CN117594687A - 一种双面多波段光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双面多波段光电探测器及其制备方法，本双面多波段光电探测器包括硅基衬底层和硅半导体绝缘层，所述硅半导体绝缘层一侧设有相邻设置并用于探测紫外波段的第一探测功能层和用于探测短波红外波段的第二探测功能层；所述所述硅半导体绝缘层的另一侧与第一探测功能层和第二探测功能层相对位置设有用于探测可见光波段的第三探测功能层；所述第三探测功能层包括设置在所述硅半导体绝缘层上的硅基衬底层。本探测器将三个探测功能层集成并设置在同一硅半导体绝缘层的两侧，支持多波段探测，且功耗低、抗干扰能力强、工作效率高；并通过硅基衬底层支撑多个探测功能层，结构简单，体积小；可应用于数据中心、光互连、人工智能等领域。

Description

一种双面多波段光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体中光电探测器技术领域，更具体地，涉及一种双面多波段光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是一种可以将光信号转化为电信号输出的光电器件，在军事、国防、工业、民生等领域得到了广泛的应用。根据探测谱段不同的光电探测器有各自的应用领域，如：工作在紫外波段的光电探测器，主要应用于深空探测、火灾报警、导弹追踪、环境监测等领域；工作在可见以及近红外波段的光电探测器广泛应用于光通信、测距、工业自动控制、光度计量、激光雷达、水下光通信等领域；工作在红外波段的光电探测器则广泛应用于热成像、导弹制导、卫星遥感等领域。目前，常见的半导体光电探测器基于多种材料，如：氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、硅(Si)、锗(Ge)、磷化铟(InP)等，根据材料带隙宽度的不同，探测波段覆盖紫外、可见、近红外以及中远红外波段，针对不同的波段往往需要单独的探测器单独工作，较为繁琐。在光电探测领域，硅基光电探测器具有资源丰富、工艺成熟、成本低的优势，因此硅基光电探测器被认为是未来重点发展方向之一，可以用于开发和大规模制造光电探测器。
由于传统硅基光电探测器只能对单一波段的光信号进行探测，难以实现宽光谱探测，响应率与探测率不能满足需求，这大大限制了硅基光电探测器的应用领域。如公开号为CN 106531822 A的中国发明专利公开了一种光电探测器，该光电探测器将硅光电二极管与锗光电二极管通过重掺杂N型Si层背靠背相连，利用Si PIN型光电二极管和Ge PIN型光电二极管分别对短波和长波有较高响应的特点，实现可见光到红外光波段的探测，但该光电探测器不能对紫外波段光进行探测。当需要探测紫外波段时，还需要增加连接额外的紫外波段光电探测器。因此，亟需发明一种结构简单且能识别能力强、抗干扰性能高、环境适应性强的多波段复合光电探测器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以实现紫外波段、可见光波段和短红外波段的多波段探测的探测器，提高探测器的探测范围，扩大其应用领域，降低器件的体积，提高其工作效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双面多波段光电探测器，包括硅基衬底层和硅半导体绝缘层，所述硅半导体绝缘层一侧设有相邻设置并用于探测紫外波段的第一探测功能层和用于探测短波红外波段的第二探测功能层；所述硅半导体绝缘层的另一侧与第一探测功能层和第二探测功能层相对位置设有用于探测可见光波段的第三探测功能层；所述第一探测功能层包括依次在硅半导体绝缘层上外延生长的ZnO薄膜层和Ga2O3薄膜层，所述Ga2O3薄膜层上设有第一p型金属电极和第一n型金属电极；所述第二探测功能层包括依次在硅半导体绝缘层上外延生长的p型GaAs接触层、p型GaAs层、本征GaAs层、n型GaAs层和n型GaAs接触层，所述n型GaAs接触层上设有第二n型金属电极；所述p型GaAs接触层上设有第二p型金属电极；所述第三探测功能层包括设置在所述硅半导体绝缘层上的硅基衬底层，所述硅基衬底层上部形成有n型掺杂区和p型掺杂区，所述n型掺杂区上设有第三n型金属电极，所述p型掺杂区上设有第三p型金属电极。
本双面多波段光电探测器通过在同一硅半导体绝缘层上设置分别用于探测紫外波段的第一探测功能层和用于探测短波红外波段的第二探测功能层；并在硅半导体绝缘层的另一侧设有用于探测可见光波段的第三探测功能层，从而不仅提高探测器的探测范围，支持从紫外、红外和可见光的多波段探测，扩大其应用领域，拓宽了波长的探测范围和能力，实现完成紫外、红外和可见光的多波段探测，提高其工作效率；本光电探测器将三个探测功能层集成并设置在同一硅半导体绝缘层的两侧，大大降低了单独实现该三种功能器件的电阻；同时，由于硅半导体绝缘层上设有硅基衬底层，可实现对多个探测功能层的支撑，通过共用一个硅基衬底层降低器件的体积，减少了能源损耗，降低了器件的体积；本光电探测器通过将所述第一探测功能层和所述第二探测功能通过中间的硅半导体绝缘层实现与所述第三探测功能层分隔开，避免了器件中存在的大部分寄生效应，位于硅半导体绝缘层的上下探测功能层中产生的光电流均不会相互影响，因此抗干扰能力增强，可以在恶劣的辐照条件下保持高可靠性地工作。
