CN115425146B - 一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器及其制备方法。探测器包括由上至下叠置的顶端共用电极、p型微结构阵列基片和图形化底电极，顶端共用电极沉积于p型微结构阵列基片上部；p型微结构阵列基片与图形化底电极之间依次镀制p型红外光吸收材料、n型电子输运窗口材料和n型高阻半导体材料。制备方法包括：制备p型微结构阵列基片：制备p型微结构阵列基片与图形化底电极之间的中间层；制备图形化底电极；制备顶端共用电极。本发明提升了可见‑红外入射光的利用率，垂直集成器件结构实现了可见‑红外光信号的同时采集，拓宽了单一探测器的光谱探测范围，器件制备工艺与常规半导体制备兼容，具有广阔的商业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及到一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器。
技术背景
光电探测器作为光电信息采集的重要的一环，在车辆驾驶，运动感应，安防报警，红外感应成像等方面被广泛应用。工作在不同波长区域的光电探测***拥有的能力和用途各具优势，但是随着科技的不断发展，各种突发状况和干扰技术的出现，使得使用者对光电探测器的要求也越来越高，而只响应单一波段的光电探测器已经远远无法满足实际需求。如何能在复杂环境中高效获取准确的多波段信息变得尤为重要，由此双波段或多波段融合的光电探测***应运而生。但是目前研发的双波段或多波段探测***通常是采用两套甚至多套独立的探测***组装而成，此类***的制作成本高，而且体积过大，与现在探测***高度集成化、微型化和轻量化的思路相违背。
在CN201810862215中公开了“一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件及其制备方法”，存在的技术问题是：其响应光谱范围为350-1150nm，相较于传统硅探测器并没有显著拓宽响应光谱(传统硅探测器响应光谱范围400-1100nm)。此外，CN201810862215中公开的探测器结构为单元器件，该结构不能满足像素隔离条件，无法形成焦平面成像阵列。在CN111739963B中公开了一种硅基宽光谱光电探测器的制备方法，存在的技术问题是：同样其光谱响应范围(400-1600nm)远小于本发明，并且也无法实现像素隔离。此外其所涉及的光吸收层材料的制备方法大多为化学合成，无法保证探测器制备的一致性。
发明内容
本发明的目的是提供一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器及其制备方法，以解决目前存在的探测器结构不能满足跨波段宽光谱探测和像素隔离条件，无法形成焦平面成像阵列，探测器制备缺乏一致性的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器：包括由上至下叠置的顶端共用电极、p型微结构阵列基片和图形化底电极，其特征在于：所述顶端共用电极沉积于p型微结构阵列基片上部；所述p型微结构阵列基片与图形化底电极之间依次镀制有p型红外光吸收材料、n型电子输运窗口材料和n型高阻半导体材料。
进一步的，所述p型微结构阵列基片为平面上排列的柱状阵列结构，其禁带宽度1-1.5eV，电阻率0.001-50Ω·cm，厚度100-200μm，微结构直径500nm-10μm，周期1-20μm，高宽比1-10。
进一步的，所述的顶端共用电极为全覆盖可见-红外透明导电薄膜电极，具体是氟掺杂氧化铟锡或铝掺杂氧化锌，方阻10-100Ω。
进一步的，所述的p型红外光吸收材料为多晶薄膜或量子点薄膜形态，具体是碲化铅、碲镉汞或铅锡碲，厚度100nm-2μm。
进一步的，所述的n型电子输运窗口材料为n型半导体材料，禁带宽度大于2eV，具体是硫化镉、富勒烯C60、富勒烯C70或C60MC12，厚度10-50nm。
进一步的，所述的n型高阻半导体材料为n型宽禁带半导体材料，禁带宽度大于3eV，具体是氧化锡，氮化镓或氮化铝，厚度0.2-2μm。
进一步的，所述图形化底电极是铂、金、银或合金电极材料，电阻率0.001-10Ω·cm，厚度200nm-1μm，电极面积1-100μm2，电极间隔离沟道宽度1-10μm。
进一步的，上述一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、p型微结构阵列基片的制备：将光刻胶旋涂于p型基片之上；根据所设计的微结构图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶，之后对样片进行坚膜处理；采用等离子体或化学湿法刻蚀对坚膜后的样片进行处理，通过对刻蚀速率的控制，将图形区域内的基片刻蚀到设计深度，形成p型微结构阵列基片；
