质位于所述局域栅极与所述低维半导体层之间。
2.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述局域栅结构为位于所述衬底与所述低维半导体层之间的局域底栅结构。
3.如权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述局域栅极与所述局域栅介质嵌入所述衬底中，使得所述局域栅介质与所述衬底处于同一平面。
4.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述局域栅结构为位于所述低维半导体层上方的局域顶栅结构。
5.如权利要求4所述的光电探测器，其特征在于，在所述局域栅极上方进一步具有另一局域栅介质层，形成栅介质/栅金属/栅介质三层局域栅结构。
6.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底包括SiO2/Si衬底、石英衬底、Al2O3衬底、玻璃衬底或聚合物衬底中至少一个。
7.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述低维半导体层包括碳纳米管、硅纳米线以及II-VI族元素纳米线、III-V族元素纳米线或二维层状半导体材料中至少一个，所述碳纳米管进一步优选为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、网络状碳纳米管或碳纳米管阵列，所述二维层状半导体材料进一步优选为黑磷或二硫化钼。
8.如权利要求1-4所述的光电探测器，其特征在于，所述局域栅极与所述第一电极和所述第二电极的所述间距大于或等于20nm。
9.如权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于，所述局域栅极的宽度为所述沟道区宽度的10％-90％。
10.如权利要求1-6所述的光电探测器，其特征在于，所述局域栅极选自铪(Hf)、铝(Al)、钛(Ti)、钯(Pd)或金(Au)中其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
11.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述局域栅介质包括氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钇(Y2O3)、氧化锆(ZrO2)或氮化硼(BN)中至少一个。
12.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一电极为高功函数金属，包括钯(Pd)、钼(Mo)、镍(Ni)或钴(Co)中其中之一或由上述金属组成的合金或叠层；
所述第二电极为低功函数金属，包括钪(Sc)、铪(Hf)、钇(Y)或铒(Er)其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
13.一种如权利要求1-3所述的光电探测器的制作方法，其特征在于，
提供一衬底，在所述衬底上形成一低维半导体层；
在所述低维半导体层上定义第一电极图案，在该第一电极图案上沉积第一金属层形成第一电极；进一步在所述低维半导体层上定义第二电极图案，在该第二电极图案上形成第二电极金属层形成第二电极；
在所述第一电极与所述第二电极之间的低维半导体层沟道区上形成一局域栅介质，进一步在该局域栅介质上形成一局域栅极。
14.如权利要求12所述的光电探测器的制作方法，其特征在于，进一步在所述局域栅极上形成另一局域栅介质，形成栅介质/栅金属/栅介质三层局域栅结构。
15.一种如权利要求1或4所述的光电探测器的制作方法，其特征在于，
提供一衬底；
在所述衬底上形成一局域栅极和局域栅介质，然后在所述局域栅极和所述栅介质上形成一低维半导体层；
在所述低维半导体层上定义第一电极图案，在该第一电极图案上沉积第一金属层形成第一电极；进一步在所述低维半导体层上定义第二电极图案，在该第二电极图案上形成第二电极金属层形成第二电极。
16.如权利要求13所述的光电探测器的制作方法，其特征在于，在所述衬底中通过光刻工艺形成一局域凹槽，并在该局域凹槽中嵌入式形成所述局域栅电极和所述局域栅介质，并使得所述局域栅介质与所述衬底处于同一平面。
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