进一步地，所述Ga2O3薄膜层的厚度为10～2000nm，ZnO薄膜层的厚度为10～3000nm。
进一步地，所述第一p型金属电极和第一n型金属电极为叉指电极，所述叉指电极厚度为10～200nm，指长为10～2000μm，指间距为1～200μm，指宽为1～200μm。
进一步地，所述第一p型金属电极和第一n型金属电极为银、金或钛/铝/钛/金复合层金属材料构件。
进一步地，所述p型GaAs接触层的厚度为10～2000nm，掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3，p型GaAs层的厚度为0.1～10μm，掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1019/cm3，本征GaAs层的厚度为0.1～50μm，不掺杂，n型GaAs层的厚度为0.1～10μm，掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1019/cm3，n型GaAs接触层的厚度为10～2000nm，掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3。
优选地，所述第二p型金属电极和第二n型金属电极为同面电极或异面电极，所述第二p型金属电极厚度为10～200nm，所述第二p型金属电极为钛/金逐层蒸镀的复合层金属材料构件；所述第二n型金属电极厚度为10～200nm，所述第二n型金属电极为镍/金/锗/镍/金逐层蒸镀的复合层金属材料构件。
进一步地，所述硅半导体绝缘层厚度为0.1～50μm，所述硅基衬底层的厚度为10～200μm，n型掺杂区的掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3、p型掺杂区的掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3。
由于硅半导体可吸收400nm-1100nm波长范围内的光，当光线照射到硅基探测器表面时，一部分光线会被硅片反射或散射，一部分会被吸收。因此，硅半导体绝缘层厚度会影响探测器的探测效率，硅片厚度越薄，吸收光线的路径就越短，光电转换效率就越高；但当硅片过薄时，电子在通过pn结界面传输时会受到阻碍，探测效率会降低。因此，硅半导体绝缘层厚度为0.1～50μm。与硅材料不同的是，GaAs和ZnO等材料具有较高的光吸收效率，因此厚度可以很薄，但材料过薄会导致韧性差，进而无法支撑光电探测器，并不便于其上部各功能层电极的制备。因此，将第一探测功能层和第二探测功能层置于硅半导体绝缘层一侧，将第三探测功能层置于硅半导体绝缘层另一侧，并在硅半导体绝缘层上设有硅基衬底层，较厚的硅基衬底层可以起到支撑本光电探测器和便于制备各功能层的电极的作用。
优选地，所述第三p型金属电极和第三n型金属电极为叉指电极，其厚度为10～2000nm，指长为10～8000μm，指间距为1～500μm，指宽为1～500μm；所述第三p型金属电极和第三n型金属电极为银、金或钛/铝/钛/金复合层金属材料构件。
本发明提供了上述双面多波段光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：硅基衬底层的处理；提供一片硅基衬底层，在硅基衬底层表面沉积一层硅半导体绝缘层；
步骤2：第一探测功能层制备；在所述硅半导体绝缘层表面旋涂一层光刻胶，对光刻胶进行烘烤、紫外曝光和后烘，然后显影去除部分光刻胶，暴露出部分硅半导体绝缘层；将暴露出来的部分硅半导体绝缘层表面旋涂ZnO溶胶，退火形成ZnO薄膜层，在旋涂的ZnO薄膜层上旋涂Ga2O3溶胶，退火得到Ga2O3薄膜层；在Ga2O3薄膜层表面旋涂光刻胶，经过紫外曝光、后烘、显影、热蒸发金属层，得到Ga2O3薄膜层表面的第一p型金属电极和第一n型金属电极；
步骤3：第二探测功能层制备；取一片n型GaAs衬底，依次外延生长n型GaAs层、本征GaAs层、p型GaAs层和p型GaAs接触层；外延生长完毕后，对p型GaAs接触层进行离子注入；在硅半导体绝缘层表面旋涂一层光刻胶，经过紫外曝光、后烘、显影，将p型GaAs接触层键合至暴露出来的硅半导体绝缘层上并退火；在n型GaAs衬底离子注入后形成的n型GaAs接触层和p型GaAs接触层表面旋涂一层光刻胶，经过紫外曝光、后烘、显影、刻蚀、热蒸发金属层，分别得到第二n型金属电极和第二p型金属电极；
步骤4：第三探测功能层制备；在所述硅半导体绝缘层的另一侧硅基衬底层表面旋涂一层光刻胶，经过紫外曝光、后烘、显影形成叉指型沟道，在叉指型沟道中注入硼或磷离子，分别形成p型掺杂区和n型掺杂区；在所述p型掺杂区和n型掺杂区沉积第三p型金属电极和第三n型金属电极。
