CN219123247U - 一种从可见光到红外的宽波段探测器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种从可见光到红外的宽波段探测器，涉及半导体光电探测器技术领域。探测器包括：超晶格材料层；二维拓扑绝缘体材料层设置于超晶格材料层上，第一金属电极和第二金属电极均与二维拓扑绝缘体材料层欧姆连接。其中，超晶格材料层中具有沿超晶格材料层的厚度方向堆叠的多个超晶格单元；每个超晶格单元中均具有一个砷化铟层和一个锑化镓层。本申请的探测器中二维拓扑绝缘体材料层和InAs/GaSb材质的超晶格材料层之间可实现晶格匹配，形成范德华异质结，实现了从可见光到红外的宽波段探测单片集成，解决了传统单一光敏材料的探测器的响应波段受限难题以及宽波段探测器中异质材料的集成难题。

Description

一种从可见光到红外的宽波段探测器

技术领域

本申请涉及半导体光电探测器技术领域，具体而言，涉及一种从可见光到红外的宽波段探测器。

背景技术

光电探测器在许多领域均有广泛的用途，近年来得到了巨大的发展。光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。在可见光或近红外波段的光电探测器主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段的光电探测器主要用于红外热成像、红外遥感等方面。

但是，目前宽波段探测器的发展面临瓶颈，例如，以硅基为代表的探测器，可实现在可见光区域进行探测，但难以向红外区域扩展；而以锑基为代表的超晶格材料制备的光探测器在红外区域探测方面日益成熟，然而其难以向可见光区域探测扩展。究其原因，主要在于不同材料体系之间的晶格不匹配导致不同光敏材料之间集成困难。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种从可见光到红外的宽波段探测器，其旨在解决不同光敏探测材料之间晶格失配大、集成困难而导致的光电探测器的响应波段受限的技术问题。

本申请提供了一种从可见光到红外的宽波段探测器，包括：超晶格材料层、二维拓扑绝缘体材料层、第一金属电极以及第二金属电极。

二维拓扑绝缘体材料层设置于超晶格材料层上，第一金属电极和第二金属电极均与二维拓扑绝缘体材料层欧姆连接。

其中，超晶格材料层中具有沿超晶格材料层的厚度方向堆叠的多个超晶格单元；每个超晶格单元中均具有一个砷化铟层和一个锑化镓层。

上述技术方案中，二维拓扑绝缘体材料层设置于超晶格材料层上，且超晶格材料层中具有沿超晶格材料层的厚度方向堆叠的多个超晶格单元，每个超晶格单元中均具有一个砷化铟(InAs)层和一个锑化镓(GaSb)层。InAs/GaSb材质的超晶格材料层在红外探测方面具有优势；二维拓扑绝缘体材料层在可见光探测方面具有优势，且其作为低维半导体材料层，其层间靠范德华力结合，无悬挂键，有利于范德华异质结的形成；二维拓扑绝缘体材料层和InAs/GaSb材质的超晶格材料层之间可实现晶格匹配，形成范德华异质结(即通过范德华力实现异质集成，通过转移键合形成异质结)，其异质结界面间不存在化学键作用，可达到原子级的平整界面，避免了不同光敏探测材料之间易存在的晶格失配、热失配以及应力失配等问题，有效实现了从可见光到红外的宽波段探测单片集成(即增大了探测器的探测谱段范围)，也改善了异质结界面质量，解决了传统单一光敏材料的光电探测器的响应波段受限难题以及宽波段探测器中异质材料的集成难题，具有高响应性和高灵敏度。

在本申请可选的实施方式中，超晶格材料层的厚度为1.9～2.1μm。

上述技术方案中，超晶格材料层的厚度为1.9～2.1μm，有利于提高探测器的探测效果。

在本申请可选的实施方式中，超晶格单元的数量为200～400个，每个砷化铟层的厚度均为6～14个原子层，每个锑化镓层的厚度均为4～10个原子层。

上述技术方案，超晶格材料层的晶体质量较高，有利于保障探测器的探测效果。

在本申请可选的实施方式中，二维拓扑绝缘体材料层的材质为Bi₂Se₃或Bi₂O₂Se。

上述技术方案中，二维拓扑绝缘体材料层的材质为Bi₂Se₃或Bi₂O₂Se，其是在可见光区域进行探测的较佳材料，有利于提高探测器在可见光波段的探测效果；且Bi₂Se₃或Bi₂O₂Se材质的二维拓扑绝缘体材料层的层间靠范德华力结合，无悬挂键，有利于二维拓扑绝缘体材料层与InAs/GaSb材质的超晶格材料层之间形成范德华异质结，进而有利于扩宽探测器的响应波段。

