CN116741868A - 光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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刘岳阳
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Abstract

本公开提供了一种光电探测器，包括：衬底；绝缘层，设置在部分的衬底上；碲化镓层，设置在衬底和绝缘层上，与衬底形成异质结，使异质结中的电子吸收来自外部照射的光子产生跃迁；第一电极，设置在碲化镓层上；第二电极，设置在衬底的与绝缘层相对的一侧，通过第一电极和第二电极施加的外加电场使电子定向移动产生探测电流并通过第一电极和第二电极输出。采用低对称晶体结构的碲化镓层与衬底形成异质结，使能带相交或错位，导致电子运输现象的变化，可以同时发挥衬底和碲化镓层两个材料的不同特性，使光电探测器可以探测较宽波长范围内的激光。

Description

光电探测器及其制备方法
技术领域
本公开涉及光电转换技术领域，尤其涉及一种光电探测器及其制备方法。
背景技术
各向光在传播过程中振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，偏振是光作为电磁波的重要特征之一。偏振光探测在线性偏光镜(LPL)、偏振遥感以及医疗诊断治疗等方面已展现出广泛的应用前景。
光电探测器是指利用光电导效应对特定波长或者特定波段的电磁波进行测量的装置。其探测机制是基于功能材料吸收光并将其转化成电信号。线偏振光电探测器对线偏振光的探测具有检测速度快、检测极限值低等优点，是光通信及光互连、光传感等通信系统中不可或缺的部分。现有的光电探测器由于材料本身的禁带宽度导致光灵敏度不足，光电探测范围小，限制了光电探测器在各复杂环境条件下的应用。
发明内容
为解决现有技术中的技术问题，本公开提供一种光电探测器，通过碲化镓层与衬底形成异质结，可以对较宽波长范围内的激光进行光电转换。
本公开实施例的一个方面，提供了一种光电探测器，包括衬底、绝缘层、碲化镓层、第一电极和第二电极。绝缘层设置在部分的上述衬底上；碲化镓层设置在上述衬底和上述绝缘层上，与上述衬底形成异质结，使上述异质结中的电子吸收来自外部照射的光子产生跃迁；第一电极设置在上述碲化镓层上；第二电极设置在上述衬底的与上述绝缘层相对的一侧，通过上述第一电极和上述第二电极施加的外加电场使上述电子定向移动产生探测电流并通过上述第一电极和上述第二电极输出。
根据本公开的实施例，光电探测器还包括保护层，设置在上述碲化镓层上，适用于将空气与上述碲化镓层隔绝。
根据本公开的实施例，上述保护层的材质为六方氮化硼。
根据本公开的实施例，上述衬底为N型或P型的硅衬底，上述衬底的电阻率为<0.1Ω·cm-1。
根据本公开的实施例，上述碲化镓层的镓和碲的摩尔比例为1:1。
本公开实施例的另一个方面，提供了一种用于制备上述任一种上述的光电探测器的制备方法，包括：采用离子束溅射在衬底上生长绝缘层；将衬底上的部分绝缘层刻蚀，使上述衬底的表面部分暴露；采用干法转移将上述衬底和上述绝缘层上覆盖碲化镓层；在上述碲化镓层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，形成胶层；使用电子束曝光设备在上述胶层上刻蚀出第一电极图形，采用电子束蒸发设备将导电金属蒸镀到上述第一电极图形，得到含有第一电极的中间器件；在上述衬底的与上述绝缘层相对的一侧形成第二电极。
根据本公开的实施例，上述制备方法还包括：采用干法转移的方式在上述碲化镓层上覆盖保护层。
根据本公开的实施例，上述碲化镓层的制备方法包括：利用化学气相输运的方式在真空环境下制备单晶镓碲；通过机械剥离上述单晶镓碲，得到厚度为15-100nm的碲化镓层。
根据本公开的实施例，上述得到含有第一电极的中间器件之后还包括：将上述中间器件在显影液中浸泡，去掉剩余的胶层和附着在上述胶层上的导电金属。
根据本公开的实施例，上述将衬底上的部分绝缘层刻蚀，使上述衬底的表面部分暴露包括：通过光刻的方式将光刻版的图形转移到绝缘层上，使光刻胶部分充当掩膜；采用电感耦合等离子体刻蚀技术将没有光刻胶掩膜的绝缘层部分刻蚀，使一部分衬底表面暴露，清洗掉残余光刻胶。