优选地，所述硅半导体绝缘层3为SiO2或Si3N4材料构件。
优选地，步骤1中注入氢离子和氦离子，氢离子的注入剂量为1×1015/cm2～1×1018/cm2，注入能量为1×10-3～5×103MeV，氦离子的注入剂量为1×1015/cm2～2×1018/cm2，注入能量为1×10-3～3×103MeV。
优选地，步骤2中所述对光刻胶进行烘烤的温度为80～110℃，烘烤时间为5～10min。
优选地，步骤2中旋涂ZnO溶胶其方法为使用移液枪吸取10～500μL过滤后的ZnO溶胶滴涂在基片上，以1000～5000r/min的速度旋转10～80s。
优选地，步骤2中退火形成ZnO薄膜层，所述退火为在100～180℃的加热台上预退火5～10min后，放入马弗炉中以300～700℃的后退火温度退火1～8h。
优选地，步骤2中所述旋涂Ga2O3溶胶其方法为使用移液枪吸取10～500μL过滤后的Ga2O3溶胶旋涂在该ZnO薄膜上，以1000～5000r/min的速度旋转10～80s。
优选地，步骤2中退火得到Ga2O3薄膜层，所述退火在100～180℃的加热台上预退火5～10min后，将样片放入马弗炉中以300～700℃的后退火温度退火1～8h。
优选地，步骤2中所述ZnO溶胶其制备方法为将0.512～25.6g的Zn(CH3COO)2·2H2O药品溶解在4～200ml的2-甲氧基乙醇(C3H8O2)溶剂中，再加入与金属离子等摩尔量的乙醇胺(C2H7NO)作为稳定剂；然后，将配置好的混合溶液放在加热磁力搅拌台上，在60～80℃和1000～2000r/min的条件下搅拌2～6h，以确保溶质完全溶解；最后，将获得的均匀透明ZnO溶胶放在室温中陈化24h，再使用一次性有机系过滤头过滤得到ZnO溶胶。
优选地，步骤2中所述Ga2O3溶胶其制备方法为将0.438～21.9g的Ga(NO3)3·xH2O药品溶解在4～200ml的C3H8O2溶剂中，再加入与金属离子等摩尔量的C2H7NO作为稳定剂；然后，接着将配置好的混合溶液放在加热磁力搅拌台上，在60～80℃和1000～2000r/min的条件下搅拌2～6h，以确保溶质完全溶解；最后，将得到的均匀透明Ga2O3溶胶放在室温下陈化24h，再使用一次性有机系过滤头过滤得到Ga2O3溶胶。
优选地，步骤3中所述对p型GaAs接触层进行离子注入，氢离子的注入剂量为1×1015/cm2～1×1018/cm2，注入能量为10～5000keV，氦离子的注入剂量为1×1015/cm2～2×1018/cm2，注入能量为10～5000keV。
优选地，步骤3中所述键合，其键合力为5～100kN，键合时间为0.1～24h。
优选地，步骤3所述退火其退火温度设置在500～600℃，退火时间为2～4h，温升速率为1～10℃/min。
进一步地，所述Ga2O3薄膜层和ZnO薄膜层的制备采用分布后退火处理或一步后退火处理。
进一步地，所述Ga2O3薄膜层和ZnO薄膜层的制备选自溶胶旋涂法、磁控溅射法或脉冲激光沉积法在硅半导体绝缘层表面进行外延生长。
进一步地，所述第二探测功能层制备可以采用金属有机化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、电浆溅镀法或脉冲激光沉积法进行各外延层的生长。
进一步地，所述硅半导体绝缘层为SiO2或Si3N4材料构件。
进一步地，所述硅基衬底层可以采用离子注入剥离硅薄膜或通过研磨的方式进行减薄。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明双面多波段光电探测器，通过将不同波段的探测功能层集成一起，实现了从紫外光到可见光再到红外光的多波段探测能力，提高探测器的探测范围，拓宽了波长的探测范围和能力，本发明的提出能够有效解决单一波段探测器探测范围受限的难题，便于大范围波段的光信号的提取和识别，提高器件的工作效率和灵活性。
(2)本发明双面多波段光电探测器低功耗、体积小、结构简单，工作效率高且抗干扰能力强，可以广泛应用于数据中心、光互连、人工智能等领域。
附图说明
图1是离子注入硅基衬底层中形成的离子注入损伤层示意图。
图2是在硅基衬底层上等离子体增强化学气相沉积一层硅半导体绝缘层示意图。
图3是在硅半导体绝缘层旋涂一层光刻胶示意图。
图4是对光刻胶进行紫外曝光示意图。
图5是经过显影后形成的结构示意图。
图6为第一探测功能层制备后的结构示意图。
图7为第二探测功能层键合至硅半导体绝缘层上的示意图。
图8为硅基衬底层自离子注入损伤层智能剥离后形成的结构示意图。
图9为最终形成的双面多波段光电探测器的结构示意图。
图10为第三探测功能层的俯视图。
图11为第一探测功能层和第一探测功能层的俯视图。
图12为实施例2-4和对比例1中半导体器件的电流电压特性曲线。
图中标注含义如下：1为硅基衬底层；2为离子注入损伤层；3为硅半导体绝缘层；4为光刻胶；5为掩膜版；6为ZnO薄膜层；7为Ga2O3薄膜层，8为第一p型金属电极，9为第一n型金属电极；10为p型GaAs接触层；11为p型GaAs层；12为本征GaAs层；13为n型GaAs层；14为n型GaAs衬底；15为n型GaAs接触层；16为第二n型金属电极；17为第二p型金属电极；18为n型掺杂区；19为p型掺杂区；20为第三n型金属电极；21为第三p型金属电极。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
