一种具有界面激子的窄带光电探测器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光电探测器领域，特别是一种具有界面激子的窄带光电探测器及其制作方法。

背景技术

光探测技术是信息采集的重要手段，在军事国防、工业生产、国民经济、科学研究、医疗设备、光通信等许多领域具有重要的应用，也是当前先进制作、人工智能等领域的核心支撑技术。而具备窄带探测能力，即具有光谱高度选择性的光电探测器更是具有极高的研究价值和应用前景。

当前，人们开发的大多数光电探测器，主要依赖体材料的价带与导带间的光吸收跃迁。而受限于体材料的连续能带结构，所制备的光电探测器对波长小于截止波长的辐射光均会吸收响应，需要借助额外的滤光片滤除杂质辐射光或者设计复杂的半导体量子阱结构构建离散的量子能级才可以选择所需的探测波段。这不仅导致系统复杂程度和工程工艺难度升高、稳定性变差，而且带来成本的激增。

因此，如何设计和制备具有窄带光探测的光电探测器，提供更简单的器件结构、简化工程工艺难度、降低生产成本成为目前光电探测器件的研究重点。

发明内容

针对以上背景技术存在的技术问题，本申请的实施例提出了一种具有界面激子的窄带光电探测器及其制作方法来解决以上的问题。

根据第一方面，本申请提出了一种具有界面激子的窄带光电探测器，包括：

衬底；

半导体激子源层，位于所述衬底上方，用于吸收光信号并在禁带边能量光子的激发下产生激子；

电极，包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相对且独立设于所述半导体激子源层上方，并且所述半导体激子源层与所述第一电极和/或第二电极之间存在界面势垒。

在一些实施例中，还包括界面激子限制层，所述界面激子限制层位于所述半导体激子源层与所述第一电极和/或第二电极之间，所述界面激子限制层的厚度为0.32-50nm。

在一些实施例中，所述半导体激子源层与所述第一电极和/或第二电极之间为肖特基接触。

在一些实施例中，当所述半导体激子源层与所述第一电极或第二电极之间存在界面激子限制层，所述半导体激子源层与所述第二电极或第一电极之间为欧姆接触。

在一些实施例中，所述界面激子限制层为HfO2、SiO

在一些实施例中，所述衬底为蓝宝石、SiO

在一些实施例中，所述半导体激子源层为本征InN、InGaN、GaN、AlGaN、AlN、BN、BGaN、BAlN半导体或者相对应的n、p掺杂的半导体中的一种或者多种。

在一些实施例中，所述电极为金属Au薄膜、Ag薄膜、Cu薄膜、Al薄膜、Ni薄膜、Ti薄膜或者相应金属纳米线、ITO、石墨烯、碳纳米管、导电聚合物中的一种或者多种。

根据第二方面，本申请提出了一种具有界面激子的窄带光电探测器的制作方法，包括以下步骤：

S1，提供衬底；

S2，在所述衬底上采用MOCVD工艺制作半导体激子源层，所述半导体激子源层用于吸收光信号并在禁带边能量光子的激发下产生激子；

S3，在所述半导体激子源层上方采用磁控溅射工艺制作电极，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极独立设置，并且所述半导体激子源层与所述第一电极和/或第二电极之间存在界面势垒。

在一些实施例中，在S2和S3之间还包括：

在所述半导体激子源层上方制作厚度为0.32-50nm的界面激子限制层，所述界面激子限制层位于所述半导体激子源层与所述第一电极和/或第二电极之间。

本申请的实施例公开了一种具有界面激子的窄带光电探测器及其制作方法，光电探测器中的半导体激子源层与两个独立的电极之间至少有一个存在界面势垒，从而形成界面激子限制层，使得半导体激子源层中的激子可以在室温下稳定存在，最后在内部电场或者外部电场的驱动下形成光电流。半导体激子源层中的激子只有在其对应能量光子，即禁带边能量光子的激发下产生，因此本发明的光电探测器具备禁带边的窄带光谱响应。该光电探测器件基于半导体激子源层中的激子效应，结构简单，不受器件的具体结构干扰。在受到外界光信号辐照时，半导体激子源层中的电子从导带附近激发至价带附近形成电子空穴对；处在导带附近的电子与价带空穴形成激子。通过调控电极与半导体激子源层之间的界面势垒，在外部电场下，短寿命的非激子粒子复合，长寿命的激子分离形成电信号，以此可以获得一种具有禁带边能量光子响应的窄带光电探测器，提升光电探测器的光谱响应精度。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1为本申请的实施例一的具有界面激子的窄带光电探测器的示意图；