步骤二、制备p型微结构阵列基片与图形化底电极之间的中间层：将UV胶旋涂于p型微结构阵列基片上，对微结构进行保护；在p型微结构阵列基片背面旋涂光刻胶牺牲层；根据所设计牺牲层图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶；在p型微结构阵列基片背面依次镀制p型红外光吸收材料，n型电子输运窗口材料，n型高阻半导体材料，并将光刻胶牺牲层去除；
步骤三、制备图形化底电极：在n型高阻半导体材料表面旋涂光刻胶，根据所设计的底电极图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶，之后对样片进行坚膜处理；在n型高阻半导体材料表面沉积底电极材料，去除多余光刻胶后形成图形化底电极；
步骤四、制备顶端共用电极：去除p型微结构阵列基片上表面UV保护胶，采用原子层沉积技术在其上制备顶端共用电极，最终完成探测器的制备。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明中，可见-红外光入射到p型微结构阵列基片表面，可见光由p型微结构阵列基片吸收，转换为电子-空穴对。优选p型微结构阵列基片的禁带宽度1-1.5eV，厚度100-200μm，一方面保证可见光的高效吸收，提升了可见-红外入射光的利用率；另一方面，该厚度为器件结构提供良好的支撑。
2、微结构的陷光作用可显著增强可见光的吸收和减小红外光的反射，提升入射光利用率。本发明所述微结构尺寸可灵活设计，以满足不同波段的需求，适用范围更广。所说的p型红外光吸收材料可根据实际应用情况灵活选用对应的材料，确保本发明所设计探测器结构的通用性。
3、n型电子输运窗口材料起到电子的收集和输运作用，同时优选将厚度控制在10-50nm，避免电子复合率的增加；其禁带宽度满足大于2eV，也能在外加反向偏压的前提下抑制暗电流的产生。本发明中n型高阻半导体材料既是p-n结中的n型层，其横向高阻特性也起到像素隔离的作用，从而实现焦平面阵列成像。
4、本发明中选用透明导电薄膜作为顶端共用电极，一方面满足可见-红外光的透过率要求；另一方面，采用原子层沉积(ALD)技术的制备方法可实现电极微结构表面的均匀包裹，形成良好的全覆盖式欧姆接触。
5、本发明所述的探测器单元像素的尺寸由单个图形化底电极面积决定，单个图形化底电极和顶端共用电极之间在外加偏压后形成独立p-n结单元，各单元之间由n型高阻半导体材料实现电隔离，每个独立像素单元产生的电信号由读出电路(ROIC)导出，采集和处理各像素单元的电信号后即可获得焦平面阵列图像。
6、本发明可实现单一探测器可见-红外光的宽光谱探测：本发明可灵活采用不同吸收波段的红外光吸收材料，例如采用PbTe红外吸收材料，探测器的光谱响应范围为400-2500nm；若采用HgCdTe，则探测器的光谱响应范围可涵盖整个可见-红外光区域。
7、本发明采用的垂直集成器件结构，实现了可见-红外光信号的同时采集，拓宽了单一探测器的光谱探测范围。利用p型光吸收材料和n型高阻半导体材料纵向堆叠，既获得了光伏型探测器高增益输出的优势，同时n型高阻半导体材料的横向高阻特性又能保证横向像素间的电隔离，结合图形化底电极，可实现焦平面阵列成像。
8、本发明的制备过程兼容现有的半导体制造工艺，技术核心在于微结构的形貌调控和各层薄膜均匀性和组份的控制，但所说的工艺均兼容现有半导体制造工艺，同时制备设备都可以采用现有的成熟设备，因此器件制备的一致性可得到有效保证，且制备成本低，适于工业化生产。
附图说明：
图1为背照式微结构阵列宽光谱成像探测器的结构示意图；
图2为背照式微结构阵列宽光谱成像探测器的工作原理图；
图3为背照式微结构阵列宽光谱成像探测器的制备工艺流程图；
图4为实施例1所制备探测器的吸收光谱；
图5为实施例1所制备探测器在2200nm入射光下的响应特性曲线。
标记说明：1—顶端共用电极，2—p型微结构阵列基片，3—p型红外光吸收材料，4—n型电子输运窗口材料，5—n型高阻半导体材料，6—图形化底电极。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1：一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器，包括p型微结构阵列基片2，所述的p型微结构阵列基片2上设置有顶端共用电极1，所述的p型微结构阵列基片2背面依次镀制p型红外光吸收材料3，n型电子输运窗口材料4，n型高阻半导体材料5，以及图形化底电极6。
本发明所述微结构尺寸可灵活设计，如针对增强可见光吸收，微结构尺寸可设计为直径500nm，周期1μm，高宽比5；若需增强红外光吸收，则可根据对应的波段(近红外、中波红外和长波红外)调整微结构尺寸。