下面结合附图来对本发明作进一步的阐述，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或者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，本发明中描述的“多个”一般指的是两个或两个以上，除非另有说明。
实施例1
如图9所示，一种双面多波段光电探测器，包括硅基衬底层1和硅半导体绝缘层3，所述硅半导体绝缘层3一侧设有相邻设置并用于探测紫外波段的第一探测功能层和用于探测短波红外波段的第二探测功能层；所述所述硅半导体绝缘层3的另一侧与第一探测功能层和第二探测功能层相对位置设有用于探测可见光波段的第三探测功能层；所述第一探测功能层包括依次在硅半导体绝缘层3上外延生长的ZnO薄膜层6和Ga2O3薄膜层7，所述Ga2O3薄膜层7上设有第一p型金属电极8和第一n型金属电极9；所述第二探测功能层包括依次在硅半导体绝缘层3上外延生长的p型GaAs接触层10、p型GaAs层11、本征GaAs层12、n型GaAs层13和n型GaAs接触层15，所述n型GaAs接触层15上设有第二n型金属电极16；所述p型GaAs接触层10上设有第二p型金属电极17；所述第三探测功能层包括设置在所述硅半导体绝缘层3上的硅基衬底层1，所述硅基衬底层1上部形成有叉指型的n型掺杂区18和p型掺杂区19，所述n型掺杂区18上设有第三n型金属电极20，所述p型掺杂区19上设有第三p型金属电极21。
作为可选的方案，所述Ga2O3薄膜层7的厚度为10～2000nm，ZnO薄膜层6的厚度为10～3000nm；作为优选，本实施例Ga2O3薄膜层7的厚度为800nm，ZnO薄膜层6的厚度为1000nm。
作为可选的方案，所述第一p型金属电极8和第一n型金属电极9为叉指电极，所述叉指电极厚度为10～200nm，指长为10～2000μm，指间距为1～200μm，指宽为1～200μm。作为优选，本实施例叉指电极厚度为50nm，指长为2000μm，指间距为50μm，指宽为100μm。
作为可选的方案，所述第一p型金属电极8和第一n型金属电极9为银、金或钛/铝/钛/金复合层金属材料构件。作为优选，本实施例第一p型金属电极8和第一n型金属电极9为银材料构件。
作为可选的方案，所述p型GaAs接触层10的厚度为10～2000nm，掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3，p型GaAs层11的厚度为0.1～10μm，掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1019/cm3，本征GaAs层12的厚度为0.1～50μm，不掺杂，n型GaAs层13的厚度为0.1～10μm，掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1019/cm3，n型GaAs接触层15的厚度为10～2000nm，掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3；作为优选，本实施例p型GaAs接触层10的厚度为100nm，掺杂浓度为1×1019/cm3，p型GaAs层11的厚度为2μm，掺杂浓度为5×1018/cm3，本征GaAs层12的厚度为5μm，不掺杂，n型GaAs层13的厚度为5μm，掺杂浓度为5×1018/cm3，n型GaAs接触层15的厚度为100nm，掺杂浓度为1×1019/cm3。
作为可选的方案，所述第二p型金属电极17和第二n型金属电极16为同面电极或异面电极，所述第二p型金属电极17厚度为10～200nm，所述第二p型金属电极17为钛/金逐层蒸镀的复合层金属材料构件；所述第二n型金属电极16厚度为10～200nm，所述第二n型金属电极16为镍/金/锗/镍/金逐层蒸镀的复合层金属材料构件。作为优选，本实施例所述第二p型金属电极17和第二n型金属电极16为同面电极，所述第二p型金属电极17厚度为200nm，所述第二p型金属电极17为钛/金逐层蒸镀的复合层金属材料构件；所述第二n型金属电极16厚度为200nm，所述第二n型金属电极16为镍/金/锗/镍/金逐层蒸镀的复合层金属材料构件。
作为可选的方案，所述硅半导体绝缘层3厚度为0.1～50μm，所述硅基衬底层1的厚度为10～200μm，n型掺杂区18的掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3、p型掺杂区19的掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3。作为优选，本实施例所述硅半导体绝缘层3厚度为2μm，硅基衬底层1的厚度为100μm的SiO2，n型掺杂区18的掺杂浓度为1×1019/cm3、p型掺杂区19的掺杂浓度为1×1019/cm3。