图2(a)为本发明实施例一的具有界面激子的窄带光电探测器的I-V测试曲线，图2(b)为本发明实施例一的具有界面激子的窄带光电探测器的光谱响应曲线；

图3为本申请的实施例二的具有界面激子的窄带光电探测器的示意图；

图4(a)为本申请的实施例二的具有界面激子的窄带光电探测器的I-V测试曲线，图4(b)为本发明实施例二的具有界面激子的窄带光电探测器的光谱响应曲线；

图5(a)为本申请的实施例三的具有界面激子的窄带光电探测器的I-V测试曲线，图5(b)为本发明实施例三的具有界面激子的窄带光电探测器的光谱响应曲线；

图6为本申请的实施例四的具有界面激子的窄带光电探测器的示意图；

图7(a)为本申请的实施例四的具有界面激子的窄带光电探测器的I-V测试曲线，图7(b)为本发明实施例四的具有界面激子的窄带光电探测器的光谱响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

参考图1，本申请的实施例中提出了一种具有界面激子的窄带光电探测器，包括衬底101、半导体激子源层102和电极，其中半导体激子源层102位于所述衬底101上方，用于吸收光信号并在禁带边能量光子的激发下产生激子；电极包括第一电极103和第二电极104，所述第一电极103和第二电极104相对设置在所述半导体激子源层102上方并且互相独立，并且所述半导体激子源层102与所述第一电极103和第二电极104之间存在界面势垒。半导体激子源层102与第一电极103和第二电极104同时连接，所述半导体激子源层102与所述第一电极103和/或第二电极104之间为肖特基接触。也就是，半导体激子源层102与第一电极103是肖特基接触，或者半导体激子源层102与第二电极104是肖特基接触，或者第一电极103和第二电极104同时是肖特基接触，肖特基接触就具有肖特基势垒。

在具体的实施例中，衬底101为蓝宝石，半导体激子源层102为p型氮化镓，第一电极103和第二电极104为Ni和Au的合金。第一电极103和第二电极104相互独立，并且总面积小于半导体激子源层102的面积，以供外部辐射光可以辐照到半导体层表面。特别说明的是，若电极为透明电极，可不考虑电极的面积。

通过以下制作方法制作上述具有界面激子的窄带光电探测器：

1)以蓝宝石作为衬底101，采用MOCVD工艺在蓝宝石衬底101上制作半导体激子源层102，半导体激子源层102为p型氮化镓；

2)采用磁控溅射工艺将Ni&Au电极分别制作在半导体激子源层102表面，两个电极相互独立，并且不需要退火，使Ni&Au电极与半导体激子源层102之间形成肖特基接触，即第一电极103和第二电极104与半导体激子源层102的形成界面之间存在势垒。

参考图2a，实施例一的光电探测器得到的I-V特性曲线为双曲线形状，并不是欧姆接触的直线型特征，说明第一电极103和第二电极104与半导体激子源层102的形成界面之间存在势垒，为肖特基势垒，阻碍载流子的迁移。该界面势垒使得p型氮化镓的激子可以在室温下稳定存在，最后在内部电场或者外部电场的驱动下形成光电流。所述半导体激子源层102中的激子只有在其对应能量光子，即禁带边能量光子的激发下产生，因此此光电探测器具备禁带边的窄带光谱响应。

参考图2b为在零电压、低工作电压下，在工作电压不超过开启电压，即外部电压在未抵消势垒的情况下的光谱响应曲线，势垒的限制作用延长了激子的寿命，在外部电场下得以分离成独立的电子和空穴，进而形成光电流，使得该光电探测器具有窄带光谱响应能力，并且响应波长对应光子能量与p型氮化镓激子能量一致，即3.4电子伏特；而在无势垒限制下，外部光辐射只会产生短寿命的普通载流子，在外部电场下，仍然会迅速复合，难以形成光电流。

实施例二

参考图3，本申请的实施例中提出了一种具有界面激子的窄带光电探测器，包括衬底201、半导体激子源层202、界面激子限制层203和电极，其中半导体激子源层202位于所述衬底201上方，用于吸收光信号并在禁带边能量光子的激发下产生激子。界面激子限制层203位于半导体激子源层202上方，且面积小于半导体激子源层202，界面激子限制层203的厚度为0.32-32nm。电极包括第一电极204和第二电极205，所述第一电极204和第二电极205分别设置在所述半导体激子源层202和界面激子限制层203上方并且互相独立，由于界面激子限制层203的面积略小于半导体激子源层202的面积使得半导体激子源层202与第一电极204可以接触。第一电极204与半导体激子源层202之间为欧姆接触，第二电极205与半导体激子源层202之间存在界面激子限制层203，因此具有较大的界面势垒。由于界面激子限制层203和界面势垒的存在，使得半导体激子源层202产生的激子可以在室温下、大电压下更稳定的存在。半导体激子源层202能对某一特定能量的光子响应，具有窄带探测，必须光子能量与形成的激子能量相当的时候，激子才会分离形成光电流，其他能量的光子只会形成短寿命载流子。