在本申请可选的实施方式中，二维拓扑绝缘体材料层的厚度为1～10nm。

上述技术方案中，有利于二维拓扑绝缘体材料层与InAs/GaSb材质的超晶格材料层充分形成范德华异质结，有利于扩宽探测器的响应波段。

在本申请可选的实施方式中，探测器还包括衬底层，衬底层设置于超晶格材料层的下方并用于支撑超晶格材料层。

上述技术方案中，衬底层的设置，可以对整个探测器进行有效支撑，提高整个探测器的结构稳定性。

在本申请可选的实施方式中，衬底层的材质为锑化镓。

在本申请可选的实施方式中，第一金属电极和第二金属电极均为矩形环状结构；定义超晶格材料层在衬底层上的正投影区域为第一区域；第一金属电极设置于二维拓扑绝缘体材料层上；第二金属电极设置于衬底层上，并位于第一区域外，且第二金属电极围设于超晶格材料层的四周。

上述技术方案中，由于衬底层的材质为锑化镓，第一金属电极和第二金属电极的设置方式是利用光伏机制工作，可以使得探测器具有探测效率高、暗电流低、响应速度快以及工作电压低等优势。

在本申请可选的实施方式中，第一金属电极和第二金属电极均设置于二维拓扑绝缘体材料层上。

第一金属电极和第二金属电极均为矩形结构；和/或，第一金属电极和第二金属电极共同形成叉指电极结构。

在本申请可选的实施方式中，第一金属电极包括第一基层和位于第一基层上的第一金属层，第二金属电极包括第二基层和位于第二基层上的第二金属层。

第一基层和第二基层的材质均为钛，第一基层和第二基层的厚度各自独立地为10～100nm。

第一金属层和第二金属层的材质均为金，第一金属层和第二金属层的厚度各自独立地≥50nm。

上述技术方案中，第一基层的材质为钛，可以提高第一金属电极与二维拓扑绝缘体材料层间的粘附性，有利于提高整个探测器的结构稳定性；第二基层的材质为钛，可以提高第二金属电极与二维拓扑绝缘体材料层或衬底层之间的粘附性，有利于提高整个探测器的结构稳定性。第一金属层和第二金属层的材质均为金，有利于提高第一金属电极和第二金属电极的导电性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第一示例的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第一示例的俯视图。

图3为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第二示例的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第二示例的俯视图。

图5为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第三示例的俯视图。

图标：110-超晶格材料层；120-二维拓扑绝缘体材料层；130-第一金属电极；140-第二金属电极；150-衬底层。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请实施例的描述中，技术术语“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申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

本申请实施例提供一种从可见光到红外的宽波段探测器，图1为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第一示例的结构示意图，图2为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第一示例的俯视图，图3为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第二示例的结构示意图，图4为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第二示例的俯视图，请参阅图1和图4，从可见光到红外的宽波段探测器包括：超晶格材料层110、二维拓扑绝缘体材料层120、第一金属电极130以及第二金属电极140。

二维拓扑绝缘体材料层120设置于超晶格材料层110上。其中，超晶格材料层110中具有沿超晶格材料层110的厚度方向堆叠的多个超晶格单元(图中未示出)；每个超晶格单元中均具有一个砷化铟(InAs)层和一个锑化镓(GaSb)层。

第一金属电极130和第二金属电极140均与二维拓扑绝缘体材料层120欧姆连接。

需要说明的是，在本申请中，第一金属电极130与二维拓扑绝缘体材料层120欧姆连接是指：电流可以经第一金属电极130传输至二维拓扑绝缘体材料层120，电流也可以经二维拓扑绝缘体材料层120传输至第一金属电极130；第二金属电极140与二维拓扑绝缘体材料层120欧姆连接是指：电流可以经第二金属电极140传输至二维拓扑绝缘体材料层120，电流也可以经二维拓扑绝缘体材料层120传输至第二金属电极140。

使用本申请提供的从可见光到红外的宽波段探测器时，通过调节第一金属电极130和第二金属电极140上的偏置电压，可以调控探测器的输出电流。

本申请提供的从可见光到红外的宽波段探测器基于光电导响应机制工5作，其中的InAs/GaSb材质的超晶格材料层110在红外探测方面具有优势；

二维拓扑绝缘体材料层120在可见光探测方面具有优势，且其作为低维半导体材料层，其层间靠范德华力结合，无悬挂键，有利于范德华异质结的形成；二维拓扑绝缘体材料层120和InAs/GaSb材质的超晶格材料层110之间可实现晶格匹配，形成范德华异质结(即通过范德华力实现异质集成，0通过转移键合形成异质结)，其异质结界面间不存在化学键作用，可达到原子级的平整界面，避免了不同光敏探测材料之间易存在的晶格失配、热失配以及应力失配等问题，有效实现了从可见光到红外的宽波段探测单片集成(即增大了探测器的探测谱段范围)，也改善了异质结界面质量，解

