一种光电探测器、制备方法及光电探测装置与流程

本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种光电探测器、制备方法及光电探测装置。

背景技术：

金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal，msm)型光电探测器利用金属与半导体界面间的肖特基势垒形成类似pn结的载流子耗尽区。半导体内由入射光产生的光生载流子在外加电场的作用下反向肖特基结耗尽区内发生漂移运动，迅速被光电探测器两端的电极收集。由于msm结构光探测器具有结构简单、寄生电容小、响应速度快、制作工艺成本低等特点被广泛应用于各类光子和粒子探测器中。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种光电探测器、制备方法及光电探测装置，用以降低暗电流。

本发明实施例提供了一种光电探测器，包括：

基板，具有至少一个探测单元；

电极层，位于所述基板一侧，且所述电极层包括：位于所述探测单元中的相互绝缘且间隔设置的第一电极和第二电极；

第一绝缘层，位于所述电极层背离所述基板一侧，且所述第一绝缘层在所述基板的正投影与所述第一电极和所述第二电极在所述基板的正投影之间的间隙具有交叠区域；

光感有源层，位于所述第一绝缘层背离所述基板一侧。

可选地，在本发明实施例中，所述第一绝缘层在所述基板的正投影与所述第一电极和所述第二电极在所述基板的正投影之间的间隙重叠。

可选地，在本发明实施例中，所述第一绝缘层在所述基板的正投影覆盖所述基板的表面。

可选地，在本发明实施例中，所述光电探测器还包括：

平坦化层，位于所述电极层与所述基板之间；

晶体管阵列层，位于所述平坦化层与所述基板之间，且所述晶体管阵列层包括位于所述探测单元中的开关晶体管以及与所述开关晶体管的源极电连接的检测线，且所述开关晶体管的漏极与所述第一电极电连接。

可选地，在本发明实施例中，所述光电探测器还包括：

遮光层，位于所述平坦化层与所述晶体管阵列层之间，且所述遮光层包括位于所述探测单元中的遮光部；

第二绝缘层，位于所述遮光层与所述晶体管阵列层之间；

同一所述探测单元中，所述遮光部在所述基板的正投影覆盖所述开关晶体管的有源层在所述基板的正投影。

可选地，在本发明实施例中，同一所述探测单元中，所述遮光部通过贯穿所述第二绝缘层的第一过孔与所述开关晶体管的漏极电连接，所述第一电极通过贯穿所述平坦化层的第二过孔与所述遮光部电连接。

本发明实施例还提供了一种上述光电探测器的制备方法，包括：

在所述基板上形成电极层；其中，所述电极层包括：位于所述探测单元中的相互绝缘且间隔设置的第一电极和第二电极；

在形成有所述电极层的基板上形成所述第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层在所述基板的正投影与所述第一电极和所述第二电极在所述基板的正投影之间的间隙具有交叠区域；

在形成有所述第一绝缘层的基板上形成所述光感有源层。

可选地，在本发明实施例中，所述形成所述第一绝缘层，具体包括：

在形成有所述电极层的基板上依次形成覆盖所述基板的第一绝缘薄膜层和第一光刻胶薄膜层；

采用与形成所述第一电极和所述第二电极相同的掩膜板，对所述第一光刻胶薄膜层进行曝光；

对曝光后的第一光刻胶薄膜层进行显影，形成第一光刻胶层；其中，所述第一光刻胶层在所述基板的正投影与所述第一电极和所述第二电极在所述基板的正投影之间的间隙重叠；

采用干法刻蚀工艺对所述第一绝缘薄膜层进行刻蚀处理，形成所述第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层在所述基板的正投影与所述第一电极和所述第二电极在所述基板的正投影之间的间隙重叠。

可选地，在本发明实施例中，所述形成所述第一绝缘层，具体包括：

在形成有所述电极层的基板上形成覆盖所述基板的第一绝缘层。

本发明实施例还提供了一种光电探测装置，包括上述光电探测器。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的光电探测器、制备方法及光电探测装置，通过设置第一绝缘层300，并使第一绝缘层300在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙具有交叠区域，这样可以使第一电极210和第二电极220形成的电场主要分布在光感有源层400中，降低电子泄漏的通道，能驱动更多光生载流子被第二电极220收集。进而当光电探测器进行光探测产生光电流时，可以使光电流与暗电流的对比度提高，以及使灵敏度提高。