在具体的实施例中，衬底201为蓝宝石，半导体激子源层202为p型氮化镓，界面激子限制层203为二维的六方氮化硼，厚度为0.32nm。第一电极204和为Ni和Au的合金，第二电极205为铜纳米线电极。第一电极204和第二电极205相互独立。特别说明的是，若电极为透明电极，可不考虑电极的面积。

通过以下制作方法制作上述具有界面激子的窄带光电探测器：

1)以蓝宝石作为衬底201，采用MOCVD工艺在蓝宝石衬底201上制作半导体激子源层202，半导体激子源层202为p型氮化镓；

2)采用磁控溅射工艺将第一电极204Ni&Au制作在半导体激子源层202表面，并且在氮气氛围下，450℃退火15分钟，使第一电极204与半导体激子源层202形成欧姆接触，即第一电极204电极与半导体激子源层202之间的界面无势垒存在；

3)采用PMMA多聚物保护二维氮化硼的方法，将二维氮化硼转移到半导体激子源层202表面，完全覆盖在第一电极204以外的区域表面，并经过在真空环境下，300℃，退火1小时的方法使界面激子限制层203与半导体激子源层202完全贴合；

4)在界面激子限制层203表面制作铜纳米线电极，经过在真空环境下，320℃，退火30分钟的方法使铜纳米线电极形成导电网络，最终形成第二电极205。

参考图4a，实施例二的光电探测器得到的I-V特性曲线为整流特性形状，并不是欧姆接触的直线型特征，即在正向电压下电流导通，反向偏压下电流截止，反向电流强度小于实施例一说明第一电极204与半导体激子源层202的界面之间存在较大势垒，即氮化硼限制层阻碍载流子迁移，该界面势垒使得半导体激子源层202的激子可以在室温下稳定存在，最后在内部电场或者外部电场的驱动下形成光电流。半导体激子源层202中的激子只有在其对应能量光子，即禁带边能量光子的激发下产生，因此此光电探测器具备禁带边的窄带光谱响应。

参考图4b为在零电压、较大的反向电压、未达到开启电压的正向低电压下的光谱响应曲线，势垒的限制作用延长了激子的寿命，在外部电场下得以分离成独立的电子和空穴，进而形成光电流，使得光电探测器具有窄带光谱响应能力，并且响应波长对应光子能量与p型氮化镓激子能量一致，即3.4电子伏特；而在无势垒限制下，外部光辐射只会产生短寿命的普通载流子，在外部电场下，仍然会迅速复合，难以形成光电流。

二维氮化硼作为界面激子限制层203使得半导体激子源层202与第二电极205之间的势垒高度变高，宽度变宽。相比于实施例一，实施例二的光电探测器可以在大的反向电压下工作，并且光生载流子可以通过介质层进行高概率密度隧穿，在保证光电探测电流的同时保证窄带探测性能。

实施例三

参考图5a和5b所示，在本申请的实施例中，为了验证第二电极205与半导体激子源层202之间的势垒可以在室温下提供稳定的激子，并且实现窄光谱探测。将实施例2中的半导体激子源层202由p型氮化镓换成n型铝镓氮半导体；第一电极204由Ni、Au电极换成Ti、Al、Ti、Au导电电极。其余结构、材料、工艺不变。

参考图5a，实施例三的光电探测器得到的I-V特性曲线的整流特性形状，并不是欧姆接触的直线型特征，即在正向电压下电流导通，反向偏压下电流明显截止，反向电流强度小于实施例一，说明界面激子限制层203与半半导体激子源层202的界面之间存在较大势垒，即氮化硼限制层，阻碍载流子迁移。界面激子限制层203使得n型铝镓氮的激子可以在室温下稳定存在，最后在内部电场或者外部电场的驱动下形成光电流。所述半导体激子源层202中的激子只有在其对应能量光子，即禁带边能量光子的激发下产生，因此此光电探测器具备禁带边的窄带光谱响应。