作为优选，所述第三p型金属电极21和第三n型金属电极20为叉指电极，其厚度为10～2000nm，指长为10～8000μm，指间距为1～500μm，指宽为1～500μm；所述第三p型金属电极21和第三n型金属电极20为银、金或钛/铝/钛/金复合层金属材料构件。具体地，本实施例所述第三p型金属电极21和第三n型金属电极20为叉指电极，其厚度为200nm，指长为3000μm，指间距为100μm，指宽为200μm；所述第三p型金属电极21和第三n型金属电极20为银金属材料构件。
实施例2
本发明提供了上述实施例1中双面多波段光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：硅基衬底层1的处理；提供一片硅基衬底层1，如图1所示，向所述硅基衬底层1中注入氢离子和氦离子，图中箭头表示氢离子和氦离子注入的位置，形成离子注入损伤层2，离子注入的目的是在制备第一探测功能层和第二探测功能层后，方便进行硅基衬底层1的减薄；在硅基衬底层1表面沉积一层硅半导体绝缘层3，并对硅半导体绝缘层3表面进行抛光处理，结构如图2所示；
步骤2：第一探测功能层制备；在所述硅半导体绝缘层3表面旋涂一层光刻胶4，对光刻胶4进行烘烤、紫外曝光和后烘，然后显影去除部分光刻胶4，暴露出部分硅半导体绝缘层3，结构如图3-5所示；将暴露出来的部分硅半导体绝缘层3表面旋涂ZnO溶胶，退火形成ZnO薄膜层6，在旋涂的ZnO薄膜层6上旋涂Ga2O3溶胶，退火得到Ga2O3薄膜层7；在Ga2O3薄膜层7表面旋涂光刻胶4，经过紫外曝光、后烘、显影、热蒸发金属层，得到Ga2O3薄膜层7表面的第一p型金属电极8和第一n型金属电极9，其结构如图6所示；
步骤3：第二探测功能层制备；取一片n型GaAs衬底14，依次外延生长n型GaAs层13、本征GaAs层12、p型GaAs层11、p型GaAs接触层10；外延生长完毕后，对p型GaAs接触层10进行离子注入；在Ga2O3薄膜层7表面和硅半导体绝缘层3表面旋涂一层光刻胶4，经过紫外曝光、后烘、显影，将p型GaAs接触层10键合至暴露出来的硅半导体绝缘层3上并退火，结构如图7所示；在n型GaAs衬底14离子注入后形成的n型GaAs接触层15和p型GaAs接触层10表面旋涂一层光刻胶4，经过紫外曝光、后烘、显影、刻蚀、热蒸发金属层，分别得到第二n型金属电极16和第二p型金属电极17，结构如图8所示；
步骤4：第三探测功能层制备；在所述硅半导体绝缘层3的另一侧硅基衬底层1表面旋涂一层光刻胶4，经过紫外曝光、后烘、显影形成叉指型沟道，在叉指型沟道中注入硼或磷离子，分别形成p型掺杂区19和n型掺杂区18；在所述p型掺杂区19和n型掺杂区18沉积第三p型金属电极21和第三n型金属电极20，其结构如图9-11所示。
作为可选的方案，所述硅半导体绝缘层3为SiO2材料构件。
作为可选的方案，步骤1中注入氢离子和氦离子，氢离子的注入剂量为1×1015/cm2～1×1018/cm2，注入能量为1×10-3～5×103MeV，氦离子的注入剂量为1×1015/cm2～2×1018/cm2，注入能量为1×10-3～3×103MeV。
作为可选的方案，步骤2中所述对光刻胶进行烘烤的温度为80～110℃，烘烤时间为5～10min。作为可选的方案，步骤2中旋涂ZnO溶胶其方法为使用移液枪吸取10～500μL过滤后的ZnO溶胶滴涂在基片上，以1000～5000r/min的速度旋转10～80s。
作为可选的方案，步骤2中退火形成ZnO薄膜层6，所述退火为在100～180℃的加热台上预退火5～10min后，放入马弗炉中以300～700℃的后退火温度退火1～8h。作为可选的方案，步骤2中所述旋涂Ga2O3溶胶其方法为使用移液枪吸取10～500μL过滤后的Ga2O3溶胶旋涂在该ZnO薄膜上，以1000～5000r/min的速度旋转10～80s。作为可选的方案，步骤2中退火得到Ga2O3薄膜层7，所述退火在100～180℃的加热台上预退火5～10min后，将样片放入马弗炉中以300～700℃的后退火温度退火1～8h。作为可选的方案，步骤2中所述ZnO溶胶其制备方法为将0.512～25.6g的Zn(CH3COO)2·2H2O药品溶解在4～200ml的2-甲氧基乙醇(C3H8O2)溶剂中，再加入与金属离子等摩尔量的乙醇胺(C2H7NO)作为稳定剂；然后，将配置好的混合溶液放在加热磁力搅拌台上，在60～80℃和1000～2000r/min的条件下搅拌2～6h，以确保溶质完全溶解；最后，将获得的均匀透明ZnO溶胶放在室温中陈化24h，再使用一次性有机系过滤头过滤得到ZnO溶胶。
作为可选的方案，步骤2中所述Ga2O3溶胶其制备方法为将0.438～21.9g的Ga(NO3)3·xH2O药品溶解在4～200ml的C3H8O2溶剂中，再加入与金属离子等摩尔量的C2H7NO作为稳定剂；然后，接着将配置好的混合溶液放在加热磁力搅拌台上，在60～80℃和1000～2000r/min的条件下搅拌2～6h，以确保溶质完全溶解；最后，将得到的均匀透明Ga2O3溶胶放在室温下陈化24h，再使用一次性有机系过滤头过滤得到Ga2O3溶胶。
