【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光電探測器領(lǐng)域，具體涉及一種偏壓可調(diào)的光電探測器及制備方法與應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、21世紀(jì)初，iii族氮化物材料得到較大發(fā)展。其中的鋁鎵氮(algan)是一種直接帶隙的三元化合物半導(dǎo)體，其帶隙可通過改變al元素的摻入量從3.4ev(gan)到6.2ev(aln)連續(xù)可調(diào)，可覆蓋200-365nm的波長范圍，且具有高電子遷移率(～2000cm2?v-1s-1)、高擊穿電場(～3mv/cm)、耐高溫、抗輻照等優(yōu)點，成為理想的紫外探測材料。然而，目前成熟的紅外探測材料如碲鎘汞(hgcdte)、碲化銦(insb)、砷化鎵(gaas)等，由于晶格匹配的問題，無法與gan外延生長在同一襯底上，因此無法實現(xiàn)單片集成的紫外-紅外寬光譜探測器。再者由于紫外探測材料和紅外探測材料的帶隙相差較大，難以形成較好的能帶匹配。界面勢壘嚴(yán)重阻礙了窄帶隙材料中光生載流子的收集，導(dǎo)致紅外響應(yīng)及其微弱。這些問題嚴(yán)重阻礙了紫外-紅外寬光譜探測器的應(yīng)用與發(fā)展。
2、再者，目前的商用光電探測器通常具有固定的光譜響應(yīng)范圍，其對探測目標(biāo)識別的準(zhǔn)確性很容易受到環(huán)境的干擾，尤其是在背景復(fù)雜，干擾多的現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)場中。因此，迫切需要發(fā)展光譜響應(yīng)范圍可調(diào)的光電探測器。近年來，隨著低維材料的興起和納米技術(shù)的進步，偏壓可調(diào)光電探測器取得了許多突出的研究進展(acs?photonics，2021，doi：10.1021/acsphotonics.1c00617；acs?nano，2023，doi：10.1021/acsnano.3c02617；n
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了解決光電探測器目前遇到的上述問題，本專利技術(shù)提出了一種基于偏壓可調(diào)的光電探測方法。該方法是基于沉積生長的p型寬禁帶半導(dǎo)體薄膜和沉積的p型窄禁帶半導(dǎo)體薄膜制作的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，利用外加偏壓來調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面勢壘高度和載流子輸運方向以實現(xiàn)紫外-紅外寬光譜探測，具備高靈敏性、低功耗性，解決了當(dāng)前無法實現(xiàn)單片集成的紫外-紅外寬光譜探測，紫外、紅外響應(yīng)度差、光電探測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備工藝繁瑣，制造成本高昂的技術(shù)問題。
2、根據(jù)本專利技術(shù)第一方面，提供一種偏壓可調(diào)的光電探測器，所述的探測器自下而上依次為：襯底、緩沖層、p型寬禁帶半導(dǎo)體層、p型窄禁帶半導(dǎo)體層，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層部分覆蓋p型寬禁帶半導(dǎo)體層，所述探測器還包括第一金屬電極和第二金屬電極，其中，所述第一金屬電極設(shè)置在所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層上，所述第二金屬電極設(shè)置在所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層上，所述第一金屬電極與所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層不接觸，所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層的禁帶寬度為3.1～5ev，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層的禁帶寬度為0.3～1.2ev。
3、優(yōu)選地，所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層的材料選自p型摻雜的gan、p型摻雜的algan、p型摻雜的zno。
4、優(yōu)選地，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層的材料選自texse1-x、mote2，其中，texse1-x中x的取值范圍為0.2-0.8。
5、優(yōu)選地，所述緩沖層材料為aln，厚度500～1000nm；所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層的厚度為200～700nm；所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層的厚度為100～400nm。
6、優(yōu)選地，所述襯底為藍寶石襯底；所述第一金屬電極為鎳金合金電極，所述第二金屬電極為金電極；所述第一金屬電極與所述第二金屬電極的厚度范圍為50～100nm。
7、根據(jù)本專利技術(shù)另一方面，提供一種所述的偏壓可調(diào)的光電探測器的制備方法，包括以下步驟：
8、(1)在襯底上外延生長緩沖層；
9、(2)在所述緩沖層上外延生長p型寬禁帶半導(dǎo)體層；
10、(3)采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)，將所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層進行刻蝕；
11、(4)利用低溫?zé)嵴舭l(fā)技術(shù)，控制低溫?zé)嵴舭l(fā)溫度為350～400℃，在p型寬禁帶半導(dǎo)體層表面沉積一層p型窄禁帶半導(dǎo)體層；
12、(5)利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在p型寬禁帶半導(dǎo)體層表面沉積第一金屬電極，在p型窄禁帶半導(dǎo)體層的表面沉積第二金屬電極。
13、優(yōu)選地，在襯底上外延生長緩沖層，在緩沖層上外延生長p型寬禁帶半導(dǎo)體層所采用的技術(shù)選自金屬有機物化學(xué)氣相沉積技術(shù)、分子束外延技術(shù)、氫化物氣相外延技術(shù)。
14、根據(jù)本專利技術(shù)另一方面，提供一種所述的探測器用于光電探測的方法，所述探測器能夠?qū)崿F(xiàn)：
15、i)對紫外光的探測；
16、和/或者ii)對紫外和紅外寬光譜的探測；
17、其中，對紫外光的探測的具體步驟為：測定輻射光源的波長，當(dāng)輻射光源的波長為200～365nm時，將光源輻照在探測器上，此時光子的能量大于p型寬禁帶半導(dǎo)體層的禁帶寬度，不給探測器施加偏壓或者給所述探測器施加正偏壓，產(chǎn)生的光生載流子在內(nèi)建電場或者外加正偏壓的作用下分離形成光電流，以實現(xiàn)對紫外光強度的探測；
18、對紫外和紅外寬光譜的探測的具體步驟為：測定輻射光源的波長，當(dāng)輻射光源的波長為200～1800nm時，將光源輻照在探測器上，此時光子的能量大于p型窄禁帶半導(dǎo)體層的禁帶寬度且小于p型寬禁帶半導(dǎo)體層的禁帶寬度，給所述探測器施加負偏壓，光生電子和空穴在負偏壓的作用下分離形成光電流，從而實現(xiàn)對紫外和紅外寬光譜強度的探測。
19、優(yōu)選地，所述正偏壓的電壓在5v以下；所述負偏壓的電壓為-5～-1v。
20、總體而言，通過本專利技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：