根据本公开实施例的光电探测器，工作原理基于光子在异质结上的吸收和电子的运输。由于由二维单晶材料碲化镓形成的碲化镓层具有面内各向异性，可以用于探测偏振光。采用低对称晶体结构的碲化镓层与衬底形成异质结，使能带相交或错位，导致电子运输现象的变化，可以同时发挥衬底和碲化镓层两个材料的不同特性，使光电探测器可以探测较宽波长范围内的激光，例如450-1064nm波长范围内的激光。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的光电探测器的剖视图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的光电探测器的制备方法的流程图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的光电探测器在532nm波长的激光下光响应电流的余弦图样的极坐标图；以及
图4示意性示出了根据本公开实施例的光电探测器通过偏振成像装置对物体进行偏振成像图像。
附图标记说明：
1-衬底；
2-绝缘层；
3-碲化镓层；
4-第一电极；
5-第二电极；
6-保护层。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
为便于本领域技术人员理解本公开技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
在实现本公开的过程中发现，二维材料在未来非硅基计算中具有重要潜力。二维材料晶体管具备沟道短、迁移率高、可二维/三维异质集成的优势，有望作为晶体管沟道材料延续摩尔定律至1nm节点。而单元素范德华材料的理论建模简单、材料生长方便。VI族元素碲是一种无意中掺杂的p型窄禁带半导体，具有一维手性原子结构，可应用于下一代电子、光电子和压电技术中。
基于二维材料的器件由于其独特的特性已广泛用于光伏、半导体、电极和生物监测应用。能够结合低维材料和传统衬底优势的跨维异质结构将是未来的最佳选择。通过层间范德华相互作用将2D层状材料直接集成到成熟的3D商业基板材料(如硅)上，可以轻松实现2D/3D异质结光电探测器。
碲化镓(GaTe)材料具有很高的迁移率，同时二维GaTe材料具有较强的面内各向异性，但是二维GaTe材料在空气中具有不稳定性。
图1示意性示出了本公开实施例的光电探测器的剖视图。
本公开实施例的一个方面，提供了一种光电探测器，如图1所示，包括衬底1、绝缘层2、碲化镓层3、第一电极4和第二电极5。绝缘层2设置在部分的衬底1上，碲化镓层3设置在衬底1和绝缘层2上，与衬底1形成异质结，使异质结中的电子吸收来自外部照射的光子产生跃迁。第一电极4设置在碲化镓层3上，第二电极5设置在衬底1的与绝缘层2相对的一侧，通过第一电极4和第二电极5施加的外加电场使电子定向移动产生探测电流并通过第一电极4和第二电极5输出。
根据本公开实施例的光电探测器，工作原理基于光子在异质结上的吸收和电子的运输。由于由二维单晶材料碲化镓形成的碲化镓层具有面内各向异性，可以用于探测偏振光。采用低对称晶体结构的碲化镓层与衬底形成异质结，使能带相交或错位，导致电子运输现象的变化，可以同时发挥衬底和碲化镓层两个材料的不同特性，使光电探测器可以探测波长范围较宽的激光，例如450-1064nm波长范围内的激光。
根据本公开的实施例，第一电极4可以是源极或漏极中的一个，第二电极5是源极和漏极中的另一个。
根据本公开的实施例，第一电极4和第二电极5的材料可以包括钛/金(Ti/Au)、钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)、铬/金(Cr/Au)、银(Ag)、铟(In)、铝(Al)钯、(Pd)、氧化铟锡(ITO)、镍/金(Ni/Au)、铂(Pt)、金(Au)、石墨烯中的一种或多种。
根据本公开的实施例，第一电极4和第二电极5的厚度范围包括30-100nm，例如可以是30nm、40nm、50nm、60nm、80nm、100nm等中的任一。
根据本公开的实施例，绝缘层2为透明绝缘层，绝缘层2的材质可以为二氧化硅，以使外部照射的光子可以穿过绝缘层进入衬底1与碲化镓层3形成的异质结进行光电转换。
根据本公开的实施例，绝缘层2的厚度范围包括100-305nm，例如可以是100nm、150nm、200nm、260nm、300nm、305nm等中的任一，以避免绝缘层断裂导致衬底1与第一电极4直接接触。
根据本公开的实施例，如图1所示，绝缘层2可以设置为多个，分别设置在衬底1上。
