CN109411562A - 二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了二硒化铂薄膜/n‑型锗异质结近红外光探测器及其制备方法，其是以n‑型锗基底为光电探测器的基区，在n‑型锗基底的下表面设置n‑型锗基底电极，上表面部分区域覆盖绝缘层；在绝缘层上覆盖二硒化铂接触电极，在二硒化铂接触电极上铺设二硒化铂薄膜，二硒化铂薄膜一部分与二硒化铂接触电极形成欧姆接触，剩余部分与n‑型锗基底表面未覆盖绝缘层的部分形成异质结。本发明的光电探测器工艺简单、成本低廉、响应度高、响应速度快。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着信息社会的不断发展，近红外光探测器在军事和国民经济的诸多领域都具有广泛的应用。例如，在军事领域，近红外光探测器在航空航天、夜视和大地测绘、航海、武器探测等方面都发挥着重要的作用；在国民经济领域，近红外光探测器在光纤通信、近红外成像、工业过程监控、检查维护和热流研发等方面也具有广阔的应用前景。
目前，商业化的近红外光探测器大多采用III-V族半导体化合物作为光敏感材料。经过较长时间的发展，基于该类材料的近红外光探测器已经取得了较为理想的光电响应性能。但是仍然存在一系列的问题严重制约了基于这类材料的近红外光探测器的进一步发展与广泛应用。例如，III-V族半导体化合物的生长需要使用价格昂贵的仪器设备，且需要与衬底严格晶格匹配，导致制备成本居高不下；此外，该类化合物还存在热学机械性能较差、难以制备成分均匀分布的化合物、无法与现有成熟的硅基CMOS工艺兼容等缺点。另一种理想的近红外光探测敏感材料是硅/锗异质结。虽然硅/锗异质结易于与硅基CMOS工艺兼容，但相比于III-V族半导体化合物，其对近红外光的吸收能力较弱，导致器件性能难以进一步提升；此外，基于硅/锗异质结的近红外光探测器的制备往往需要复杂繁琐的工艺，导致器件成本偏高。这些问题使得基于硅/锗异质结的近红外光探测器的发展和广泛应用充满了挑战。
发明内容
本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种器件工艺简单、成本低廉的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，以期可以有效地提高近红外光探测器的电流开关比、响应速度等性能，并降低器件制备成本和简化制备工艺。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，其特点在于：以n-型锗基底作为所述光电探测器的基区，在所述n-型锗基底的下表面设置n-型锗基底电极；在所述n-型锗基底的上表面覆盖绝缘层，所述绝缘层的面积为所述n-型锗基底面积的1/5到2/3，所述绝缘层的边界不超出所述n-型锗基底的边界；在所述绝缘层上覆盖二硒化铂接触电极，所述二硒化铂接触电极的边界不超出所述绝缘层的边界；在所述二硒化铂接触电极上铺设二硒化铂薄膜，所述二硒化铂薄膜一部分与二硒化铂接触电极接触，剩余部分与n-型锗基底上表面未覆盖绝缘层的部分接触，所述二硒化铂薄膜的边界不超出所述n-型锗基底的边界；所述二硒化铂薄膜与二硒化铂接触电极为欧姆接触，所述二硒化铂薄膜与n-型锗基底形成异质结。
本发明二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，其特点也在于：所述绝缘层以二氧化硅、氮化硅、氧化铝或者氧化铪为材料，所述绝缘层的厚度为30-300nm。
所述n-型锗基底电极为In-Ga合金电极或者Ag电极，所述n-型锗基底电极的厚度为50-500nm。
所述二硒化铂接触电极为Au电极、Pt电极或Pd电极，所述二硒化铂接触电极的厚度为30-300nm。
所述n型锗基底采用厚度为100-600μm、电阻率不大于0.004Ω/cm的n-型重掺杂锗片。
所述二硒化铂薄膜的厚度为10-30nm左右。
本发明二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器的制备方法，其特点征在于按如下步骤进行：
(1)将n-型重掺杂锗片放在质量浓度为5％-10％的氢氟酸溶液或者BOE刻蚀液中刻蚀5-10分钟，去除n-型重掺杂锗片表面的自然氧化层，取出后进行清洗并干燥，得到n-型锗基底；所述BOE刻蚀液为将20g NH4F和7ml质量浓度不低于40％的氢氟酸加入到30ml去离子水中形成的混合液；
(2)采用磁控溅射镀膜方法在n-型锗基底的上表面覆盖面积为所述n-型锗基底面积的1/5到2/3的绝缘层；
(3)采用电子束镀膜方法在绝缘层上覆盖二硒化铂接触电极，所述二硒化铂接触电极的边界不超出所述绝缘层的边界；
(4)在二硒化铂接触电极上铺设二硒化铂薄膜，所述二硒化铂薄膜一部分与二硒化铂接触电极接触，剩余部分与n-型锗基底上表面未覆盖绝缘层的部分接触接触，所述二硒化铂薄膜的边界不超出所述n-型锗基底的边界；