21、(1)本專利技術(shù)利用p型寬禁帶半導(dǎo)體和p型窄禁帶半導(dǎo)體界面之間形成的空穴勢壘對p型窄禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)生的光生空穴的阻擋作用，并進一步通過改變外加偏壓的極性來控制光生載流子的輸運方向，實現(xiàn)了偏壓可調(diào)的紫外-紅外寬光譜探測。當(dāng)施加零偏壓時，紫外光照產(chǎn)生的光生電子空穴對可被電極順利收集，而可見和紅外光照產(chǎn)生的光生空穴被價帶勢壘所阻擋，此時器件處于紫外光探測模式；當(dāng)施加負偏壓時，界面勢壘降低使得低能量光子產(chǎn)生的電子能夠克服勢壘高度被電極收集，產(chǎn)生光生電流，此時器件處于紫外-紅外寬光譜探測模式。
22、(2)本專利技術(shù)通過能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計僅利用單個異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)了響應(yīng)波段偏壓可調(diào)的功能，而傳統(tǒng)的雙異質(zhì)結(jié)型偏壓可調(diào)光電探測器通常由三種不同半導(dǎo)體材料組成的兩個異質(zhì)結(jié)構(gòu)成，因此本專利技術(shù)的器件具有結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝簡便，成本低的本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種偏壓可調(diào)的光電探測器，其特征在于，所述的探測器自下而上依次為：襯底(1)、緩沖層(2)、p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)、p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)部分覆蓋p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)，所述探測器還包括第一金屬電極(5)和第二金屬電極(6)，其中，所述第一金屬電極(5)設(shè)置在所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)上，所述第二金屬電極(6)設(shè)置在所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)上，所述第一金屬電極(5)與所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)不接觸，所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)的禁帶寬度為3.1～5eV，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)的禁帶寬度為0.3～1.2eV。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏壓可調(diào)的光電探測器，其特征在于，所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)的材料選自p型摻雜的GaN、p型摻雜的A1GaN、p型摻雜的ZnO。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種偏壓可調(diào)的光電探測器，其特征在于，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)的材料選自TexSe1-x、MoTe2，TexSe1-x中x的取值范圍為0.2～0.8。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種偏壓可調(diào)的光電探測器
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種偏壓可調(diào)的光電探測器，其特征在于，所述襯底(1)為藍寶石襯底；所述第一金屬電極(5)為鎳金合金電極；所述第二金屬電極(6)為金電極；所述第一金屬電極(5)與所述第二金屬電極(6)的厚度范圍為50～100nm。
6.一種如權(quán)利要求1-5任意一項所述的偏壓可調(diào)的光電探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.一種如權(quán)利要求6所述的偏壓可調(diào)的光電探測器的制備方法，在襯底上外延生長緩沖層、在緩沖層上外延生長p型寬禁帶半導(dǎo)體層所采用的技術(shù)均選自化學(xué)氣相沉積技術(shù)、分子束外延技術(shù)、氫化物氣相外延技術(shù)。
8.一種如權(quán)利要求1-5任意一項所述的探測器用于光電探測的方法，其特征在于，所述探測器能夠?qū)崿F(xiàn)：
9.一種如權(quán)利要求8所述的探測器用于光電探測的方法，其特征在于，所述正偏壓的電壓在5V以下；所述負偏壓的電壓為-5～-1V。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種偏壓可調(diào)的光電探測器，其特征在于，所述的探測器自下而上依次為：襯底(1)、緩沖層(2)、p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)、p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)部分覆蓋p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)，所述探測器還包括第一金屬電極(5)和第二金屬電極(6)，其中，所述第一金屬電極(5)設(shè)置在所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)上，所述第二金屬電極(6)設(shè)置在所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)上，所述第一金屬電極(5)與所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)不接觸，所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)的禁帶寬度為3.1～5ev，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)的禁帶寬度為0.3～1.2ev。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏壓可調(diào)的光電探測器，其特征在于，所述p型寬禁帶半導(dǎo)體層(3)的材料選自p型摻雜的gan、p型摻雜的a1gan、p型摻雜的zno。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種偏壓可調(diào)的光電探測器，其特征在于，所述p型窄禁帶半導(dǎo)體層(4)的材料選自texse1-x、mote2，texse1-x中x的取值范圍為0.2～0.8。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種偏壓可調(diào)的光電探測器...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳峰，劉偉杰，彭孟，陳茂華，余羿葉，陳長清，戴江南，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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