一种光电探测器及其制备方法

1.本发明涉及一种光电探测器及其制备方法，属于光电器件技术领域。


背景技术：

2.光电探测器是一种光电转换元件，常见有紫外探测器、可见光探测器和红外探测器；在民用领域主要应用在质量检测、交通运输、安全报警、医疗保健、农作物评估、病虫害防治等方面。军事领域主要应用在夜视、制导、侦察、雷达、通信、隐身等方面；最早的可见光和红外的光辐射探测器是热探测器，热电偶在1826年就发明出来，1947年发明了气动探测器；随后光子探测器得到广泛发展和应用，但主要性能已接近理论极限；现在光电探测器的发展主要集中在红外探测器，红外探测器的发展主要以hg、cd、te为代表的焦平面阵列第三代红外探测器，由于地壳中的hg、cd、te元素含量少，导致目前的红外探测器生产成本高，同时，hg、cd、te元素为重金属元素，在红外探测器使用完后，hg、cd、te会对环境造成污染，并且其从开采到加工完成的整个工艺流程中，三者会对环境造成较大污染。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种光电探测器。
4.本发明还提供了一种光电探测器的制备方法
5.本发明通过以下技术方案得以实现。
6.本发明提供的一种光电探测器，包括：背阴电极层、p-si层，p-si层位于背阴电极层的上表面；
7.n-mg2si层，n-mg2si层位于p-si层的上表面；
8.阳极层，阳极层位于n-mg2si层的上表面。
9.所述阳极层为al阳极层、au阳极层、ti阳极层、ni阳极层、cr阳极层中的一种。
10.所述p-si层全覆盖于背阴电极层的上表面；n-mg2si层全覆盖于p-si层的上表面；阳极层覆盖于n-mg2si层的上表面20％
±
2％。
11.所述阳极层位于n-mg2si层的左端或右端或居中任一位置的上表面。
12.所述背阴电极层为ag背阴电极层、in背阴电极层中的一种。
13.所述背阴电极层厚度为100nm、阳极层厚度为100nm。
14.本发明的一种光电探测器的制备方法，包括步骤如下：
15.步骤一：清洗p-si作为衬底并烘干；
16.步骤二：在p-si衬底的整个上表面真空蒸镀一层mg膜；
17.步骤三：对步骤二获得的产品进行退火处理，得到n-mg2si层/p-si层异质结，作为光电探测器的芯片结构；
18.步骤四：在p-si衬底下面蒸镀一层ag膜，作为背阴极层1；
19.步骤五：在n-mg2si层上表面左端蒸镀一层al膜，形成阳极层，作为阳极。
20.所述步骤一的清洗p-si衬底，是将p-si衬底依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中分
别超声波清洗30min，在烘烤机机中烘干后送入真空镀膜机中的样品架上对衬底表面进行辉光放电清洗，使得p-si衬底表面达到蒸镀附着的条件。
21.所述步骤二的mg膜蒸镀，蒸镀室内的背底气压为1.0x10-3
pa，蒸发电流为90a，蒸发时间为16min，衬底温度为常温。
22.所述步骤三的退火处理，退火炉背底气压为8.0x10-4
pa，退火炉气压维持在10-1
～10-2
pa，退火温度为400℃，退火时间为4h。
23.所述步骤四和步骤五的镀膜电极，镀膜蒸发时背底气压为1.0x10-3
pa，蒸发电流为60～90a，蒸发时间为5min。
24.所述步骤五的阳极层，位置位于n-mg2si层薄膜上表面左端，电极覆盖面积为n-mg2si层的20％
±
2％，n-mg2si层薄膜上表面非电极部分热蒸发蒸镀时用掩膜版遮盖处理。
25.本发明的有益效果在于：利用mg2si/si异质结的光电特性制备的异质结光电探测器，与传统光电器件材料使用hg、cd、te相比mg2si、si无毒无害，使用后对环境不会造成污染，解决了使用hg、cd、te会对环境造成污染的问题，降低了开采对环境造成的污染；同时，由于si和mg地壳含量大，容易加工获得，降低了红外探测器的生产成本；1.2～1.8um红外线波段适用于做近红外探测器；mg2si在不同衬底上外延生长，与硅工艺兼容。因此mg2si/si在光电探测器领域有着广泛的应用前景，本技术的光电探测器具有很好的实用价值。
附图说明
26.图1是本发明的芯片结构示意图；
27.图2是本发明中n-mg2si层/p-si层的x射线衍射表征结果示意图；
28.图3是本发明中异质结光电探测器的光谱响应曲线示意图；
29.图4是本发明中异质结光电探测器的量子效率曲线示意图；
30.图5是本发明中异质结光电探测器的响应度曲线示意图；
31.图中：1-背阴电极层；2-p-si层；3-n-mg2si层；4-阳极层。
具体实施方式
32.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
33.参见图1所示。