(5)采用涂抹或电子束镀膜方法在所述n-型锗基底的下表面设置n-型锗基底电极，即获得二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明中的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器可采用成本低廉且工艺简单的方法制备，避免了使用昂贵的仪器设备以及复杂繁琐的制备工艺，有效地降低了器件制备成本；
2、本发明中的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器充分结合了锗对近红外光的高吸收率以及二硒化铂薄膜高光吸收系数和高导电性等优点，可提升对入射近红外光的吸收效率以及光生载流子的收集效率；探测器对波长范围为900-1600nm的近红外光响应十分灵敏，且探测器的响应度高、响应速度快。
3、本发明中的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器在零电压下可正常工作，因此无需消耗外部能量，能有效降低功耗。
附图说明
图1为本发明二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器的结构示意图，图中标号：1为n-型锗基底电极；2为n-型锗基底；3为绝缘层；4为二硒化铂接触电极；5为二硒化铂薄膜。
图2为本发明实施例1中二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器分别在无光照和波长为1550nm、强度为24.3mW/cm2的光照下的电流-电压特性曲线；
图3为本发明实施例1中二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器在零工作电压下，波长为1550nm、强度为24.3mW/cm2的光照下的时间响应曲线；
图4为本发明实施例2中二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器分别在无光照和波长为1550nm、强度为24.3mW/cm2的光照下的电流-电压特性曲线；
图5为本发明实施例2中二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器在零工作电压下，波长为1550nm、强度为24.3mW/cm2的光照下的时间响应曲线；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例中二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器的结构为：以n-型锗基底2作为光电探测器的基区，在n-型锗基底2的下表面设置n-型锗基底电极1；在n-型锗基底2的上表面覆盖绝缘层3，绝缘层3的面积为n-型锗基底2面积的4/5，绝缘层3的边界不超出n-型锗基底2的边界；在绝缘层3上覆盖二硒化铂接触电极4，二硒化铂接触电极4的边界不超出绝缘层3的边界；在二硒化铂接触电极4上铺设二硒化铂薄膜5，二硒化铂薄膜5一部分与二硒化铂接触电极4接触，剩余部分与n-型锗基底2上表面未覆盖绝缘层3的部分接触，二硒化铂薄膜5的边界不超出n-型锗基底2的边界；二硒化铂薄膜5与二硒化铂接触电极4为欧姆接触，二硒化铂薄膜5与n-型锗基底2形成异质结。
具体的：n-型锗基底电极1为厚度为400nm的In-Ga合金电极。n-型锗基底2采用厚度为400μm、电阻率为0.003Ω/cm的n-型重掺杂锗片。绝缘层3为厚度为300nm的氧化铪。二硒化铂接触电极4为厚度为50nm的Au电极。二硒化铂薄膜5厚度为30nm。
本实施例中二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器制备方法是按如下步骤进行：
(1)将面积为0.5cm×0.5cm、电阻率为0.003Ω/cm、厚度为400μm的n-型重掺杂锗片放在质量浓度为5％的氢氟酸溶液中刻蚀5分钟，去除n-型重掺杂锗片表面的自然氧化层，取出后分别用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗10分钟，并用氮气吹干，得到n-型锗基底2。
(2)用掩模版覆盖住n-型锗基底2的1/5，采用磁控溅射镀膜方法，以纯度为99.9％的氧化铪靶为材料，真空度为1×10-3Pa，在n-型锗基底2未被掩模版覆盖的部分镀300nm氧化铪作为绝缘层3；
(3)采用电子束镀膜方法，在真空度为6.7×10-3Pa以下，在绝缘层3上蒸镀面积小于绝缘层3面积、厚度为50nm的Gr/Au电极作为二硒化铂接触电极4；
(4)在二硒化铂接触电极4上铺设面积小于n-型锗基底2面积的二硒化铂薄膜，二硒化铂薄膜5一部分与二硒化铂接触电极4接触，剩余部分与n-型锗基底2上表面未覆盖绝缘层3的部分接触。
