電磁誘導勢阱半導體禁帶下室溫光電導探測器件的製作方法

2023-10-06 11:36:39 1

本專利涉及光電轉換器件領域，具體涉及一種電磁誘導勢阱半導體禁帶下室溫光電導探測器件。

背景技術：

由光信息到電信號的轉換是光電研究領域的關鍵基礎。目前各種廣泛應用的商用半導體光電探測器展現出高信噪比、快響應速度等優點。他們已經在光學通信、探測成像、天文、生物、醫學，以及非破壞性材料表徵等應用領域表現出很強的吸引力。然而，傳統的光電探測存在著波長(光子能量)選擇性的問題：為了激發出載流子，所探測光子必須具備足夠能量以激發導帶與價帶之間的躍遷、子帶之間的躍遷或者雜質帶躍遷，並且，室溫環境中，由於熱噪聲能量的存在，使得在長波(低能)光子探測時，熱噪聲激發與光學激發形成競爭機制，從而探測效率顯著下降。目前，在中遠紅外電磁波段，基於傳統光電導的光子探測需低溫(4.2K，77K)甚至是深低溫(100-300mK)製冷。並且人們普遍認為，由遠小於半導體禁帶能量的光子直接激發的室溫光電導機制是不可能實現的。

本專利充分考慮到了實際光電轉換器件對於響應時間，工作溫度，結構難易，信噪比的要求，提出並設計了一種電磁誘導勢阱半導體禁帶下室溫光電導探測器件，具有響應時間短，室溫工作，結構簡單緊湊等優點，可現對於電磁信號的直接光電轉換，並且通過改變器件的結構尺寸還可以改變探測器所工作的中心波長範圍。該器件基於電磁誘導勢阱半導體禁帶下室溫光電導機制，選用參數(載流子濃度、遷移率等)合理的半導體材料，進行光刻、腐蝕、濺射等工藝製作，使用前置放大器進行放大讀出，克服了傳統的基於帶間躍遷，子帶能級躍遷，以及雜質帶激發產生光電導的限制，解決了室溫下遠小于禁帶能量光子不能直接產生光電導這一難題。

技術實現要素：

針對長波(低能)光子探測時，熱噪聲激發與光學激發形成競爭機制，從而使得器件轉換效率顯著下降，需低溫工作，結構複雜，信噪比低等問題，本專利提出一種電磁誘導勢阱半導體禁帶下室溫光電導探測器件，該器件便於大規模集成，使得線陣和面陣探測成為可能。

本專利採用的技術方案為：

一種電磁誘導勢阱半導體禁帶下室溫光電導探測器件結構為在半導體襯底1上依次生長半導體外延層2、下鈍化保護層3、上鈍化保護層4，在半導體襯底1和上鈍化保護層4的表面以及半導體外延層2和下鈍化保護層3的側面分別生長呈左右對稱分布的扇形的正電極層5和扇形的負電極層6；其中：

所述的半導體襯底1的厚度為0.9-1.5mm，材料為碲鋅鎘或磷化銦；

所述的半導體外延層2的厚度為1-20μm，材料為碲鎘汞或銦鎵砷；

所述的下鈍化保護層3的厚度為50-150nm，材料為碲化鎘或氮化矽；

所述的上鈍化保護層4的厚度為150-250nm，材料為硫化鋅，該層當下鈍化保護層3的材料為碲化鎘時才需要，當下鈍化保護層(3)的材料為氮化矽時無需上鈍化保護層4。

所述的正電極層5和負電極層6為濺射鉻金合金層，厚度為300-400nm，電極間距為10-50μm，由鉻金正負電極層覆蓋在半導體外延層2形成的臺階的表面和邊緣，形成金屬-半導體-金屬結構，並在接觸處形成歐姆接觸，其中大部分的電極層都生長在臺階兩側的表面上；正電極層5和負電極層6圍繞器件兩邊分別呈和形狀鏡像對稱分布；器件探測波長遠大於該器件結構中正電極層5，負電極層6和半導體外延層2所形成的金屬-半導體-金屬結構的敏感元長度；所述的正電極層5和負電極層6的上端面形成左右對稱的扇形天線，具體尺寸為：扇形天線圓弧對應的兩個圓心分別位於敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d的大小為10-50μm，敏感元寬度大小w為20-100μm，扇形電極兩邊壓住臺面兩側表面的長度t的大小為15 μm，圓弧張角θ由關係式tan(θ/2)＝w/2t來確定，扇形半徑R為0.1-1mm。