34.本发明的一种光电探测器，包括：背阴电极层1、p-si层2，p-si层2位于背阴电极层1的上表面；
35.n-mg2si层3，n-mg2si层3位于p-si层2的上表面；
36.阳极层4，阳极层4位于n-mg2si层3的上表面。
37.所述阳极层4为al阳极层，阳极层4采用的材质也可以是au、ti、ni、cr等材料，但au、ti、ni势垒差太大，采用al材与n-mg2si接触，使得阳极层4的al与n-mg2si层3的si处于的势垒差变小，避免阳极层4与n-mg2si层3形成过大的势能差，同时al材成本低；cr与al功函数差不多，这里选择al，主要是出于成本考虑。
38.所述p-si层2全覆盖于背阴电极层1的上表面；n-mg2si层3全覆盖于p-si层2的上表面；阳极层4覆盖于n-mg2si层3的上表面20％
±
2％。
39.所述阳极层4位于n-mg2si层3的左端或右端或居中任一位置的上表面。
40.所述背阴电极层1为ag背阴电极层，背阴电极层材质也可以为in等金属导电材料，但是ag具有很好的导电性，其本身功函数低，容易形成欧姆接触。
41.本发明的一种光电探测器的制备方法，包括步骤如下：
42.步骤一：清洗p-si作为衬底并烘干；
43.步骤二：在p-si衬底上的整个上表面真空蒸镀一层mg膜；
44.步骤三：对步骤二获得的产品进行退火处理，得到n-mg2si层3/p-si层2异质结，作为光电探测器的芯片结构；
45.步骤四：在p-si衬底下面蒸镀一层ag膜，作为背阴极层1；
46.步骤五：在n-mg2si层3上表面左端蒸镀一层al膜，形成阳极层4，作为阳极。
47.所述步骤一的清洗p-si衬底，是将p-si衬底依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声波清洗30min，在烘烤机中烘干后送入真空镀膜机中的样品架上对衬底表面进行辉光放电清洗，使得p-si衬底表面达到蒸镀附着的条件。
48.所述步骤二的mg膜蒸镀，蒸镀室内的背底气压为1.0x10-3
pa，蒸发电流为90a，蒸发时间为16min，衬底温度为常温。
49.所述步骤三的退火处理，退火炉背底气压为8.0x10-4
pa，退火炉气压维持在10-1
～10-2
pa，退火温度为400℃，退火时间为4h。
50.所述步骤四和步骤五的镀膜电极，镀膜蒸发时背底气压为1.0x10-3
pa，蒸发电流为60～90a，蒸发时间为5min。
51.所述步骤五的阳极层4，位置位于n-mg2si层3薄膜上表面左端，电极覆盖面积为n-mg2si层3的20％
±
2％，n-mg2si层3薄膜上表面非电极部分热蒸发蒸镀时用掩膜版遮盖处理。
52.附图2是所示为实施本发明提出的n-mg2si层3/p-si层2薄膜样品在400℃退火4h的x射线衍射普表征结果。pdf no#35-0773是mg2si国际粉末晶体衍射标准卡片。附图2中mg2si(111)、mg2si(200)、mg2si(220)、mg2si(311)、mg2si(400)、mg2si(422)的位置与mg2si标准卡片所对应的位置一致。从附图2中可以看出，所有的衍射峰中，除了si(111)衍射峰外，其他衍射峰均为mg2si的衍射峰，没有残余的mg峰，同时mg2si(220)峰最强，说明mg2si薄膜结晶较好，退火时反应已完全进行。
53.附图3是所示为实施本发明提出的n-mg2si层3/p-si层2异质结光电探测器的光谱响应表征结果。附图3中可以看出随着入射光波长增大时，异质结光电探测器的电流先增大后减小，在入射光为620nm时，异质结光电探测器对光吸收最好，表现出较好的近红外吸收特性。
54.附图4是所示为实施本发明提出的n-mg2si层3/p-si层2异质结光电探测器的量子效率表征结果。附图4中可以看出随着入射光波长增大时，异质结光电探测器的量子效率先增大后减小，在入射光为620nm时，异质结光电探测器最大量子效率约为52％。
55.附图5是所示为实施本发明提出的n-mg2si层3/p-si层2异质结光电探测器的响应度表征结果。附图5中可以看出随着入射光波长增大时，异质结光电探测器的响应度先增大后减小，在入射光为685nm时，异质结光电探测器最大响应度为0.27a/w。
56.本技术获得的n-mg2si层3/p-si层2，是利用一种新型mg2si/si异质结的光电特性制备的异质结光电探测器，与传统光电器件材料使用hg、cd、te相比mg2si、si无毒无害，使
用后对环境不会造成污染，解决了使用hg、cd、te会对环境造成污染的问题，降低了开采对环境造成的污染；同时，由于si和mg地壳含量大，容易加工获得，降低了红外探测器的生产成本；1.2～1.8um红外线波段适用于做近红外探测器；mg2si在不同衬底上外延生长，与硅工艺兼容。因此mg2si/si在光电探测器领域有着广泛的应用前景，本技术的光电探测器具有很好的实用价值。