根据本公开的实施例，如图1所示，光电探测器还包括保护层6，设置在碲化镓层3上，适用于将空气与碲化镓层3隔绝，避免碲化镓层3被氧化。
根据本公开的实施例，保护层3的材质为六方氮化硼(h-BN)。
根据本公开的实施例，六方氮化硼(h-BN)，是由氮原子和硼原子组成的六角网状层面结构晶体，是氮化硼所有物相中唯一存在于自然界的物相结构，质地柔软，可以将碲化镓层与空气隔绝。
根据本公开的实施例，衬底1为N型或P型的重掺杂的硅衬底，衬底1的电阻率为<0.1Ω·cm-1，具有良好的导电性。
根据本公开的实施例，碲化镓层3的镓和碲的摩尔比例为1:1，避免形成例如错位、杂质原子等缺陷，提高可靠性。
根据本公开的实施例，碲化镓层3的厚度为15-100nm，可以保证碲化镓层3能与硅衬底1形成异质结，具有更大的光电流各向异性比，另外，这样的厚度也便于转移。
在一种示意性的实施例中，碲化镓层3的厚度为15nm、20、30nm、50nm、70nm、75nm、85nm、90nm、100nm等中的任一。
图2示意性示出了根据本公开实施例的光电探测器的制备方法的流程图。
本公开实施例的另一个方面，提供了一种用于制备上述任一种的光电探测器的制备方法，如图2所示，包括操作S210-操作S260。
在操作S210，采用离子束溅射在衬底上生长绝缘层。
在操作S220，将衬底上的部分绝缘层刻蚀，使衬底的表面部分暴露。
在操作S230，采用干法转移将衬底和绝缘层上覆盖碲化镓层。
在操作S240，在碲化镓层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，形成胶层。
在操作S250，使用电子束曝光设备在胶层上刻蚀出第一电极图形，采用电子束蒸发设备将导电金属蒸镀到第一电极图形，得到含有第一电极的中间器件。
在操作S260，在衬底的与绝缘层相对的一侧形成第二电极。
根据本公开的实施例，第一电极与碲化镓层接触，使电流通过碲化镓层传导至第一电极。
根据本公开的实施例，导电金属包括：Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Cr/Au、Ag、In、Al、Pd、ITO、Ni/Au、Pt、Au、石墨烯中的一种或多种。
在一种示意性的实施例中，在衬底1的与绝缘层2相对的一侧形成第二电极5的方法，可以包括在进行其他操作之前在衬底上采用电子束蒸发设备将导电金属蒸镀，形成第二电极5；或者，可以在其他操作完成以后，在衬底1上采用金线将导电银胶连接，导电银胶作为第二电极5。
根据本公开的实施例，匀胶的速率为8000～10000转/秒，匀胶时间为60-70秒使PMMA胶层的厚度范围在1-1.2μm。
根据本公开的实施例，上述制备方法还包括：采用干法转移的方式在碲化镓层上覆盖保护层。
根据本公开的实施例，保护层部分的覆盖在第一电极上，第一电极4和保护层6将碲化镓层3包覆，避免空气与碲化镓层3接触，同时，还可以通过第一电极4和第二电极5与外部的电路连接。
根据本公开的实施例，碲化镓层3的制备方法包括：
利用化学气相输运的方式在真空环境下制备单晶镓碲，以及
通过机械剥离单晶镓碲，得到厚度为15-100nm的碲化镓层3。
根据本公开的实施例，得到含有第一电极的中间器件之后还包括：将中间器件在显影液中浸泡，去掉剩余的胶层和附着在胶层上的导电金属。
根据本公开的实施例，将衬底上的部分绝缘层刻蚀，使衬底的表面部分暴露包括：
通过光刻的方式将光刻版的图形转移到绝缘层上，使光刻胶部分充当掩膜。
采用电感耦合等离子体刻蚀技术将没有光刻胶掩膜的绝缘层部分刻蚀，使一部分衬底表面暴露，清洗掉残余光刻胶。
作为本公开实施例的又一个方面，提供了一种光电探测器的检测方法，包括：
将光电探测器与印制电路板进行电连接。
将印制电路板接入闭合电路，并连接示波器。
选定光电探测器的响应波长范围内任一激光作为入射光，使入射光穿过起偏器和半波片后照射到光电探测器上。
周期重复开关入射光，占空比为50％。
当入射光关闭时，转动半波片。
当示波器显示余弦状图样时，确定光电探测器具有偏振特性。
根据本公开的实施例，开关入射光的周期范围包括10-30秒，例如可以是10秒、20秒、25秒、30秒等中的任一。
根据本公开的实施例，将光电探测器与印制电路板电连接包括：将光电探测器使用双面胶粘在印制电路板(PCB)上，通过点焊机用引线将硅衬底上的第一电极和第二电极与PCB板上的电极焊接。
