基于AlScN的宽光谱光电探测器

本发明特别涉及一种基于alscn的宽光谱光电探测器，属于光电探测。

背景技术：

1、光电探测器（pds）是一类将光转换为电信号（通常为电流或电压形式）的传感器。如今，光电探测器已经广泛应用于航天、航空、军事、科学研究、医药卫生和工业生产等各个领域中。例如：光电探测器是光通信系统中的重要组成部分，信息时代的蓬勃发展对光电探测器在成本及响应速度上提出越来越高的要求。具有弱光检测能力（如单光子探测）的光电探测器在天文学、光谱学、激光测距、导弹制导等领域具有重要应用价值。此外，光电探测器还可与人工智能结合，使机器具有类人的五官和大脑功能，可感知各种现象，完成各种动作，作为感受器的光电探测器可以说是整个系统中最为关键的部分。为了满足不同领域的应用需求，人们研发了p-n结光电二极管、pin光电二极管、雪崩光电二极管、金属-半导体-金属光电探测器（msm-pds）等不同结构的光电探测器，其中金属-半导体-金属光电探测器（msm-pds）器件制作工艺简单，并且由于自身结构特点具有高速、高响应等特性。光电器件的性能通过一系列品质因数来评估，包括响应率、响应速度、探测率、量子效率和噪声，这些品质因数主要取决于器件结构，但更多取决于半导体光电材料。

2、传统的金属-半导体-金属光电探测器（msm-pds）光电探测器类型根据工作原理的不同可分为光伏型和光电导型。光伏探测器是利用半导体pn结的光伏效应制成的器件，也称为结型光电器件，其品种很多，包括光电池、光电二极管、光电晶体管等。这类探测器在紫外、可见光、近红外、中波红和远红外这些光学波段上展开应用，通过光电探测器将光信号的变化变成电信号输出。光伏探测器在应用时可不加偏压，或加反向偏压。光电导探测器则是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途，尤其在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

3、光伏探测器和光电导探测器的主要区别在于它们产生光电变换的部位、极性、外加偏压需求、响应速度和频响响应特性。产生光电变换的部位不同：光电导探测器是均值型，无论光照在它的哪一部分，受光部分的电导率都要增大；而光伏探测器是结型，只有到达结区附近的光才产生光伏效应。极性不同：光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压；光伏探测器有确定的正负极，不需外加偏压也可以把光信号变为电信号。响应速度和频响响应特性不同：光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的多子产生与复合运动，弛豫时间较大，因此响应速度慢，频率响应性能较差；而光伏探测器的光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运动，弛豫时间较小，因此响应速度快，频响响应特性好。

4、通常的金属-半导体-金属光电探测器（msm-pds）以半导体作为光吸收层，当入射光子能量低于半导体材料带隙时，半导体材料不能产生本征激发，这限制了一些较宽带隙或宽带隙半导体材料在可见和红外波段探测领域的应用。利用金属热载流子发射机制可以突破这一限制，尤其是近年来具有超表面结构的完美吸收器的出现使宽带隙半导体材料实现宽光谱光电探测成为可能。所述完美吸收器是一种可将入射电磁波完全吸收而不发生反射和透射的器件，它是一种垂直型的金属-电介质-金属结构，其顶部金属是一种超表面结构，用来高效激发等离激元，使入射光在金属结构周围被高效捕获，这种垂直型特殊结构不仅比平直型器件能产生更多的热载流子，并且可以通过设计超表面结构达到选择性吸收入射光。

5、近年来随着科学技术的不断进步，对器件微型化和电子集成化的需求越来越迫切，人们对光电探测技术要求越来越高，而新兴材料的大量涌现使光电探测器在性能上得到了迅猛发展。其中，铁电材料因其响应性强、极化可调、结构简单等优点而受到关注。铁电材料通常是指具有铁电效应的晶体材料或有机材料，当铁电材料受到电场作用后，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变，当施加电场大于一定值时，再撤去电场后，材料内部的极化电荷仍会被保留，形成一个可恢复、持久的电偶极矩，这种现象叫铁电效应。在一些铁电材料中，人们发现其沿着极化的方向能产生稳定的光伏效应。一般认为，铁电材料的光伏效应起源于其自发极化，铁电光伏的显著特点之一就是当极化方向在电场作用下转变的时候，光生电流也随之发生转变，而且在铁电材料内部光生电流的方向始终与极化方向相反。

