一种可见-红外双波段光电探测器

1.本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种可见-红外双波段光电探测器。


背景技术：

2.硅基光电探测器作为可见光和近红外波段探测器件的主力军,具有效率高、功耗低、体积小、抗震动、价格低廉和易于和电路集成等优点,在各领域中被广泛应用。由于硅的带隙宽度约为1.1ev，硅在可见光和近红外波段存在响应，但对于能量小于1.1ev的光子，由于硅材料的禁带宽度相对较大，导致硅光电探测器在中远红外波段的光吸收几乎为零，在一定程度上制约了硅基光电探测器在波长大于1.1μm的近红外及中远红外光波段的发展，且目前现有的硅基光电探测器主要进行单波段光谱探测，探测光谱范围受到限制，在宽波段探测中具有局限性，限制了其在一些领域的应用。


技术实现要素：

3.本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器，对红外波段光线进行高量子转换效率的吸收探测的同时实现可见-红外双波段探测。本发明与传统探测器相比可大幅提高探测光谱范围，扩展应用领域。
4.本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器，包括：
5.半导体衬底层；
6.位于所述半导体衬底层一面的金属反射层，所述金属反射层贴合所述半导体衬底层的一侧设有反射面结构；
7.位于所述半导体衬底层相对的另一面上的第一型半导体层；
8.间隔设置在所述第一型半导体层上的微结构层和第二型半导体层；
9.位于所述微结构层上的第一阳极；
10.位于所述第二型半导体层上的第三型半导体层；
11.位于所述第三型半导体层上的第一阴极，所述第一阴极具有用于光通过的镂空结构；
12.位于所述第一型半导体层上且与所述第一阴极、所述第一阳极分别间隔设置的第二阴极和第二阳极，所述第一阳极和所述第二阴极构成一组电极，所述第二阳极和所述第一阴极构成另一组电极。
13.作为一种可选的方案，所述半导体衬底层的材料为硅、锗、soi中的一种，所述第一型半导体层为p型半导体层或n型半导体层，所述第二型半导体层为i型本征，所述第三型半导体层为n型半导体层或p型半导体层。
14.作为一种可选的方案，所述的绝缘层的材料为聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂或sio2中的任一种。
15.作为一种可选的方案，所述第一阳极、第一阴极、第二阳极和第二阴极的材料为金、银、铜、铝、铬、镍、钛中的一种或几种的合金。
16.作为一种可选的方案，所述p型半导体层掺杂离子为b
3+
，所述n型半导体层掺杂离子为p
5+
或as
5+
。
17.作为一种可选的方案，所述微结构层为直接在硅上镀相应金属形成合金薄膜、多孔硅上镀相应金属形成合金薄膜、光栅结构的硅上镀相应金属形成合金薄膜、或黑磷和石墨烯构成的二维材料上镀相应金属中的一种或几种，所述合金薄膜为ptsi或pt2si，所述相应金属为pt。
18.作为一种可选的方案，所述反射面结构位于所述金属反射层的几何中心处，所述反射面结构、所述镂空结构、所述第二型半导体层、所述第三半导体层在竖直方向中线共线。
19.作为一种可选的方案，所述可见-红外双波段光电探测器的横截面为圆形、方形或六边形。
20.作为一种可选的方案，所述反射面结构为锥形体。
21.作为一种可选的方案，包括：台阶型结构，所述台阶型结构包括一位于所述第一型半导体层几何中心位置的第一凸台和位于所述第一凸台的几何中心位置的第二凸台，所述第一阳极、所述第二阳极和所述微结构层位于所述第一凸台上，所述第一阴极、所述第二型半导体层位于所述第二凸台上，所述第一阳极和所述第二阳极之间设有绝缘层。
22.作为一种可选的方案，包括：平面型结构，所述平面型结构包括位于所述第一型半导体层上且围绕所述二型半导体层设置的第三凸台，所述微结构层和所述第二阳极位于所述第三凸台上，所述第一阳极、所述第一阴极和所述第二阳极位于同一水平面上。
23.本发明实施例中提供的可见-红外双波段光电探测器，利用pin光电探测结构和金属-半导体接触界面势垒结构，在实现提高中远红外波段量子效率的同时实现光电探测器的可见-红外双波段探测的功能。其好处是光垂直入射时，可见光通过pin结构进行充分吸收探测，由于硅对红外波段的光具有良好的透过性能，红外波段光线穿过衬底层，通过金属薄膜反射层进行反射，将红外波段光线反射到微结构层，利用微结构层特性增强对红外波段光线的吸收，使载流子获得能量跃迁至费米能级，越过势垒进入半导体衬底，使电子和空穴分别被两侧金属电极收集，对红外波段光线进行高量子转换效率的吸收探测，实现可见-红外双波段探测。本发明与传统探测器相比可大幅提高探测光谱范围，拓宽应用领域。
附图说明
24.图1为本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器的结构纵向剖面图；
25.图2a为本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器的圆形形状俯视图；
26.图2b为本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器的方形形状俯视图；