作为可选的方案，步骤3中所述对p型GaAs接触层10进行离子注入，氢离子的注入剂量为1×1015/cm2～1×1018/cm2，注入能量为10～5000keV，氦离子的注入剂量为1×1015/cm2～2×1018/cm2，注入能量为10～5000keV。作为可选的方案，步骤3中所述键合，其键合力为5～100kN，键合时间为0.1～24h。作为可选的方案，步骤3所述退火其退火温度设置在500～600℃，退火时间为2～4h，温升速率为1～10℃/min。
作为可选的方案，所述Ga2O3薄膜层7和ZnO薄膜层6的制备采用分布后退火处理或一步后退火处理。作为可选的方案，所述Ga2O3薄膜层7和ZnO薄膜层6的制备选自溶胶旋涂法、磁控溅射法或脉冲激光沉积法在硅半导体绝缘层3表面进行外延生长。作为可选的方案，所述第二探测功能层制备可以采用金属有机化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、电浆溅镀法或脉冲激光沉积法进行各外延层的生长。作为可选的方案，所述硅基衬底层1可以采用离子注入剥离Si薄膜或研磨的方式进行减薄。
具体的制备步骤如下：
步骤1：硅基衬底层1的处理；提供硅基衬底层1，向所述硅基衬底层1中注入氢离子(H+)和氦离子(He+)，H+的注入浓度为7×1016/cm2，注入能量为1MeV，He+的注入浓度为5×1015/cm2，注入能量为1.1MeV。离子注入完毕后，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硅基衬底层1表面沉积一层硅半导体绝缘层3，沉积完毕后利用化学机械抛光工艺(CMP)对硅半导体绝缘层3表面进行抛光处理；
步骤2：第一探测功能层制备；抛光完毕后，在所述硅半导体绝缘层3表面旋涂一层光刻胶4，然后对光刻胶4进行烘烤，烘烤温度为80℃，烘烤时间为5min。烘烤完毕后，用掩膜版5对光刻胶4进行紫外曝光。曝光完毕后，对光刻胶4进行后烘，然后经过显影去除部分光刻胶4，暴露出部分硅半导体绝缘层3；将暴露出来的硅半导体绝缘层3清洗好后吸附在匀胶机上，使用移液枪吸取50μL过滤后的ZnO溶胶滴涂在基片上，以3000r/min的速度旋转60s，在180℃的加热台上预退火5min后，放入马弗炉中以300℃的后退火温度退火5h，待其自然降温后取出，退火形成ZnO薄膜层6。接着，使用移液枪吸取50μL过滤后的Ga2O3溶胶旋涂在该ZnO薄膜层6上，以3000r/min的速度旋转60s，在180℃的加热台上预退火5min后，将样片放入马弗炉中以300℃的后退火温度退火5h，待自然降温后即可制备出采用分步后退火处理法制备的Ga2O3薄膜层7。在Ga2O3薄膜层7表面再次旋涂一层光刻4，经过紫外曝光、后烘、显影、热蒸发金属层，最后用丙酮溶液清洗，最后能够得到Ga2O3薄膜层7表面的第一p型金属电极8和第一n型金属电极9，第一p型金属电极8和第一n型金属电极9为叉指电极，其厚度为50nm，电极材料可以为Ag，叉指电极的指长为2000μm，指间距为50μm，指宽为100μm；
其中ZnO溶胶和Ga2O3溶胶的制备方法如下：
ZnO溶胶的制备。为了配制0.5mol/L的ZnO溶胶，首先，将2.56g的Zn(CH3COO)2·2H2O药品溶解在20ml的2-甲氧基乙醇(C3H8O2)溶剂中，再加入与金属离子等摩尔量的乙醇胺(C2H7NO)作为稳定剂。然后，将配置好的混合溶液放在加热磁力搅拌台上，在60℃和1500r/min的条件下搅拌4h，以确保溶质完全溶解。最后，将获得的均匀透明ZnO溶胶放在室温中陈化24h，再使用一次性有机系过滤头将该ZnO溶胶过滤待用。
Ga2O3溶胶的制备。为了配制0.5mol/L的Ga2O3溶胶，首先，将2.19g的Ga(NO3)3·xH2O药品溶解在20ml的C3H8O2溶剂中，再加入与金属离子等摩尔量的C2H7NO作为稳定剂。然后，接着将配置好的混合溶液放在加热磁力搅拌台上，在60℃和1500r/min的条件下搅拌4h，以确保溶质完全溶解。最后，将得到的均匀透明Ga2O3溶胶放在室温下陈化24h，再使用一次性有机系过滤头将该Ga2O3溶胶过滤待用。