决了传统单一光敏材料的光电探测器的响应波段受限难题以及宽波段探测5器中异质材料的集成难题，具有高响应性、高灵敏度、且结构简单易于制备。

需要说明的是，在本申请中，InAs/GaSb材质的超晶格材料层110可以采用现有的方法制备得到，例如，可以采用CN113380909B中公开的InAs/GaSb复合层的制备方法制备得到，或者也可以采用CN102534764A公0开的InAs/GaSbⅡ类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的制备方法制备得到。

在本申请中，超晶格材料层110的厚度为1.9～2.1μm。超晶格材料层110的厚度为1.9～2.1μm，有利于提高探测器的探测效果。

作为示例性地，超晶格材料层110的厚度可以为1.9μm、1.95μm、2.0μm、5 2.05μm或者2.1μm等等。

进一步地，在本申请中，超晶格单元的数量为200～400个，每个砷化铟层的厚度均为6～14个原子层，每个锑化镓层的厚度均为4～10个原子层；换言之，超晶格材料层110的超晶格单元的周期为200～400，每个超晶格单元中均具有一个6～14个原子层厚度的砷化铟层和一个4～10个原子层厚度的锑化镓层。

超晶格单元的数量为200～400个，可以使得超晶格材料层110的晶体质量较高，在红外波段的光吸收特性好(可覆盖3～12μm内红外响应波段范围)、响应度高，也有利于保障探测器的探测效果。若超晶格单元的数量太少(即周期太少)，会影响探测器的探测效率；若超晶格单元的数量太多(周期太多)，超晶格材料层110的晶体质量会较差，导致会探测器的性能恶化。

作为示例性地，超晶格材料层110的掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm³。

在本申请中，二维拓扑绝缘体材料层120的材质为Bi₂Se₃或Bi₂O₂Se。二维拓扑绝缘体材料层120的材质为Bi₂Se₃或Bi₂O₂Se，其是在可见光区域进行探测的较佳材料，有利于提高探测器在可见光波段的探测效果；且Bi₂Se₃或Bi₂O₂Se材质的二维拓扑绝缘体材料层120的层间靠范德华力结合，无悬挂键，有利于二维拓扑绝缘体材料层120与InAs/GaSb材质的超晶格材料层110之间形成范德华异质结，使得二维拓扑绝缘体材料层120和InAs/GaSb材质的超晶格材料层110之间实现更佳地晶格匹配，进而有利于扩宽探测器的响应波段。

进一步地，二维拓扑绝缘体材料层120的厚度为1～10nm。二维拓扑绝缘体材料层120的厚度为1～10nm，有利于二维拓扑绝缘体材料层120与InAs/GaSb材质的超晶格材料层110充分形成范德华异质结，有利于扩宽探测器的响应波段。

作为示例性地，二维拓扑绝缘体材料层120的厚度可以为1nm、2nm、5nm、7nm、9nm或者10nm等等。

在本申请中，从可见光到红外的宽波段探测器还包括衬底层150，衬底层150设置于超晶格材料层110的下方并用于支撑超晶格材料层110。衬底层150的设置，可以对整个探测器进行有效支撑，提高整个探测器的结构稳定性。

作为示例性地，衬底层150的厚度为0.2-0.7mm。例如，衬底层150的厚度可以为0.2mm、0.3mm、0.5mm或者0.7mm等等。

进一步地，在本申请中，衬底层150的材质为锑化镓。

请参阅图1和图2，在图1和图2所示的第一示例中，衬底层150的材质为锑化镓，第一金属电极130和第二金属电极140均为矩形环状结构；定义超晶格材料层110在衬底层150上的正投影区域为第一区域(第一区域即为超晶格材料层110覆盖于衬底层150的表面的区域)；第一金属电极130设置于二维拓扑绝缘体材料层120上；第二金属电极140设置于衬底层150上，并位于第一区域外，且第二金属电极140围设于超晶格材料层110的四周。

在第一示例中，第一金属电极130和第二金属电极140的设置方式是利用光伏机制工作，可以使得探测器具有探测效率高、暗电流低、响应速度快以及工作电压低等优势。

需要说明的是，在第一示例中，电流的回路是：电流经第二金属电极140后，先经过超晶格材料层110，再经过二维拓扑绝缘体材料层120(相当于超晶格材料层110和二维拓扑绝缘体材料层120为串联方式)，然后电流再经过第一金属电极130，形成一个完整的电流回路。

或者，第一金属电极130和第二金属电极140也可以是其他设置方式，请参阅图3和图4，在图3和图4所示的第二示例中，第一金属电极130和第二金属电极140均设置于二维拓扑绝缘体材料层120上；且第一金属电极130和第二金属电极140均为矩形结构并间隔设置。

