一种多色探测器及制备方法

技术领域

本申请涉及半导体探测器制备技术领域，特别涉及一种多色探测器及制备方法。

背景技术

多色探测器可以同时实现对多个波段光的探测，可以提高探测的灵敏度、降低虚警率。面向未来器件的小型化和多功能化的需求，需要研制多色探测集成探测器。但是由于传统半导体材料异质集成受到晶格失配和热失配的影响，很难将传统宽禁带半导体和窄禁带半导体集成到一个器件结构中。

二维材料层间作用弱，可以容易的实现异质集成。同时，多种二维材料的带隙正好在可见和红外波段。因此将二维材料和宽禁带半导体相结合就可以实现紫外、可见、红外多色探测器。但目前由于二维材料光吸收弱，因此导致二维材料响应度低、暗电流大，难以实现应用。

发明内容

鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种可提高二维材料探测器的响应度的多色探测器及制备方法。

为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

本申请目的之一，提供一种多色探测器，包括：导电衬底、置于导电衬底上表面的宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层、置于所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层上表面的第一半导体单元层、置于所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层上并与第一半导体单元层处于不同位置的第二半导体单元层、置于所述第一半导体单元层和第二半导体单元层上的透明电极及置于所述导电衬底下表面的底电极层，所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层用于实现紫外光探测及可见和红外光生载流子的雪崩放大功能，所述第一半导体单元层结合宽禁带半导体雪崩结构用于实现可见光探测，所述第二半导体单元层结合宽禁带半导体雪崩结构用于实现红外光探测，所述第一半导体单元层及所述第二半导体单元层结合宽禁带半导体雪崩结构在实现可见和红外光探测的同时还可以实现紫外光的响应。

在其中一些实施例中，所述宽禁带半导体雪崩结构中半导体探测单元层为本征宽禁带半导体。

在其中一些实施例中，所述第一半导体单元层包括具有可见光吸收的二维材料。

在其中一些实施例中，所述第二半导体单元层包括具有红外光吸收的二维材料。

在其中一些实施例中，所述宽禁带半导体包括GaN或SiC。

在其中一些实施例中，所述宽禁带半导体设计成PIN或PININ结构。

在其中一些实施例中，所述具有可见光吸收的二维材料包括二硫化钼。

在其中一些实施例中，所述具有红外光吸收的二维材料包括石墨烯。

本申请目的之二，还提供了一种多色探测器的制备方法，包括下述步骤：

在所述导电衬底层上表面外延生长所述宽禁带半导体雪崩探测结构层；

在所述宽禁带半导体雪崩探测结构层上表面制备用于可见光探测的所述第一半导体单元层；

在所述宽禁带半导体雪崩探测结构层上并与第一半导体单元层处于不同位置区域制备用于红外光探测所述第二半导体单元层；

在所述导电衬底层下表面制备所述底电极层；

在所述第一半导体单元层和第二半导体单元层上制备透明电极。

本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：

本申请提供的多色探测器及其制备方法，包括：导电衬底、置于导电衬底上表面的宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层、置于所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层上表面的第一半导体单元层、置于所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层上并与第一半导体单元层处于不同位置的第二半导体、置于所述可第一半导体单元层和第二半导体单元层上的透明电极及置于所述导电衬底下表面的底电极层，所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层用于实现紫外光探测及可见和红外光生载流子的雪崩放大功能，所述第一半导体单元层结合宽禁带半导体雪崩结构用于实现可见光探测，所述第二半导体单元层结合宽禁带半导体雪崩结构用于实现红外光探测，所述第一半导体单元层及所述第二半导体单元层结合宽禁带半导体雪崩结构在实现可见和红外光探测的同时还可以实现紫外光的响应。本申请提供的多色探测器，将宽禁带半导体的载流子雪崩性能与二维材料的可见和红外吸收相结合，利用二维材料作为吸收层，再通过外电场使得在二维材料中产生的光生载流子输运到宽禁带半导体中，实现倍增，获得高响应度可见-红外探测；利用此结构，在一个探测单元通过宽禁带半导体自身的雪崩倍增效应实现紫外倍增探测，利用二维材料结合宽禁带半导体倍增效应实现可见-红外倍增探测，故得到在多个波段具有雪崩增益的高性能多色探测器。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的多色探测器的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的多色探测器的制备方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

请参阅图1，为本实施例1提供的一种多色探测器的结构示意图，包括导电衬底110、置于导电衬底110上表面的宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层120、置于所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层120上表面的可见-红外吸收层130，所述的可见-红外吸收层130包括第一半导体单元层及置于所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层上并与第一半导体单元层处于不同位置的第二半导体单元层、置于所述可见-红外吸收层130上的透明电极140及置于所述导电衬底110下表面的底电极层150。以下详细说明各个部件的具体结构及其实现方式。