6、铁电光伏效应与传统的 p-n 结所不同的是：在传统的 p-n 结中，光激发的电子空穴对被 p-n 结中的内建场迅速分离，向相反的方向作漂移运动，最后到达电极，然后被电极收集起来。理论上，p-n 结所产生的光生电压受到半导体带隙宽度的限制，对于铁电光伏效应而言，实验上得到的光生电压正比于极化强度以及电极之间的距离，而不受带隙宽度的限制可以达到 104 v。当铁电材料与电极接触形成肖特基势垒时，界面处能带将会弯曲，光照下产生的电子空穴对将被电极附近局部电场驱动，产生的光电流很大程度是由肖特基势垒和耗尽层的深度决定。根据这一模型，在肖特基势垒内部所产生光生电压的大小依然局限于铁电材料的带隙，在研究铁电光伏效应的早期阶段肖特基效应所引起的电压常被忽略，是因为它远远低于大部分铁电晶体中的反常光生电压。但肖特基效应在铁电薄膜光伏型器件中变得越来越重要，因为这些器件中的光伏电压输出通常比较小。

7、一般来说，由相同电极与铁电材料构成的具有三明治结构的铁电光伏器件中，肖特基势垒产生光电流的贡献是不存在的，因为由上下两个相同的电极与铁电材料所构成的两个肖特基结是背靠背的，相互遏制，因此所产生的光生电压和电流相抵消。然而，若采用不同类型的电极，可以实现具有垂直结构的铁电光伏器件中光伏效应的增强。由于肖特基结效应与铁电材料的极化方向无关，根据这一特点就可以区分肖特基结和体光伏效应对光电流的贡献。然而一些研究者认为，肖特基势垒的高度可以通过对铁电材料施加电场改变其极化方向来进行调控。并且，当肖特基势垒和铁电材料的极化方向发生转变的时候，光生电压的符号也随之发生转变。

8、目前，铁电体经常被引入到能量收集、非易失性存储器和逻辑器件中。在光电探测领域，将铁电体集成到器件中，以增强光-物质相互作用、能带弯曲和控制局部空间中的载流子运动，甚至在一些情况下，我们无需加载外置偏压，仅依赖铁电材料的内建电场便可实现激子和自由电子或空穴的分离，即具有自供电效应。一些铁电体在输入(如偏振光吸收率)和输出(如不同晶相的迁移率和电导率)方面表现出很大的各向异性，更重要的是，铁电极化效应诱导的局域场可以抑制光生载流子的复合，提高收集效率。过去，对铁电材料的研究主要集中在传统的块状钙钛矿材料上。然而，由于传统铁电材料的临界尺寸效应，铁电极化会在纳米尺度上被打破，这阻碍了铁电材料在微纳器件中的应用，同时钙钛矿铁电材料的稳定性与器件可靠性也存在不可忽视的问题。因此，我们期待一种具有光伏响应的稳定且易于微型化集成的半导体铁电材料。

9、为了适应不同领域对于探测器工作波段、响应速度、响应率等性能的不同需求，人们对基于不同半导体材料的msm-pds展开了大量研究。 msm-pds的探索范围覆盖了从紫外到红外波段，其中基于gaas、ingaas、si/ge等材料的msm-pds常用于探测可见光和红外光，基于gan、zno、algan等宽带隙半导体用于探测紫外光。