或者，第一金属电极130和第二金属电极140也可以是其他设置方式，图5为本申请实施例提供的从可见光到红外的宽波段探测器的第三示例的俯视图，请参阅图5，在图5所示的第三示例中，第一金属电极130和第二

金属电极140均设置于二维拓扑绝缘体材料层120上；且第一金属电极1305和第二金属电极140共同形成叉指电极结构。

需要说明的是，在第二示例和第三示例中，电流的回路是：电流经第一金属电极130后，同时从超晶格材料层110和二维拓扑绝缘体材料层120流过(相当于超晶格材料层110和二维拓扑绝缘体材料层120为并联方式)，然后电流再经过第二金属电极140，形成一个完整的电流回路。

0进一步地，在本申请中，第一金属电极130包括第一基层(图中未示

出)和位于第一基层上的第一金属层(图中未示出)，第一基层与二维拓扑绝缘体材料层120连接，且第一金属层设置于第一基层的远离二维拓扑绝缘体材料层120的一侧。

第二金属电极140包括第二基层(图中未示出)和位于第二基层上的5第二金属层(图中未示出)，第二基层与二维拓扑绝缘体材料层120(或衬底层150)连接，且第二金属层设置于第二基层的远离二维拓扑绝缘体材料层120(或衬底层150)的一侧。

进一步地，第一基层的材质均为钛，可以提高第一金属电极130与二

维拓扑绝缘体材料层120间的粘附性，有利于提高整个探测器的结构稳定0性；第二基层的材质为钛，可以提高第二金属电极140与二维拓扑绝缘体材料层120(或衬底层150)之间的粘附性，有利于提高整个探测器的结构稳定性。

作为示例性地，第一基层和第二基层的厚度各自独立地为10～100nm。

再进一步地，第一金属层和第二金属层的材质均为金，有利于提高第5一金属电极130和第二金属电极140的导电性。

作为示例性地，第一金属层和第二金属层的厚度各自独立地≥50nm，例如，50～100nm。

综上，本申请的从可见光到红外的宽波段探测器中，二维拓扑绝缘体材料层120和InAs/GaSb材质的超晶格材料层110之间可实现晶格匹配，形成范德华异质结，实现了从可见光到红外的宽波段探测单片集成，解决了传统单一光敏材料的探测器的响应波段受限难题以及宽波段探测器中异质材料的集成难题，具有高灵敏度和高响应性、且结构简单易于制备。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种从可见光到红外的宽波段探测器，其特征在于，包括：超晶格材料层、二维拓扑绝缘体材料层、第一金属电极以及第二金属电极；

所述二维拓扑绝缘体材料层设置于所述超晶格材料层上，所述第一金属电极和所述第二金属电极均与所述二维拓扑绝缘体材料层欧姆连接；

其中，所述超晶格材料层中具有沿所述超晶格材料层的厚度方向堆叠的多个超晶格单元；每个所述超晶格单元中均具有一个砷化铟层和一个锑化镓层。

2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述超晶格材料层的厚度为1.9～2.1μm。

3.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述超晶格单元的数量为200～400个，每个所述砷化铟层的厚度均为6～14个原子层，每个所述锑化镓层的厚度均为4～10个原子层。

4.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述二维拓扑绝缘体材料层的材质为Bi₂Se₃或Bi₂O₂Se。

5.根据权利要求1或4所述的探测器，其特征在于，所述二维拓扑绝缘体材料层的厚度为1～10nm。

6.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述探测器还包括衬底层，所述衬底层设置于所述超晶格材料层的下方并用于支撑所述超晶格材料层。

7.根据权利要求6所述的探测器，其特征在于，所述衬底层的材质为锑化镓。

8.根据权利要求7所述的探测器，其特征在于，所述第一金属电极和所述第二金属电极均为矩形环状结构；

定义所述超晶格材料层在所述衬底层上的正投影区域为第一区域；所述第一金属电极设置于所述二维拓扑绝缘体材料层上；所述第二金属电极设置于所述衬底层上，并位于所述第一区域外，且所述第二金属电极围设于所述超晶格材料层的四周。

9.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述第一金属电极和所述第二金属电极均设置于所述二维拓扑绝缘体材料层上；

所述第一金属电极和所述第二金属电极均为矩形结构；和/或，所述第一金属电极和所述第二金属电极共同形成叉指电极结构。

10.根据权利要求8或9所述的探测器，其特征在于，所述第一金属电极包括第一基层和位于所述第一基层上的第一金属层，所述第二金属电极包括第二基层和位于所述第二基层上的第二金属层；

所述第一基层和所述第二基层的材质均为钛，所述第一基层和所述第二基层的厚度各自独立地为10～100nm；

所述第一金属层和所述第二金属层的材质均为金，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度各自独立地≥50nm。

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