一种双面多波段光电探测器及其制备方法

本发明涉及半导体中光电探测器，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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：

14、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；

15、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；

16、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；

17、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。

18、优选地，所述硅半导体绝缘层3为sio2或si3n4材料构件。

19、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。

20、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。

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。

25、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。

26、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。

27、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。

28、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。

29、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。

30、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。

31、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。

32、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。

33、进一步地，所述硅半导体绝缘层为sio2或si3n4材料构件。

34、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。

35、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

36、(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。

37、(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。