(5)采用涂抹的方法在已完成(2)、(3)、(4)三步的n-型锗基底2的下表面制备In-Ga合金，作为n-型锗基底电极1。
二硒化铂薄膜5是通过热辅助转化法制备的，具体步骤如下：
a.采用电子束镀膜方法，在真空度为6.7×10-3Pa以下，在干净的氧化硅基底上蒸镀厚度为5nm的铂薄膜。
b.将表面覆盖铂薄膜的氧化硅基底放入双温区管式炉的右温区，将盛有0.1g纯度为99.99％的硒粉的瓷舟放入双温区管式炉的左温区；通入流量为50sccm的氩气为保护气体，将左温区升温至220℃，将右温区升温至400℃，保持管式炉内压强为260Pa；维持上述反应条件1h之后，关闭双温区管式炉的加热***，继续通入流量为50sccm的氩气保护气体，等待双温区管式炉冷却至室温时取出瓷舟和氧化硅基底，氧化硅基底表面生长有二硒化铂薄膜，二硒化铂薄膜厚度为30nm。
c.在表面生长有二硒化铂薄膜的氧化硅基底的上表面以转速3000rpm旋涂质量浓度为5％的PMMA，然后将氧化硅基底放入NaOH溶液中，待二硒化铂薄膜完全与氧化硅基底剥离之后，将二硒化铂薄膜转移至去离子水中清洗，得到二硒化铂薄膜。
基于本实施例制备的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器在黑暗下和波长为1550nm、强度为24.3mW/cm2的光照下的电流-电压特性曲线如图2所示，从图中看出本实施例的近红外光探测器具有明显的光电响应特性。器件在零工作电压下，波长为1550nm、强度为24.3mW/cm2的光照下的时间响应曲线如图3所示，从图中可以看出本实施例的近红外光探测器对被探测光非常敏感，开关比达到820，且具有超快的响应速度；此外制备的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器在零工作电压下可以正常工作，可有效降低器件功耗。
实施例2
如图1所示，本实施例中二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器的结构为：以n-型锗基底2作为光电探测器的基区，在n-型锗基底2的下表面设置n-型锗基底电极1；在n-型锗基底2的上表面覆盖绝缘层3，绝缘层3的面积为n-型锗基底2面积的1/2，绝缘层3的边界不超出n-型锗基底2的边界；在绝缘层3上覆盖二硒化铂接触电极4，二硒化铂接触电极4的边界不超出绝缘层3的边界；在二硒化铂接触电极4上铺设二硒化铂薄膜5，二硒化铂薄膜5一部分与二硒化铂接触电极4接触，剩余部分与n-型锗基底2上表面未覆盖绝缘层3的部分接触，二硒化铂薄膜5的边界不超出n-型锗基底2的边界；二硒化铂薄膜5与二硒化铂接触电极4为欧姆接触，二硒化铂薄膜5与n-型锗基底2形成异质结。
具体的：n-型锗基底电极1为厚度为80nm的Ag电极。n-型锗基底2采用厚度为300μm、电阻率为0.003Ω/cm的n-型重掺杂锗片。绝缘层3为厚度为50nm的氮化硅。二硒化铂接触电极4为厚度为250nm的Pt电极。二硒化铂薄膜5厚度为10nm。
本实施例中二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器制备方法是按如下步骤进行：
(1)将面积为0.5cm×0.5cm、电阻率为0.003Ω/cm、厚度为300μm的n-型重掺杂锗片放在质量浓度为5％的氢氟酸溶液中刻蚀5分钟，去除n-型重掺杂锗片表面的自然氧化层，取出后分别用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗10分钟，并用氮气吹干，得到n-型锗基底2。
(2)用掩模版覆盖住n-型锗基底2的1/2，采用磁控溅射镀膜方法，以纯度为99.9％的氮化硅靶为材料，真空度为4×10-3Pa，在n-型锗基底2未被掩模版覆盖的部分镀50nm氮化硅作为绝缘层3；
(3)采用电子束镀膜方法，在真空度为6.7×10-3Pa以下，在绝缘层3上蒸镀面积小于绝缘层3面积、厚度为250nm的Pt电极作为二硒化铂接触电极4；
(4)在二硒化铂接触电极4上铺设面积小于n-型锗基底2面积的二硒化铂薄膜，二硒化铂薄膜5一部分与二硒化铂接触电极4接触，剩余部分与n-型锗基底2上表面未覆盖绝缘层3的部分接触。
(5)采用电子束镀膜方法，在真空度为6.7×10-3Pa以下，在已完成(2)、(3)、(4)三步的n-型锗基底2的下表面制备厚度为80nm的Ag电极，作为n-型锗基底电极1。
二硒化铂薄膜5是通过热辅助转化法制备的，具体步骤如下：
a.采用电子束镀膜方法，在真空度为6.7×10-3Pa以下，在干净的氧化硅基底上蒸镀厚度为2.5nm的铂薄膜。