步骤3：第二探测功能层制备；取一片n型GaAs衬底14，将所述GaAs衬底14放置在MOCVD系统腔室里进行外延生长。依次外延生长n型GaAs层13、本征GaAs层12、p型GaAs层11、p型GaAs接触层10；外延生长完毕后；其中p型GaAs接触层10的厚度为100nm，掺杂浓度为1×1019/cm3，p型GaAs层11的厚度为2μm，掺杂浓度为5×1018/cm3，本征GaAs层12的厚度为5μm，不掺杂，n型GaAs层13的厚度为5μm，掺杂浓度为5×1018/cm3，n型GaAs接触层15的厚度为100nm，掺杂浓度为1×1019/cm3。外延生长完毕后，对p型GaAs接触层10进行离子注入；H+的注入剂量为6×1016/cm2，注入能量为200keV，He+的注入剂量为5×1015/cm2，注入能量为240keV；Ga2O3薄膜层7表面和硅半导体绝缘层3表面旋涂一层光刻胶4，经过紫外曝光、后烘、显影。将p型GaAs接触层10键合至暴露出来的硅半导体绝缘层3上；键合力为10kN，键合时间为2h。然后将键合完毕的结构放入退火炉内进行高温退火，退火温度设置在500℃，退火时间为2h，温升速率为1℃/min。退火完毕后，用酒精进行清洗；在n型GaAs衬底14离子注入后形成的n型GaAs接触层15和p型GaAs接触层10表面旋涂一层光刻胶4，经过紫外曝光、后烘、显影、刻蚀、热蒸发金属层，分别得到第二n型金属电极16和第二p型金属电极17；第二p型金属电极17和第二n型金属电极16为同面电极，第二p型金属电极17厚度为200nm，金属材料为Ti/Au逐层蒸镀，第二n型金属电极16厚度为200nm，金属材料为Ni/Au/Ge/Ni/Au逐层蒸镀；最后用丙酮溶液清洗，得到表面的第二n型金属电极16和第二p型金属电极17；
步骤4：第三探测功能层制备；在所述硅半导体绝缘层3的另一侧硅基衬底层1表面旋涂一层光刻胶4，经过紫外曝光、后烘、显影形成叉指型沟道，在叉指型沟道中注入硼或磷离子，分别形成p型掺杂区19和n型掺杂区18；其中n型掺杂区18的掺杂浓度为1×1018/cm3、p型掺杂区19的掺杂浓度为1×1018/cm3；分别在所述p型掺杂区19和n型掺杂区18沉积第三p型金属电极21和第三n型金属电极20，所述第三p型金属电极21和第三n型金属电极20为叉指电极，电极的厚度为200nm，电极材料可以为Ag，叉指电极的指长为3000μm，指间距为100μm，指宽为200μm。
实施例3
方法与实施例2相同，区别仅为步骤1不在硅基衬底层1内注入离子，在步骤4第三探测功能层制备时，通过将另一面的硅基衬底层1通过研磨的方式减薄，使厚度降低至100μm；其他步骤不变。
实施例4
方法与实施例2相同，区别仅为步骤2中暴露出来的硅半导体绝缘层3放置在磁控溅射镀膜机的腔室内，先在硅半导体绝缘层3上溅射一层ZnO薄膜层6，薄膜层厚度为800nm，在ZnO薄膜层6上溅射一层Ga2O3薄膜层7，薄膜层的厚度为1000nm，其他步骤不变。
实施例5
方法与实施例2相同，区别仅为步骤3中第二探测功能层制备时；将n型GaAs衬底14放置在PECVD系统腔室里进行短波红外探测器的外延生长，其他步骤保持不变。
对比例1
参照实施例2方法将本多波段光电探测器的不同探测功能层设置在不同的硅基衬底层1上，制备得到的三个分别探测紫外波段的第一探测功能层；用于探测短波红外波段的第二探测功能层；用于探测可见光波段的第三探测功能层；各功能层均在硅基衬底层1上形成单独的光电探测器，硅基衬底层1的厚度为100μm。
测试例1
(1)实验方法
测试方法具体如下：对实施例2-4和对比例1进行半导体电流-电压特性曲线，其中，半导体分析测试系统与电脑相连实现数据采集，发光二极管(LED)驱动器控制不同波长LED产生不同强度的光照，通过透镜汇聚到器件上。器件的有效光照面积很小，LED的光斑可以完全将其覆盖。获得不同波长点光源照射下的电流-电压(I-V)特性曲线。硅基衬底层1厚度为100μm，均为SiO2，电阻率为1-10Ω×cm，探测器两侧采用的是大小相同的肖特基接触，因此器件在正负偏压下的暗电流显示出明显的对称性。
(2)实验结果
如图12所示，测试了实施例2、实施例3、实施例4和对比例1中制备出的器件的I-V特性。其中对对比例1中分别测出了三个单独的光电探测器的I-V输出特性后，将三者的参数相加，得到的输出I-V特性曲线。从下图可知，在相同的偏置电压下，输出得到的电流大小依次为实施例2＞实施例3＞实施例4＞对比例1。由于探测器的输出功率为P＝I×V，所以在相同的光强照射下，4种探测器的输出功率大小依次为实施例2＞实施例3＞实施例4＞对比例1。因此本发明提出的将三种不同光探测器集成硅衬底两侧经实验证明具有探测灵敏度强的能力，同时也可使得光照射的输入功率减小，降低能耗。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚的说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双面多波段光电探测器，其特征在于，包括硅基衬底层(1)和硅半导体绝缘层(3)，所述硅半导体绝缘层(3)一侧设有相邻设置并用于探测紫外波段的第一探测功能层和用于探测短波红外波段的第二探测功能层；所述所述硅半导体绝缘层(3)的另一侧与第一探测功能层和第二探测功能层相对位置设有用于探测可见光波段的第三探测功能层；所述第一探测功能层包括依次在硅半导体绝缘层(3)上外延生长的ZnO薄膜层(6)和Ga2O3薄膜层(7)，所述Ga2O3薄膜层(7)上设有第一p型金属电极(8)和第一n型金属电极(9)；所述第二探测功能层包括依次在硅半导体绝缘层(3)上外延生长的p型GaAs接触层(10)、p型GaAs层(11)、本征GaAs层(12)、n型GaAs层(13)和n型GaAs接触层(15)，所述n型GaAs接触层(15)上设有第二n型金属电极(16)；所述p型GaAs接触层(10)上设有第二p型金属电极(17)；所述第三探测功能层包括设置在所述硅半导体绝缘层(3)上的硅基衬底层(1)，所述硅基衬底层(1)上部形成有叉指型的n型掺杂区(18)和p型掺杂区(19)，所述n型掺杂区(18)上设有第三n型金属电极(20)，所述p型掺杂区(19)上设有第三p型金属电极(21)。