附图说明

图1为本发明实施例中的光电探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例中的光电探测器的一些具体结构示意图；

图3为图2所示的光电探测器沿aa’方向上的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例中的光电探测器的一些具体结构示意图；

图5为图4所示的光电探测器沿aa’方向上的剖视结构示意图；

图6为图4所示的光电探测器沿aa’方向上的另一些剖视结构示意图；

图7a为本发明实施例中的一些曲线示意图；

图7b为本发明实施例中的另一些曲线示意图；

图8为本发明实施例中的又一些曲线示意图；

图9为本发明实施例中的又一些曲线示意图；

图10为本发明实施例中的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

一般，在msm结构的光电探测器中，在外加偏置电压的作用下会产生水平电场，从而形成电子泄漏的通道，直接导致暗态时水平横向暗电流增大，从而导致光电流与暗电流的对比降低，进而导致灵敏度降低。

本发明实施例提供了一种光电探测器，如图1至图6所示，可以包括：具有至少一个探测单元110的基板100，位于基板100一侧的电极层200，位于电极层200背离基板100一侧的第一绝缘层300，位于第一绝缘层300背离基板100一侧的光感有源层400。其中，电极层200可以包括：位于探测单元110中的相互绝缘且间隔设置的第一电极210和第二电极220；且第一绝缘层300在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙具有交叠区域。

本发明实施例提供的上述光电探测器，通过设置第一绝缘层300，并使第一绝缘层300在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙具有交叠区域，这样可以使第一电极210和第二电极220形成的电场主要分布在光感有源层400中，降低电子泄漏的通道，能驱动更多光生载流子被第二电极220收集。进而当光电探测器进行光探测产生光电流时，可以使光电流与暗电流的对比度提高，以及使灵敏度提高。

并且，通过在第一电极和第二电极之间增加第一绝缘层的方式，可以抑制侧向漏电流，引导电场分布是从第二电极穿过光感有源层到达第一电极，可以有效降低暗电流，而不减小光电流收集效率，从而达到提升光暗比的目的。

在具体实施时，在本发明实施例中，第一绝缘层300可以设置为无机材料或有机材料。当然，在实际应用中，为了实现第一电极210和第二电极220之间的绝缘效果，可以根据实际需求设计第一绝缘层300的具体材料，在此不作限定。

在具体实施时，在本发明实施例中，如图6所示，光l从光感有源层400背离基板100一侧照射到光感有源层400上。一般入射光进入到光感有源层400中产生光生载流子，随着光在光感有源层400中不断的向深处传播，光强变弱。现有中，为了使光感有源层400充分吸收光，需要将光感有源层400的膜层制作的较厚，这样可以使来自外部的光均被光感有源层400吸收。但是随着光感有源层400厚度的增加，导致光感有源层400中光生载流子浓度分布在垂直于光感有源层400的方向上的梯度变化明显，不利于光利用率。因此，为了降低光感有源层400的厚度，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电探测器中，第一电极210和第二电极220的材料可以为高反射性的不透明金属材料。

在具体实施时，在本发明实施例中，光感有源层400的材料可以为半导体材料。为了提高光感有源层400与光的直接接触面积，增加光感有源层400对光的吸收，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光电探测器中，如图2和图4所示，第一电极210与第二电极220组成交叉指形电极。

在具体实施时，在本发明实施例中，如图6所示，光电探测器还可以包括：位于电极层200与基板100之间的平坦化层500，位于平坦化层500与基板100之间的晶体管阵列层600。其中，晶体管阵列层600包括位于探测单元110中的开关晶体管610以及与开关晶体管610的源极电连接的检测线，且开关晶体管610的漏极与第一电极210电连接。