参考图5b为在零电压、较大的反向电压、未达到开启电压的正向低电压下的光谱响应曲线，势垒的限制作用延长了激子的寿命，在外部电场下得以分离成独立的电子和空穴，使得光电探测器具有窄带光谱响应能力，并且响应波长对应光子能量与n型铝镓氮激子能量一致，即4.6电子伏特；而在无势垒限制下，外部光辐射只会产生短寿命的普通载流子，在外部电场下，仍然会迅速复合，难以形成光电流。

二维氮化硼作为界面激子限制层203使得半导体激子源层202与第二电极205之间的势垒高度变高，宽度变宽。相比于实施例一、实施例二光电探测器可以在大的反向电压下工作，并且光生载流子可以通过介质层进行高概率密度隧穿，在保证光电探测电流的同时保证窄带探测性能。

可见，对于不同的半导体激子源层202，所述光电探测器的窄带光谱能力仍然存在，以此可证明所述结构和窄带光谱响应机理的正确性和可靠性。

实施例四

参考图6，本申请的实施例中提出了一种具有界面激子的窄带光电探测器，包括衬底301、半导体激子源层302、界面激子限制层303和电极，其中半导体激子源层32位于所述衬底301上方，用于吸收光信号并在禁带边能量光子的激发下产生激子。界面激子限制层303位于半导体激子源层302上方，并且完全覆盖在半导体激子源层302的表面，界面激子限制层303的厚度为0.32-32nm。电极包括第一电极304和第二电极305，所述第一电极304和第二电极305位于所述半导体激子源层302和界面激子限制层303上方并且互相独立。第一电极304、第二电极305与半导体激子源层302之间存在界面激子限制层303，因此具有较大的界面势垒。由于界面激子限制层203和界面势垒的存在，使得半导体激子源层302产生的激子可以在室温下、大电压下更稳定的存在。半导体激子源层202能对某一特定能量的光子响应，具有窄带探测，必须光子能量与形成的激子能量相当的时候，激子才会分离形成光电流，其他能量的光子只会形成短寿命载流子。

在具体的实施例中，衬底301为蓝宝石，半导体激子源层302为p型氮化镓，界面激子限制层203为二维的六方氮化硼，厚度为0.32nm。第一电极304和第二电极305为铜纳米线电极。第一电极304和第二电极305相互独立，并且总面积小于半导体激子源层302的面积，以供外部辐射光可以辐照到半导体层表面。特别说明的是，若电极为透明电极，可不考虑电极的面积。

通过以下制作方法制作上述具有界面激子的窄带光电探测器：

1)以蓝宝石作为衬底301，采用MOCVD工艺在蓝宝石衬底301上制作半导体激子源层302，半导体激子源层302为p型氮化镓；

2)采用PMMA多聚物保护二维氮化硼的方法，将二维氮化硼转移到半导体激子源层302表面，完全覆盖在半导体激子源层302表面，并经过在真空环境下，300℃，退火1小时的方法使界面激子限制层303与半导体激子源层302完全贴合；

3)在界面激子限制层303表面制作铜纳米线电极，经过在真空环境下，320℃，退火30分钟的方法使铜纳米线电极形成导电网络，最终形成第一电极304和第二电极305。

参考图7a，实施例四的光电探测器得到的I-V特性曲线的双曲线形状，并不是欧姆接触的直线型特征，即在正向、反向电压下电流都截止，并且正向、反向电流强度都小于实施例一，说明第一电极304和第二电极305与半导体激子源层302形成的界面之间存在较大势垒，即氮化硼限制层，阻碍载流子迁移。界面激子限制层303使得p型氮化镓的激子可以在室温下稳定存在，最后在内部电场或者外部电场的驱动下形成光电流。所述半导体激子源层302中的激子只有在其对应能量光子，即禁带边能量光子的激发下产生，因此此光电探测器具备禁带边的窄带光谱响应。

参考图7b为在零电压、较大反向电压、较大正向电压下的光谱响应曲线，势垒的限制作用延长了激子的寿命，在外部电场下得以分离成独立的电子和空穴，说明光电探测器具有窄带光谱响应能力，并且响应波长对应光子能量与p型氮化镓激子能量一致，即3.4电子伏特；而在无势垒限制下，外部光辐射只会产生短寿命的普通载流子，在外部电场下，仍然会迅速复合，难以形成光电流。

二维氮化硼作为界面激子限制层303使得半导体激子源层302与第一电极304、第二电极305之间的势垒高度变高，宽度变宽。相比于实施例一和实施例二，实施例四的光电探测器可以在大的正向电压下工作，并且光生载流子可以通过介质层进行高概率密度隧穿，在保证光电探测电流的同时保证窄带探测性能。

以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。