27.图2c为本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器的六边形形状俯视图；
28.图3为本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器的工作光路示意图；
29.图4为本发明实施例中提供另一种可见-红外双波段光电探测器的结构纵向剖面图；
30.图5为本发明实施例中提供另一种可见-红外双波段光电探测器的工作光路示意图；
31.图6a为本发明实施例中提供另一种可见-红外双波段光电探测器的圆形形状俯视图；
32.图6b为本发明实施例中提供另一种可见-红外双波段光电探测器的方形形状俯视图；
33.图6c为本发明实施例中提供另一种可见-红外双波段光电探测器的六边形形状俯视图；
34.图7a为本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器中微结构层的结构示意图；
35.图7b为本发明实施例中提供另一种可见-红外双波段光电探测器中微结构层的结构示意图；
36.图7c为本发明实施例中提供再一种可见-红外双波段光电探测器中微结构层的结构示意图；
37.图7d为本发明实施例中提供又一种可见-红外双波段光电探测器中微结构层的结构示意图。
具体实施方式
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
39.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
40.结合图1所示，本发明实施例中提供一种可见-红外双波段光电探测器，包括：
41.半导体衬底层6；
42.位于所述半导体衬底层6一面的金属反射层7，所述金属反射层7贴合所述半导体衬底层6的一侧设有反射面结构；
43.位于所述半导体衬底层6相对的另一面上的第一型半导体层5；
44.间隔设置在所述第一型半导体层5上的微结构层4和第二型半导体层3；
45.位于所述微结构层4上的第一阳极10；
46.位于所述第二型半导体层3上的第三型半导体层2；
47.位于所述第三型半导体层2上的第一阴极1，所述第一阴极1具有用于光通过的镂
空结构，镂空结构可以是环形开口，用于光通过即可；
48.位于所述第一型半导体层5上且与所述第一阴极1、所述第一阳极10分别间隔设置的第二阴极9和第二阳极8，所述第一阳极10和所述第二阴极9构成一组电极，所述第二阳极8和所述第一阴极1构成另一组电极，并且两对电极互不相连。
49.需要说明的是，本发明实施例中提到的位置关系是以附图所展示的上下左右位置关系作为参考，方便理解。
50.作为一种可选的方案，所述半导体衬底层6的材料为硅、锗、soi(silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)中的一种，其中，soi可以实现集成电路中元器件的介质隔离，所述第一型半导体层5为p型半导体层或n型半导体层，所述第二型半导体层3为i型本征层，所述第三型半导体层2则对应为n型半导体层或p型半导体层，需要保证掺杂情况相反，即第一型半导体层5为p型半导体层则第三型半导体层2对应为n型半导体层，p型半导体层和n型半导体层的位置发生转换时，阴极和阳极发生相应转换。
51.通过本技术方案可以增强红外谱段光电转换效率的同时有效解决可见-红外双波段探测问题。通过采用pin结构，使可见光从顶层垂直入射到探测器吸收区，在p型(或n型)半导体层或者进入i型(本征)半导体层后被充分吸收探测，同时由于硅对红外波段的光具有良好的透过性能，采用金属反射层使透过的红外谱段光线反射至微结构硅层，使红外波段光线被充分吸收探测，让各谱段光进入各自完全吸收区，实现了双谱段探测，大幅度提高探测光谱范围，拓宽了应用领域。同时，通过合理设置微结构层的结构以及厚度，增强中远红外波段的吸收的同时提高光电转换效率。
52.本实施例中，所述的绝缘层11的材料可以为聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂或sio2中的任一种，本领域普通技术人员可以根据需要灵活选择，对此不做限定。
53.在本实施例中，所述p型半导体层掺杂离子为b
3+
，所述n型半导体层掺杂离子为p
5+
或as
5+
，本领域技术人员可以根据需要灵活选择，对此不做限定。
54.在一些实施例中，所述第一阳极10、第一阴极1、第二阳极8和第二阴极9的材料为金、银、铜、铝、铬、镍、钛中的一种或几种的合金。
55.在一些实施例中，所述反射面结构位于所述金属反射层的几何中心处，所述反射面结构、所述镂空结构、所述第二型半导体层3、所述第三半导体层2在竖直方向中线共线，所述反射面结构为锥形体。
56.进一步的，可见-红外双波段光电探测器的结构可分为两种，即台阶型结构和平面型结构，下面进行分别介绍。