本專利具有如下優點：

1、器件可在室溫環境下工作，通過適當製冷還可提高器件的性能。

2、器件突破傳統光電導機制，實現在遠小于禁帶下的室溫光電導。

3、器件結構簡單緊湊，便於大規模集成，發展多元探測器件。

4、器件靈敏度高，工作效率高。

附圖說明

附圖1為探測器原理示意簡圖。

附圖2為扇形對稱電極示意簡圖。

附圖中標號為：1為半導體襯底層，2為半導體外延層，3為下鈍化保護層， 4為上鈍化保護層，5為正電極層，6為負電極層。

具體實施方式

以下結合附圖1對本專利進行進一步詳述:

附圖1為本探測器結構示意簡圖。電磁波信號被金屬-半導體-金屬亞波長結構耦合之後，電磁波反對稱模式在半導體材料中誘導出勢阱，束縛住來自於金屬中的自由載流子，從而使得半導體材料中載流子濃度發生改變，引起半導體層的電阻值發生變化，通過金屬導線將信號與前放電路連接，將半導體層的電阻值變化轉化成電壓信號而進行放大讀出，從而實現對電磁信號的探測。依照附圖1所示的結構，製作了六種類型實施例探測器件。

實施例探測器1為厚度0.9mm的碲鋅鎘襯底上依次生長厚度為1μm的碲鎘汞外延本徵層，厚度為50nm的碲化鎘下鈍化保護層，厚度為150nm的硫化鋅上鈍化保護層，厚度為300nm的鉻金正電極層和負電極層，電極間距為 10μm，正電極層和負電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應的兩個圓心分別位於敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d 的大小為10μm，敏感元寬度w為20μm，扇形電極兩邊壓住臺面兩側表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為67°，扇形半徑R為0.1mm。

實施例探測器2為厚度1.2mm的碲鋅鎘襯底上依次生長厚度為10μm的碲鎘汞外延本徵層，厚度為100nm的碲化鎘下鈍化保護層，厚度為200nm的硫化鋅上鈍化保護層，厚度為350nm的鉻金正電極層和負電極層，電極間距為30μm，正電極層和負電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應的兩個圓心分別位於敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距 d的大小為30μm，敏感元寬度w為60μm，扇形電極兩邊壓住臺面兩側表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為127°，扇形半徑R為0.5mm。

實施例探測器3為厚度1.5mm的碲鋅鎘襯底上依次生長厚度為20μm的碲鎘汞外延本徵層，厚度為150nm的碲化鎘下鈍化保護層，厚度為250nm的硫化鋅上鈍化保護層，厚度為400nm的鉻金正電極層和負電極層，電極間距為50μm，正電極層和負電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應的兩個圓心分別位於敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距 d的大小為50μm，敏感元寬度w為100μm，扇形電極兩邊壓住臺面兩側表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為147°，扇形半徑R為1mm。

實施例探測器4為厚度0.9mm的磷化銦襯底上依次生長厚度為1μm的銦鎵砷外延本徵層，厚度為50nm的氮化矽下鈍化保護層，厚度為300nm的鉻金正電極層和負電極層，電極間距為10μm，正電極層和負電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應的兩個圓心分別位於敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d的大小為10μm，敏感元寬度w為20μm，扇形電極兩邊壓住臺面兩側表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為67°，扇形半徑R為0.1mm。

實施例探測器5為厚度1.2mm的磷化銦襯底上依次生長厚度為1.5μm的銦鎵砷外延本徵層，厚度為100nm的下鈍化保護層，材料為氮化矽，不製作上鈍化保護層，厚度為350nm的鉻金正電極層和負電極層，電極間距為30μm，正電極層和負電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應的兩個圓心分別位於敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d的大小為30μm，敏感元寬度w為60μm，扇形電極兩邊壓住臺面兩側表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為127°，扇形半徑R為0.5mm。

實施例探測器6為厚度1.5mm的磷化銦襯底上依次生長厚度為2.5μm的銦鎵砷外延本徵層，厚度為150nm的氮化矽下鈍化保護層，厚度為400nm的鉻金正電極層和負電極層，電極間距為50μm，正電極層和負電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應的兩個圓心分別位於敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d的大小為50μm，敏感元寬度w為100μm，扇形電極兩邊壓住臺面兩側表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為147°，扇形半徑R為1mm。