在具体实施时，在本发明实施例中，如图6所示，光电探测器还可以包括：位于平坦化层500与晶体管阵列层600之间的遮光层，位于遮光层与晶体管阵列层600之间的第二绝缘层800。其中，遮光层包括位于探测单元110中的遮光部710。并且，同一探测单元110中，遮光部710在基板100的正投影覆盖开关晶体管610的有源层在基板100的正投影。这样可以通过遮光部710遮光，避免入射的光照射到开关晶体管610的有源层上，进一步提高探测灵敏度。

在具体实施时，在本发明实施例中，如图6所示，同一探测单元110中，遮光部710通过贯穿第二绝缘层800的第一过孔与开关晶体管610的漏极电连接，第一电极210通过贯穿平坦化层500的第二过孔与遮光部710电连接。

示例性地，在具体实施时，在本发明实施例中，如图6所示，开关晶体管610可以包括有源层612，位于有源层612与基板100之间的栅极611，位于有源层612与栅极611之间的栅绝缘层620。分别与有源层电连接的源极613和漏极614，遮光部710通过贯穿第二绝缘层800的第一过孔811与开关晶体管610的漏极614电连接，第一电极210通过贯穿平坦化层500的第二过孔812与遮光部710电连接。当然，在实际应用中，开关晶体管610的结构还可以采用其他结构，在此不作限定。

在具体实施时，在本发明实施例中，如图2与图3所示，可以使第一绝缘层300在基板100的正投影覆盖基板100的表面。这样可以不用额外采用构图工艺即可形成第一绝缘层300，降低工艺制备难度，降低成本。

在具体实施时，在本发明实施例中，如图4至图6所示，第一绝缘层300在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙重叠。这样可以使第一电极210和第二电极220分别与感光有源层直接接触，进一步提高光生载流子的收集，进一步提高灵敏度。

以图6所示的光电探测器为例，进行了光电探测，并检测到了其对应的暗电流的伏安特性曲线，如图7a所示。其中，横坐标代表电压，纵坐标代表电流。s0代表未设置第一绝缘层300的光电探测器对应的暗电流随电压的变化曲线，s1代表设置有第一绝缘层300的光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)对应的暗电流随电压的变化曲线。通过图7a可知，通过增加第一绝缘层300可以减少暗电流。这是由于第一绝缘层300可以降低第一电极210和第二电极220之间的游离键(danglingbond)，从而可以降低暗电流。

并且，以图6所示的光电探测器为例，进行了光电探测，并检测到了其对应的光电流随时间的变化曲线，如图7b所示。其中，横坐标代表时间，纵坐标代表电流。s31代表未设置第一绝缘层300的光电探测器在小光照下对应的光电流随时间的变化曲线，s32代表未设置第一绝缘层300的光电探测器在大光照下对应的光电流随时间的变化曲线。s21代表设置有第一绝缘层300的光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)在小光照下对应的光电流随时间的变化曲线，s22代表设置有第一绝缘层300的光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)在大光照下对应的光电流随时间的变化曲线。通过图7a可知，通过增加第一绝缘层300可以减少暗电流，提高光电流。

并且，以图6所示的光电探测器为例，在第一绝缘层300的厚度分别为20nm、40nm、60nm、80nm、160nm时进行了光电探测，并检测到了其对应的暗电流的伏安特性曲线，如图8所示。其中，横坐标代表电压，纵坐标代表电流。图8中的曲线分别代表第一绝缘层300的厚度分别为20nm、40nm、60nm、80nm、160nm时，光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)对应的暗电流随电压的变化曲线。通过图8可知，第一绝缘层300的厚度不同时，对暗电流的大小影响较小。