2.根据权利要求1所述双面多波段光电探测器，其特征在于，所述Ga2O3薄膜层(7)的厚度为10～2000nm，ZnO薄膜层(6)的厚度为10～3000nm。
3.根据权利要求1所述双面多波段光电探测器，其特征在于，所述第一p型金属电极(8)和第一n型金属电极(9)为叉指电极，所述叉指电极厚度为10～200nm，指长为10～2000μm，指间距为1～200μm，指宽为1～200μm。
4.根据权利要求1所述双面多波段光电探测器，其特征在于，所述p型GaAs接触层(10)的厚度为10～2000nm，掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3，p型GaAs层(11)的厚度为0.1～10μm，掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1019/cm3，本征GaAs层(12)的厚度为0.1～50μm，不掺杂，n型GaAs层(13)的厚度为0.1～10μm，掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1019/cm3，n型GaAs接触层(15)的厚度为10～2000nm，掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3。
5.根据权利要求1所述双面多波段光电探测器，其特征在于，所述硅半导体绝缘层(3)厚度为0.1～50μm，所述硅基衬底层(1)的厚度为10～200μm，所述n型掺杂区(18)的掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3；所述p型掺杂区(19)的掺杂浓度为1×1017/cm3～1×1020/cm3。
6.权利要求1-5任一项所述双面多波段光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：硅基衬底层(1)的处理；提供一片硅基衬底层(1)，在硅基衬底层(1)表面沉积一层硅半导体绝缘层(3)；
步骤2：第一探测功能层制备；在所述硅半导体绝缘层(3)表面旋涂一层光刻胶(4)，对光刻胶(4)进行烘烤、紫外曝光和后烘，然后显影去除部分光刻胶(4)，暴露出部分硅半导体绝缘层(3)；将暴露出来的部分硅半导体绝缘层(3)表面旋涂ZnO溶胶，退火形成ZnO薄膜层(6)，在旋涂的ZnO薄膜层(6)上旋涂Ga2O3溶胶，退火得到Ga2O3薄膜层(7)；在Ga2O3薄膜层(7)表面旋涂光刻胶(4)，经过紫外曝光、后烘、显影、热蒸发金属层，得到Ga2O3薄膜层(7)表面的第一p型金属电极(8)和第一n型金属电极(9)；
步骤3：第二探测功能层制备；取一片n型GaAs衬底(14)，依次外延生长n型GaAs层(13)、本征GaAs层(12)、p型GaAs层(11)和p型GaAs接触层(10)；外延生长完毕后，对p型GaAs接触层(10)进行离子注入；在硅半导体绝缘层(3)表面旋涂一层光刻胶，经过紫外曝光、后烘、显影，将p型GaAs接触层(10)键合至暴露出来的硅半导体绝缘层(3)上并退火；在n型GaAs衬底(14)离子注入后形成的n型GaAs接触层(15)和p型GaAs接触层(10)表面旋涂一层光刻胶(4)，经过紫外曝光、后烘、显影、刻蚀、热蒸发金属层，分别得到第二n型金属电极(16)和第二p型金属电极(17)；
步骤4：第三探测功能层制备；在所述硅半导体绝缘层(3)的另一侧硅基衬底层(1)表面旋涂一层光刻胶(4)，经过紫外曝光、后烘、显影形成叉指型沟道，在叉指型沟道中注入硼或磷离子，分别形成p型掺杂区(19)和n型掺杂区(18)；在所述p型掺杂区(19)和n型掺杂区(18)沉积第三p型金属电极(21)和第三n型金属电极(20)。
7.根据权利要求6所述双面多波段光电探测器的制备方法，其特征在于，所述Ga2O3薄膜层(7)和ZnO薄膜层(6)的制备采用分布后退火处理或一步后退火处理。
8.根据权利要求6所述双面多波段光电探测器的制备方法，其特征在于，所述Ga2O3薄膜层(7)和ZnO薄膜层(6)的制备选自溶胶旋涂法、磁控溅射法或脉冲激光沉积法在硅半导体绝缘层(3)表面进行外延生长。
9.根据权利要求6所述双面多波段光电探测器的制备方法，其特征在于，所述硅半导体绝缘层(3)为SiO2或者Si3N4材料构件。
10.根据权利要求6所述双面多波段光电探测器的制备方法，其特征在于，所述硅基衬底层(1)采用离子注入剥离硅薄膜或通过研磨的方式进行减薄。
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