图3示意性示出了根据本公开实施例的光电探测器在532nm波长的激光下光响应电流的余弦图样的极坐标图。
如图3所示，本公开实施例提供的光电探测器在532nm波长的激光下光电流的各项异性比成余弦图样，表示光电探测器件具有较好的偏振特性。
根据本公开实施例的光电探测器，可用于偏振成像装置，将半波片置于不同位置，由于光电探测器的响应电流不同，偏振成像装置获得的图案亮度不同，由此，可以获得不同偏振角度下的探测物体的图案。
图4示意性示出了根据本公开实施例的光电探测器通过偏振成像装置对物体进行偏振成像图像。
如图4所示，(a)为半波片为0°时得到的物体的图像，(b)为半波片为90°时得到的物体的图像。将本公开提供的光电探测器置于偏振成像装置中，通过控制激光器开关来模拟目标物体，将半波片分别转动到0°和90°，利用光电探测器的偏振特性分别进行光电成像，能得到不同亮度的目标图像。
根据本公开的实施例，需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电探测器，其特征在于，包括：
衬底；
绝缘层，设置在部分的所述衬底上；
碲化镓层，设置在所述衬底和所述绝缘层上，与所述衬底形成异质结，使所述异质结中的电子吸收来自外部照射的光子产生跃迁；
第一电极，设置在所述碲化镓层上；以及
第二电极，设置在所述衬底的与所述绝缘层相对的一侧，通过所述第一电极和所述第二电极施加的外加电场使所述电子定向移动产生探测电流并通过所述第一电极和所述第二电极输出。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，还包括：
保护层，设置在所述碲化镓层上，适用于将空气与所述碲化镓层隔绝。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述保护层的材质为六方氮化硼。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底为N型或P型的硅衬底，所述衬底的电阻率为<0.1Ω·cm-1。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述碲化镓层的镓和碲的摩尔比例为1:1。
6.用于制备权利要求1-5中任一项所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
采用离子束溅射在衬底上生长绝缘层；
将衬底上的部分绝缘层刻蚀，使所述衬底的表面部分暴露；
采用干法转移将所述衬底和所述绝缘层上覆盖碲化镓层；
在所述碲化镓层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，形成胶层；
使用电子束曝光设备在所述胶层上刻蚀出第一电极图形，采用电子束蒸发设备将导电金属蒸镀到所述第一电极图形，得到含有第一电极的中间器件；以及
在所述衬底的与所述绝缘层相对的一侧形成第二电极。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括：
采用干法转移的方式在所述碲化镓层上覆盖保护层。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碲化镓层的制备方法包括：
利用化学气相输运的方式在真空环境下制备单晶镓碲；以及
通过机械剥离所述单晶镓碲，得到厚度为15-100nm的碲化镓层。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述得到含有第一电极的中间器件之后还包括：
将所述中间器件在显影液中浸泡，去掉剩余的胶层和附着在所述胶层上的导电金属。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将衬底上的部分绝缘层刻蚀，使所述衬底的表面部分暴露包括：
通过光刻的方式将光刻版的图形转移到绝缘层上，使光刻胶部分充当掩膜；以及
采用电感耦合等离子体刻蚀技术将没有光刻胶掩膜的绝缘层部分刻蚀，使一部分衬底表面暴露，清洗掉残余光刻胶。
CN202310972128.3A 2023-08-03 2023-08-03 光电探测器及其制备方法 Pending CN116741868A (zh)

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