所述的p型红外光吸收材料可根据实际应用情况灵活选用对应的材料，在近红外波段(800-2500nm)可选择PbTe；在中波红外(3-5μm)和长波红外波段(8-12μm)，可选择HgCdTe或PbSnTe。
所述的p型微结构阵列基片2为平面上排列的柱状阵列结构，其禁带宽度1-1.5eV，电阻率0.001-50Ω·cm，厚度100-200μm，微结构直径500nm-10μm，周期1-20μm，高宽比1-10。
所述的顶端共用电极1可为全覆盖可见-红外透明导电薄膜电极，例如：氟掺杂氧化铟锡(FTO)或铝掺杂氧化锌(AZO)等，方阻10-100Ω。
所述的p型红外光吸收材料3可为多晶薄膜或量子点薄膜形态，可采用碲化铅(PbTe)、碲镉汞(HgCdTe)、铅锡碲(PbSnTe)等，厚度100nm-2μm。
所述的n型电子输运窗口材料4可采用n型半导体材料，禁带宽度大于2eV，例如：硫化镉(CdS)、富勒烯(C60、C70)和C60MC12等，厚度10-50nm。
1、所述的n型高阻半导体材料5可采用n型宽禁带半导体材料，禁带宽度大于3eV，例如：氧化锡(SnO2)，氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)等，厚度0.2-2μm。
所述图形化底电极6可采用铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)或合金电极材料等，电阻率0.001-10Ω·cm，厚度200nm-1μm，电极面积1-100μm2，电极间隔离沟道宽度1-10μm。
实施例1：采用双抛硅片作为p型微结构阵列基片，电阻率10Ω·cm，厚度100μm，微结构直径2μm，周期4μm，高宽比5:1；顶端共用电极采用铟掺杂氧化锡(ITO)，方阻10Ω；p型红外光吸收材料采用碲化铅(PbTe)，厚度500nm；n型电子输运窗口材料采用硫化镉(CdS)，厚度20nm；n型高阻半导体材料采用氮化镓(GaN)，厚度200nm；图形化底电极采用铂(Pt)，电阻率0.1Ω·cm，厚度200nm，边长5μm的方形，电极间隔离沟道宽度1μm，电极图形采用正方形。
实施例2：采用双抛磷化铟(InP)作为p型微结构阵列基片，电阻率15Ω·cm，厚度200μm，微结构直径5μm，周期10μm，高宽比8:1；顶端共用电极采用铝掺杂氧化锌(AZO)，方阻15Ω；p型红外光吸收材料采用碲镉汞(HgCdTe)，厚度1μm；n型电子输运窗口材料采用富勒烯(C60)，厚度10nm；n型高阻半导体材料采用氮化铝(AlN)，厚度500nm；图形化底电极采用金(Au)，电阻率0.01Ω·cm，厚度500nm，边长10μm的方形，电极间隔离沟道宽度5μm，电极图形采用正方形。
参见图2：一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器的工作原理为：可见-红外光入射到p型微结构阵列基片2表面，可见光由p型微结构阵列基片2吸收，转换为电子-空穴对。红外光穿透p型微结构阵列基片2后由p型红外光吸收材料3吸收，转换为电子-空穴对。n型电子输运窗口材料4起到电子的收集和输运作用，同时也能在外加反向偏压的前提下抑制暗电流的产生。n型高阻半导体材料5既是p-n结中的n型层，也起到像素隔离的作用。在顶端共用电极1上加负电压，图形化底电极6上加正电压，可见光和红外光产生的电子-空穴对在整个器件的p-n结内建电场和外加反向偏压的作用下实现分离，形成光电流，实现可见-红外光的宽光谱探测。电流信号由读出电路(ROIC)导出并转换成图像信息。
参见图3：背照式微结构阵列宽光谱成像探测器的制备工艺流程，包括以下步骤：
步骤一、将光刻胶旋涂于p型掺杂硅或锗片之上；根据所设计的微结构图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶，之后对样片进行坚膜处理；采用等离子体或化学湿法刻蚀对坚膜后的样片进行处理，通过对刻蚀速率的控制，将图形区域内的基片刻蚀到设计深度，形成p型微结构阵列基片2。
步骤二、制备p型微结构阵列基片2与图形化底电极6之间的中间层：将UV胶旋涂于p型微结构阵列基片2上，对微结构进行保护；在p型微结构阵列基片2背面旋涂光刻胶牺牲层；根据所设计牺牲层图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶；采用热蒸发、磁控溅射、离子束溅射、原子层沉积、连续离子层沉积、量子点旋涂或溶胶-凝胶法等手段在p型微结构阵列基片2背面依次镀制p型红外光吸收材料3，n型电子输运窗口材料4，n型高阻半导体材料5，并将光刻胶牺牲层去除。本实施例中采用热蒸发方法。