以及，以图6所示的光电探测器为例，在第一绝缘层300的厚度分别为20nm、40nm、60nm、80nm、160nm时进行了光电探测，并检测到了其对应的光电流的伏安特性曲线，如图9所示。其中，横坐标代表电压，纵坐标代表电流。s11代表在第一绝缘层300的厚度为20nm时，光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)对应的光电流随电压的变化曲线。s12代表在第一绝缘层300的厚度为40nm时，光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)对应的光电流随电压的变化曲线。s13代表在第一绝缘层300的厚度为60nm时，光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)对应的光电流随电压的变化曲线。s14代表在第一绝缘层300的厚度为80nm时，光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)对应的光电流随电压的变化曲线。s15代表在第一绝缘层300的厚度为160nm时，光电探测器(即图6所示的光电探测器的结构)对应的光电流随电压的变化曲线。通过图9可知，第一绝缘层300的厚度不同时，对光电流的大小具有影响。因此可以根据实际应用环境来设计第一绝缘层300的厚度，在此不作限定。

需要说明的是，上述第一绝缘层300的厚度指的是在垂直于基板100所在平面上第一绝缘层300的厚度。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种光电探测器的制备方法，如图10所示，可以包括如下步骤：

s10、在基板100上形成电极层200；其中，电极层200包括：位于探测单元110中的相互绝缘且间隔设置的第一电极210和第二电极220；

s20、在形成有电极层200的基板100上形成第一绝缘层300；其中，第一绝缘层300在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙具有交叠区域；

s30、在形成有第一绝缘层300的基板100上形成光感有源层400。

在具体实施时，在本发明实施例中，步骤s20、形成第一绝缘层300，具体可以包括：在形成有电极层200的基板100上形成覆盖基板100的第一绝缘层300。示例性地，可以采用沉积工艺在形成有电极层200的基板100上形成覆盖基板100的第一绝缘层300。这样可以不用采用构图工艺即可形成第一绝缘层300，降低工艺制备难度，降低成本。

在具体实施时，在本发明实施例中，步骤s20、形成第一绝缘层300，具体可以包括：

在形成有电极层200的基板100上依次形成覆盖基板100的第一绝缘薄膜层和第一光刻胶薄膜层；

采用与形成第一电极210和第二电极220相同的掩膜板，对第一光刻胶薄膜层进行曝光；

对曝光后的第一光刻胶薄膜层进行显影，形成第一光刻胶层；其中，第一光刻胶层在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙重叠；

采用干法刻蚀工艺对第一绝缘薄膜层进行刻蚀处理，形成第一绝缘层300；其中，第一绝缘层300在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙重叠。

下面通过具体实施例对本发明实施例提供的制备方法进行说明。

本发明实施例提供的制备方法可以包括如下步骤：

(1)在基板100上依次形成晶体管阵列层600、第二绝缘层800、遮光层以及平坦化层500，如图6所示。

(2)在形成有平坦化层500的基板100上形成电极层200。其中，电极层200包括：位于探测单元110中的相互绝缘且间隔设置的第一电极210和第二电极220，如图6所示。

(3)在形成有电极层200的基板100上依次形成覆盖基板100的第一绝缘薄膜层和第一光刻胶薄膜层；

(4)采用与形成第一电极210和第二电极220相同的掩膜板，对第一光刻胶薄膜层进行曝光；

(5)对曝光后的第一光刻胶薄膜层进行显影，形成第一光刻胶层；其中，第一光刻胶层在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙重叠；

(6)采用干法刻蚀工艺对第一绝缘薄膜层进行刻蚀处理，形成第一绝缘层300；其中，第一绝缘层300在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙重叠，如图6所示。

(7)在形成有第一绝缘层300的基板100上形成光感有源层400，如图6所示。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种光电探测装置，包括上述光电探测器。该光电探测装置解决问题的原理与前述光电探测器相似，因此该光电探测装置的实施可以参见前述光电探测器的实施，重复之处在此不再赘述。

本发明实施例提供的光电探测器、制备方法及光电探测装置，通过设置第一绝缘层300，并使第一绝缘层300在基板100的正投影与第一电极210和第二电极220在基板100的正投影之间的间隙具有交叠区域，这样可以使第一电极210和第二电极220形成的电场主要分布在光感有源层400中，降低电子泄漏的通道，能驱动更多光生载流子被第二电极220收集。进而当光电探测器进行光探测产生光电流时，可以使光电流与暗电流的对比度提高，以及使灵敏度提高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。