在本实施例中，导电衬底110为导电SiC单晶。

具体地，所述第一半导体单元层和第二半导体结合单元层实现针对可见和红外波段吸收，然后将载流子输运到宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层120实现可见和红外光生载流子的倍增，获得高性能可见和红外探测。

可以理解，在第一半导体单元层和第二半导体单元层和宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层120结合的区域，由于宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层120对紫外具有探测效果，因此上表面具有所述第一半导体单元层和第二半导体单元层的宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层120区域同时具有紫外-可见或者紫外-红外双色探测性能。但上表面没有所述第一半导体单元层和第二半导体单元层的宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层120区域只具紫外探测性能，通过对比可见(红外)与半导体探测单元层的响应信号，可以分别获得紫外、可见、红外探测。

在其中一些实施例中，所述宽禁带半导体雪崩放大光电探测结构层为本征宽禁带半导体。

在其中一些实施例中，雪崩结构上面的MoS2是可见吸收层第一半导体单元层，G是红外吸收层第二半导体单元，包括具有可见和红外光吸收的二维材料。

在其中一些实施例中，所述宽禁带半导体的材料可以是GaN、SiC等材料。

在其中一些实施例中，所述宽禁带半导体倍增性能可以通过将半导体探测结构设计成PIN、PININ等适合达到倍增效果的结构。

在其中一些实施例中，所述可见光探测的二维材料可以选择二硫化钼等可以实现可见光吸收的二维材料。

在其中一些实施例中，所述红外光探测的二维材料可以选择石墨烯等可以实现红外光吸收的二维材料。

本申请提供的多色探测器，将宽禁带半导体的载流子雪崩性能与二维材料的可见和红外吸收相结合，利用二维材料作为吸收层，再通过外电场使得在二维材料中产生的光生载流子输运到宽禁带半导体中，实现倍增，获得高响应度可见-红外探测；利用此结构，在一个探测单元通过宽禁带半导体自身的雪崩倍增效应实现紫外倍增探测，利用二维材料结合宽禁带半导体倍增效应实现可见-红外倍增探测，故得到高性能多色探测器。

请参阅图2，本申请还提供了一种多色探测器的制备方法，包括下述步骤：

步骤S110：在所述导电衬底层上表面外延生长所述宽禁带半导体雪崩探测结构层；

步骤S120：在所述宽禁带半导体雪崩探测结构层上表面制备用于可见光探测的所述第一半导体单元层；

步骤S130：在所述宽禁带半导体雪崩探测结构层上并与第一半导体处于不同位置区域制备用于红外光探测所述第二半导体单元层；

步骤S140：在所述导电衬底层下表面制备所述底电极层；

步骤S150：在所述可见-红外吸收层制备透明电极。

具体地，上述实施例选择导电衬底，通过外延生长技术在导电衬底上制备宽禁带半导体雪崩探测结构层；通过电子束蒸发或者热蒸发工艺在导电衬底层下表面制备底电极，并通过退火工艺实现欧姆接触；通过CVD外延、旋涂、湿法转移等方法在宽禁带半导体结构层上制备用于可见和红外探测的吸收层；通过光刻工艺实现紫外、可见、红外探测单元结构；在探测单元结构上通过电子束蒸发或者热蒸发制备透明或者半透明顶电极。

本申请提供的多色探测器的制备方法，将宽禁带半导体的载流子雪崩性能与二维材料的可见和红外吸收相结合，利用二维材料作为吸收层，再通过外电场使得在二维材料中产生的光生载流子输运到宽禁带半导体中，实现倍增，获得高响应度可见-红外探测；利用此结构，在一个探测单元通过宽禁带半导体自身的雪崩倍增效应实现紫外倍增探测，利用二维材料结合宽禁带半导体倍增效应实现可见-红外倍增探测，故得到高性能多色探测器。

以下结合具体实施例对本申请上述技术方案进行详细说明。

实施例1

选择导电SiC单晶为衬底，然后通过CVD外延生长PININ型雪崩探测结构层于导电SiC单晶为衬底上；通过电子束蒸发或者热蒸发工艺在导电衬底层下表面制备Ti/Al/Ti/Au底电极，并通过880℃3min退火工艺实现欧姆接触；通过CVD外延直接在宽禁带半导体结构层上制备用于可见探测的MoS2吸收层；通过光刻工艺将MoS

可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，仅具体描述了本申请的技术原理，这些描述只是为了解释本申请的原理，不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处解释，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其他具体实施方式，均应包含在本申请的保护范围之内。