步骤三、制备图形化底电极6：在n型高阻半导体材料5表面旋涂光刻胶；根据所设计的底电极图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶，之后对样片进行坚膜处理；通过热蒸发、磁控溅射、离子束溅射等方法在n型高阻半导体材料(5)表面沉积底电极材料，去除多余光刻胶后形成图形化底电极6。本实施例中采用磁控溅射方法。
步骤四、制备顶端共用电极1：去除p型微结构阵列基片2上表面UV保护胶，并在其上采用原子层沉积(ALD)方法制备顶端共用电极1。
参见图4：实施例1中，p型硅基底的吸收率在1100nm之后有着明显下降，光吸收几乎截止，且光吸收率远低于其余两种结构，具有陷光微结构的p型硅基底可见-近红外区域吸收率明显增大，随着PbTe红外吸收层的复合，器件的光吸收率进一步提升，光谱范围涵盖了400-2500nm波段。
参见图5：实施例1所制备的探测器在2200nm光源测试下的光电响应，在-0.5V偏压下，其响应度与探测率分别为10.517μA/W和2.23×107Jones。有效地拓宽了光谱响应范围，成功突破了1100nm的波长限制。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器，其特征在于：包括由上至下叠置的顶端共用电极(1)、p型微结构阵列基片(2)和图形化底电极(6)，其特征在于：所述顶端共用电极(1)沉积于p型微结构阵列基片(2)上部；所述p型微结构阵列基片(2)与图形化底电极(6)之间依次镀制有p型红外光吸收材料(3)、n型电子输运窗口材料(4)和n型高阻半导体材料(5)；
所述的p型微结构阵列基片(2)为平面上排列的柱状阵列结构，其禁带宽度1-1.5eV，电阻率0.001-50Ω·cm，厚度100-200μm，微结构直径500nm-10μm，周期1-20μm，高宽比1-10；
所述的n型电子输运窗口材料(4)为n型半导体材料，禁带宽度大于2eV，具体是硫化镉、富勒烯C60、富勒烯C70或C60MC12，厚度10-50nm；
所述的n型高阻半导体材料(5)为n型宽禁带半导体材料，禁带宽度大于3eV，具体是氧化锡，氮化镓或氮化铝，厚度0.2-2μm。
2.根据权利要求1所述的一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器，其特征在于：所述的顶端共用电极(1)为全覆盖可见-红外透明导电薄膜电极，具体是氟掺杂氧化铟锡或铝掺杂氧化锌，方阻10-100Ω。
3.根据权利要求2所述的一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器，其特征在于：所述的p型红外光吸收材料(3)为多晶薄膜或量子点薄膜形态，具体是碲化铅、碲镉汞或铅锡碲，厚度100nm-2μm。
4.根据权利要求3所述的一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器，其特征在于：所述图形化底电极(6)是铂、金、银或合金电极材料，电阻率0.001-10Ω·cm，厚度200nm-1μm，电极面积1-100μm2，电极间隔离沟道宽度1-10μm。
5.根据权利要求1所述的一种背照式微结构阵列宽光谱成像探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、p型微结构阵列基片(2)的制备：将光刻胶旋涂于p型基片之上；根据所设计的微结构图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶，之后对样片进行坚膜处理；采用等离子体或化学湿法刻蚀对坚膜后的样片进行处理，通过对刻蚀速率的控制，将图形区域内的基片刻蚀到设计深度，形成p型微结构阵列基片(2)；
步骤二、制备p型微结构阵列基片(2)与图形化底电极(6)之间的中间层：将UV胶旋涂于p型微结构阵列基片(2)上，对微结构进行保护；在p型微结构阵列基片(2)背面旋涂光刻胶牺牲层；根据所设计牺牲层图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶；在p型微结构阵列基片(2)背面依次镀制p型红外光吸收材料(3)，n型电子输运窗口材料(4)，n型高阻半导体材料(5)，并将光刻胶牺牲层去除；
步骤三、制备图形化底电极(6)：在n型高阻半导体材料(5)表面旋涂光刻胶，根据所设计的底电极图形，采用掩膜版在紫外光下对图形区域的光刻胶进行曝光处理，再将曝光后的样片浸入显影液中，去除图形区域内曝光部分的光刻胶，之后对样片进行坚膜处理；在n型高阻半导体材料(5)表面沉积底电极材料，去除多余光刻胶后形成图形化底电极(6)；
步骤四、制备顶端共用电极(1)：去除p型微结构阵列基片(2)上表面UV保护胶，采用原子层沉积技术在其上制备顶端共用电极(1)，最终完成探测器的制备。
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