一种雪崩红外探测器及其制备方法

本发明属于红外探测器，具体涉及一种雪崩红外探测器及其制备方法。

背景技术：

1、当光生热电子的过剩能量高于材料带隙，且电子间库仑相互作用足够强时，这些热电子能够与价带中的电子相互作用实现能量交换，从而激发额外的电子进入导带，这一过程称为载流子的倍增。显然，载流子的倍增效应实现了热载流子过剩能量的转化和利用，降低了弛豫机制造成的能量损失，从而有效的提升了光增益，因此能够突破光电转换效率的shockley-queisser极限。

2、基于热载流子倍增效应的典型器件为雪崩光电探测器。通过在高反向偏压条件下热载流子发生持续的碰撞电离来实现光生电子和空穴几何级数的倍增，从而产生极大的光增益以实现高灵敏探测。理论上，实现热载流子雪崩倍增所需的阈值能量约等于材料带隙(eg)，即载流子从导带跃迁到价带所需的最小能量。然而，在现有的薄膜雪崩光电探测器中，载流子的倍增效率低，且通常具有高雪崩阈值能量(超过材料带隙的22倍)，从而导致了低光电转换效率。如si和ingaas雪崩光电探测器的阈值电压分别超过120和40v。究其原因，薄膜材料中，严格的动量守恒定律限制了载流子间通过库仑相互作用重新分布能量(即热化过程)，此外强电声子耦合作用使得热载流子弛豫损耗机制增强。因此，雪崩光电探测器需要更高的工作电压使得载流子获得足够的动能触发雪崩倍增过程，这使得过剩噪声被显著放大。此外，薄膜pn结雪崩光电探测器存在晶格失配以及掺杂引入的缺陷和杂质扩散等技术难题，导致了srh产生复合电流、扩散电流和缺陷辅助隧穿电流等主要的暗电流成分显著增加，极大地限制了器件的信噪比和探测灵敏度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种雪崩红外探测器及其制备方法，本发明提供的雪崩红外探测器具有高灵敏、低雪崩阈值及高增益、高光电转换效率的特性。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种雪崩红外探测器，由下到上包括依次层叠设置的衬底、保护层和同质结层；

4、所述同质结层的材料为二维范德华材料；

5、所述同质结层包括薄层区域和厚层区域；

6、所述薄层区域上设置有源电极；所述厚层区域上设置有漏电极。

7、优选的，所述二维范德华材料包括wse2、mos2和mote2中的一种或几种。

8、优选的，所述薄层区域的厚度为2.1～5.6nm；

9、所述厚层区域的厚度大于14nm。

10、优选的，所述衬底为硅层/二氧化硅层复合衬底。

11、优选的，所述硅层的材料为硼掺杂p型硅；所述硅层的厚度为500～525μm；

12、所述二氧化硅层的厚度为285～300nm。

13、优选的，所述保护层的材料为三氧化二铝和/或二氧化铪。

14、优选的，所述保护层的厚度为10～15nm。

15、优选的，所述源电极和漏电极独立的包括由下到上层叠设置的铂层和金层；

16、所述铂层的厚度为15～35nm；

17、所述金层的厚度为70～100nm。

18、本发明还提供了上述技术方案所述的雪崩红外探测器的制备方法，包括以下步骤：

19、在衬底的表面依次制备保护层和同质结层；

20、在所述同质结层的薄层区域制备源电极，在所述同质结层的厚层区域制备漏电极，得到所述雪崩红外探测器。

21、优选的，所述同质结层的制备包括转移法和刻蚀法；

22、所述转移法包括：采用机械剥离法制备同质结层，通过聚二甲基硅氧烷辅助的物理转移方法将所述同质结层转移至所述保护层的表面；

23、所述刻蚀法包括：采用机械剥离法制备厚度均一的二维范德华材料层，通过聚二甲基硅氧烷辅助的物理转移方法将所述厚度均一的二维范德华材料层转移至所述保护层的表面；采用原子层刻蚀法对所述厚度均一的二维范德华材料层进行减薄得到所述同质结层。

24、本发明提供了一种雪崩红外探测器，由下到上包括依次层叠设置的衬底、保护层和同质结层；所述同质结层的材料为二维范德华材料；所述同质结层包括薄层区域和厚层区域；所述薄层区域上设置有源电极；所述厚层区域上设置有漏电极。在本发明中，利用二维范德华材料原子层层数依赖的能带结构，通过构建同质结构，解决了传统异质结雪崩光电探测器晶格失配、缺陷等问题，能够抑制探测器产生复合电流、隧穿电流等主要的暗电流成分。利用突变同质结界面“尖峰”电场增强载流子间的库仑相互作用，抑制热载流子-声子耦合作用，减少弛豫过程造成的能量损耗。本发明提供的雪崩红外探测器在室温工作条件下能够实现高速响应、高灵敏度、低雪崩阈值及高增益等优点，拓展雪崩红外探测器的应用空间。

技术特征：

1.一种雪崩红外探测器，其特征在于，由下到上包括依次层叠设置的衬底、保护层和同质结层；

2.根据权利要求1所述的雪崩红外探测器，其特征在于，所述二维范德华材料包括wse2、mos2和mote2中的一种或几种。

3.根据权利要求1或2所述的雪崩红外探测器，其特征在于，所述薄层区域的厚度为2.1～5.6nm；

4.根据权利要求1所述的雪崩红外探测器，其特征在于，所述衬底为硅层/二氧化硅层复合衬底。

5.根据权利要求4所述的雪崩红外探测器，其特征在于，所述硅层的材料为硼掺杂p型硅；所述硅层的厚度为500～525μm；

6.根据权利要求1所述的雪崩红外探测器，其特征在于，所述保护层的材料为三氧化二铝和/或二氧化铪。

7.根据权利要求1或6所述的雪崩红外探测器，其特征在于，所述保护层的厚度为10～15nm。

8.根据权利要求1所述的雪崩红外探测器，其特征在于，所述源电极和漏电极独立的包括由下到上层叠设置的铂层和金层；

9.权利要求1～8任一项所述的雪崩红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述同质结层的制备包括转移法和刻蚀法；

技术总结
本发明属于红外探测器技术领域，具体涉及一种雪崩红外探测器及其制备方法。在本发明中，利用二维范德华材料原子层层数依赖的能带结构，通过构建同质结构，解决了传统异质结雪崩光电探测器晶格失配、缺陷等问题，能够抑制探测器产生复合电流、隧穿电流等主要的暗电流成分。利用突变同质结界面“尖峰”电场增强载流子间的库仑相互作用，抑制热载流子‑声子耦合作用，减少弛豫过程造成的能量损耗。本发明提供的雪崩红外探测器在室温工作条件下能够实现高速响应、高灵敏度、低雪崩阈值及高增益等优点，拓展雪崩红外探测器的应用空间。

技术研发人员：胡伟达,王海露,黄辰宇,夏辉,陆卫
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24