b.将表面覆盖铂薄膜的氧化硅基底放入双温区管式炉的右温区，将盛有0.2g纯度为99.99％的硒粉的瓷舟放入双温区管式炉的左温区；通入流量为50sccm的氩气为保护气体，将左温区升温至220℃，将右温区升温至400℃，保持管式炉内压强为260Pa；维持上述反应条件1h之后，关闭双温区管式炉的加热***，继续通入流量为50sccm的氩气保护气体，等待双温区管式炉冷却至室温时取出瓷舟和氧化硅基底，氧化硅基底表面生长有二硒化铂薄膜，二硒化铂薄膜厚度为10nm。
c.在表面生长有二硒化铂薄膜的氧化硅基底的上表面以转速3000rpm旋涂质量浓度为5％的PMMA，然后将氧化硅基底放入NaOH溶液中，待二硒化铂薄膜完全与氧化硅基底剥离之后，将二硒化铂薄膜转移至去离子水中清洗，得到二硒化钯薄膜。
基于本实施例制备的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器在黑暗下和波长为1550nm、强度为24.3mW/cm2的光照下的电流-电压特性曲线如图4所示，从图中看出本实施例的近红外光探测器具有明显的光电响应特性。器件在零工作电压下，波长为1550nm，强度为24.3mW/cm2的光照下的时间响应曲线如图5所示，从图中可以看出本实施例的近红外光探测器对被探测光非常敏感，电流开关比达到1000，且具有超快的响应速度；此外制备的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器在零工作电压下可以正常工作，可有效降低器件功耗。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，其特征在于：以n-型锗基底(2)作为所述光电探测器的基区，在所述n-型锗基底(2)的下表面设置n-型锗基底电极(1)；在所述n-型锗基底(2)的上表面覆盖绝缘层(3)，所述绝缘层(3)的面积为所述n-型锗基底(2)面积的1/5到2/3，所述绝缘层(3)的边界不超出所述n-型锗基底(2)的边界；在所述绝缘层(3)上覆盖二硒化铂接触电极(4)，所述二硒化铂接触电极(4)的边界不超出所述绝缘层(3)的边界；在所述二硒化铂接触电极(4)上铺设二硒化铂薄膜(5)，所述二硒化铂薄膜(5)一部分与二硒化铂接触电极(4)接触，剩余部分与n-型锗基底(2)上表面未覆盖绝缘层(3)的部分接触，所述二硒化铂薄膜(5)的边界不超出所述n-型锗基底(2)的边界；所述二硒化铂薄膜(5)与二硒化铂接触电极(4)为欧姆接触，所述二硒化铂薄膜(5)与n-型锗基底(2)形成异质结。
2.根据权利要求1所述的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，其特征在于：所述绝缘层(3)以二氧化硅、氮化硅、氧化铝或者氧化铪为材料，所述绝缘层(3)的厚度为30-300nm。
3.根据权利要求1所述的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，其特征在于：所述n-型锗基底电极(1)为In-Ga合金电极或者Ag电极，所述n-型锗基底电极(1)的厚度为50-500nm。
4.根据权利要求1所述的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，其特征在于：所述二硒化铂接触电极(4)为Au电极、Pt电极或Pd电极，所述二硒化铂接触电极(4)的厚度为30-300nm。
5.根据权利要求1所述的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，其特征在于：所述n型锗基底(2)采用厚度为100-600μm、电阻率不大于0.004Ω/cm的n-型重掺杂锗片。
6.根据权利要求1所述的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器，其特征在于：所述二硒化铂薄膜(5)的厚度为10-30nm左右。
7.一种权利要求1～6中任意一项所述的二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：
(1)将n-型重掺杂锗片放在质量浓度为5％-10％的氢氟酸溶液或者BOE刻蚀液中刻蚀5-10分钟，去除n-型重掺杂锗片表面的自然氧化层，取出后进行清洗并干燥，得到n-型锗基底；
(2)采用磁控溅射镀膜方法在n-型锗基底的上表面覆盖面积为所述n-型锗基底面积的1/5到2/3的绝缘层；
(3)采用电子束镀膜方法在绝缘层上覆盖二硒化铂接触电极，所述二硒化铂接触电极的边界不超出所述绝缘层的边界；
(4)在二硒化铂接触电极上铺设二硒化铂薄膜，所述二硒化铂薄膜一部分与二硒化铂接触电极接触，剩余部分与n-型锗基底上表面未覆盖绝缘层的部分接触接触，所述二硒化铂薄膜的边界不超出所述n-型锗基底的边界；
(5)采用涂抹或电子束镀膜方法在所述n-型锗基底的下表面设置n-型锗基底电极，即获得二硒化铂薄膜/n-型锗异质结近红外光探测器。
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