57.结合图1和图3所示，在一些实施例中，台阶型结构包括一位于第一型半导体层5几何中心位置的第一凸台51和位于所述第一凸台51的几何中心位置的第二凸台52，所述第一阳极10、所述第二阳极8和所述微结构层4位于所述第一凸台51上，所述第一阴极1、所述第二型半导体层3位于所述第二凸台52上，第一阳极10和第二阳极8之间设有绝缘层11，绝缘层11为了隔绝开第一阳极10和第二阳极8，防止串扰，具体地，按照器件结构排布台阶型结构从上至下分别为：第一阴极1、第三型半导体层2、第二型半导体层3、第二阳极8、第二阴极9、第一阳极10、绝缘层11、微结构层4、第一型半导体层5、半导体衬底层6、金属反射层7。
58.结合图2a、图2b和图2c所示，在台阶型结构的一些实施例中，所述可见-红外双波段光电探测器的横截面为圆形、方形或六边形，电极包括阳极和阴极，相应地，对于电极的
形状也可以根据整体形状而相适应设计，例如在圆形时，电极可以沿着中心呈同心圆的方式间隔环绕，同样的，采用方形或者六边形时候可采取同心环绕的方式设置电极，阳极和阴极的形状分别为外环形、单条形、多条形、圆形、内圆环形、内多边形中的一种或几种的结合，可以根据需要进行选择。
59.结合图4和图5所示，在一些实施例中，所述平面型结构包括位于第一型半导体层5上且围绕所述二型半导体层3设置的第三凸台53，所述微结构层4和所述第二阳极位8于所述第三凸台53上，所述第一阳极10、所述第一阴极1和所述第二阳极8位于同一水平面上，具体地，平面型结构从上至下分别为：第一阴极1、第一阳极10、第三型半导体层2、微结构层4、第二型半导体层3、第一型半导体层5、第二阳极8、第二阴极9、半导体衬底层6、金属反射层7。
60.结合图6a、图6b和图6c所示，在平面型结构的一些实施例中，所述可见-红外双波段光电探测器的横截面为圆形、方形或六边形，电极包括阳极和阴极，相应地，对于电极的形状也可以根据整体形状而相适应设计，例如在圆形时，电极可以沿着中心呈同心圆的方式间隔环绕，同样的，采用方形或者六边形时候可采取同心环绕的方式设置电极，阳极和阴极的形状分别为外环形、单条形、多条形、圆形、内圆环形、内多边形中的一种或几种的结合，可以根据需要进行选择。
61.结合图7a、图7b、图7c和图7d所示，在一些实施例中，所述微结构层为在硅上镀相应金属形成合金薄膜、多孔硅上镀相应金属形成合金薄膜、光栅结构的硅上镀相应金属形成合金薄膜、或黑磷和石墨烯等构成的二维材料上镀相应金属中的一种或几种，所述合金薄膜为ptsi、pt2si等，所述相应金属为pt等，其中，13为金属pt薄膜，14为p型(或n型)硅层，15为多孔p型(或n型)硅层，16为光栅结构p型(或n型)硅层，17为p型(或n型)黑磷层(或石墨烯层)。
62.为提高中远红外波段的光电转换效率，设计采用微结构层，通常包含多孔结构、光学腔结构、光栅结构、二维材料等结构，通过增加比表面积、利用外场反射或利用表面等离激元增强对红外光的吸收，一定程度上提高光电转换效率，得到最佳量子效率和频率响应。
63.本发明的器件包括多个金属电极，多个掺杂层，主要将器件分为两部分:中间部分主要实现对可见光波段的高性能探测，从上至下依次是p型(或n型)半导体、i型(本征)半导体、n型(或p型)半导体；两侧部分主要实现红外波段的高性能探测，从上至下依次为微结构层、n型(或p型)半导体、衬底层和金属反射层。
64.本发明实施例中提供的可见-红外双波段探测器的工作原理，以第三型半导体层2为p型半导体层、第二型半导体层3为i型半导体层为例，加以介绍：
65.如图3和图7所示，光线进入探测器后，可见光部分在第三型半导体层2或者进入第二型半导体层3后被吸收；在红外波段由于半导体衬底层6中的硅对其具有良好的透过性能，红外谱段光线穿过半导体衬底层6，入射到金属反射层7上进行反射，将红外波段光线反射到微结构层4上被吸收。在可见光吸收区(pin结构)：p区和i区的光线以光注入的方式激发产生电子-空穴对，电子和空穴在电场的作用下迅速向n区和p区定向移动，形成光电流；在红外吸收区：对红外波段采用微结构的金属-半导体接触界面势垒结构，入射光经金属反射层7反射至微结构层4，对于n型半导体，金属与半导体接触后形成肖特基势垒结构，红外光子透过半导体层被微结构层吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒
进入半导体衬底，微结构层的电子被收集，完成红外探测；对于p型半导体，金属与半导体接触后形成欧姆接触，红外光子透过半导体层被微结构层吸收，空穴从金属进入半导体只有很小的势垒，比较小的电压就可以使空穴轻松越过势垒进入半导体，完成红外探测。电子和空穴最后被两侧金属电极收集，实现可见-红外双波段探测。
66.本发明实施例中提供的可见-红外双波段光电探测器，利用pin光电探测结构和金属-半导体接触界面势垒结构，在实现提高中远红外波段量子效率的同时实现光电探测器的可见-红外双波段探测的功能。其好处是光垂直入射时，可见光通过pin结构进行充分吸收探测，由于硅对红外波段的光具有良好的透过性能，红外波段光线穿过衬底层，通过金属薄膜反射层进行反射，将红外波段光线反射到微结构层，利用微结构层特性增强对红外波段光线的吸收，使载流子获得能量跃迁至费米能级，越过势垒进入半导体衬底，使电子和空穴分别被两侧金属电极收集，对红外波段光线进行高量子转换效率的吸收探测，实现可见-红外双波段探测。本发明与传统探测器相比可大幅提高探测光谱范围，拓宽应用领域。
67.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。