10、关于msm-pds的基本结构分为两种。第一种为共面型结构，共面型器电极通常由分立的金属叉指构成，两组电极位于半导体一侧同一平面。在共面msm-pds 中所使用的传统半导体材料，光吸收层深处电场较弱，产生的光生载流子到达电极之前在弱电场作用下要传输很长的距离，载流子的收集慢，导致器件性能的降低。因此为了增强半导体区内部电场，有人提出一种由两个背靠背串联的肖特基二极管组成的肖特基型msm-pds，由于两个肖特基势垒内建电场方向相反，大小不同，因此会在半导体中产生一个净电场，增加载流子的漂移速度。此外，共面msm-pds顶部具有亚波长狭缝的叉指电极对光吸收能力弱，可以通过改善器件结构增强光的吸收。例如将表面电极做成光栅结构或在半导体底部引入布拉格反射镜或在半导体表面引入金属纳米粒子等。第二种为垂直型结构，金属电极位于半导体的两侧，通常顶部电极必须做到足够薄，这样不会影响半导体对光信号的吸收，有利于载流子传输。在垂直型msm-pds中两电极之间的距离由半导体厚度决定，结合半导体外延生长技术更容易获得可控的电极距离，有利于降低载流子传输距离，从而获得更高的响应速度。

11、目前已经研究的msm-pds型光电探测器主要是共面光电导型msm-pds，通常电极之间的距离较远，电极之间的间距与光生载流子渡越时间成正比，因此响应时间长，若电极之间距离太近，会产生较大的暗电流。

12、zno具备优异的光电性能，已有研究人员在垂直光伏型msm-pds使用zno作为光接收层，zno本征呈n型，其n型掺杂工艺成熟，但p型掺杂困难，阻碍了p-zno的实际应用。最近基于铁电钙钛矿材料的垂直光伏型msm-pds可以在低偏压和零偏压下工作，具有功耗低，响应快等特点。其结构通常由透明顶电极、钙钛矿层、不透明底电极构成。尽管钙钛矿已成为优良的光敏半导体，但其在光探测领域的应用面临着严峻的挑战。第一、由于固溶工艺的原因，这类材料容易产生缺陷从而使光电探测器产生复合损失，更大的泄漏/暗电流，和可扩展性等问题。第二、它们与传统半导体工艺的兼容性以及在紫外线照射、湿度、温度和毒性方面的稳定性仍然存在挑战和未解决的问题，限制了它们与现有平台的兼容。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种基于alscn的宽光谱光电探测器，从而克服现有技术中的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明实施例提供了一种基于alscn的宽光谱光电探测器，其包括：alscn光吸收层以及底电极、顶电极，所述底电极设置在所述alscn光吸收层的第一面，所述底电极与所述alscn光吸收层形成肖特基接触，所述顶电极设置在所述alscn光吸收层的第二面，所述顶电极与所述alscn光吸收层形成欧姆接触，所述alscn光吸收层内部的内建电场可以帮助或抑制载流子的漂移运动，而使所述宽光谱光电探测器可以在无外置偏压情况下工作，其中，所述第一面和所述第二面背对设置。

4、进一步的，当所述alscn光吸收层内部极化诱导的第一内建电场与所述底电极和所述alscn光吸收层接触形成的肖特基势垒的第二内建电场同向时，所述肖特基势垒的高度升高，耗尽区的宽度增大，所述底电极的热载流子难以越过所述肖特基势垒进入所述alscn光吸收层，所述顶电极中的热电子的漂移运动被所述第一内建电场抑制，所述顶电极中的热空穴在所述alscn光吸收层内部的第一内建电场、所述第二内建电场的帮助下达到所述底电极；

5、当所述alscn光吸收层内部极化诱导的第一内建电场与所述底电极和所述alscn光吸收层接触形成的肖特基势垒的第二内建电场反向时，所述肖特基势垒的高度降低，耗尽区的宽度变窄，所述顶电极的热载流子在所述第一内建电场的帮助下越过所述肖特基势垒到达所述底电极。

6、进一步的，所述alscn光吸收层所含alscn中的sc含量为5%~40%。

7、更进一步的，所述alscn光吸收层所含alscn中的sc含量为20%~32%。

8、进一步的，所述alscn光吸收层的禁带宽度为3.4 ev ~5.8ev。

9、进一步的，所述alscn光吸收层的厚度为20nm~200nm。

10、进一步的，所述顶电极具有超表面结构，所述顶电极能够与可见光波段、红外波段的电磁波产生共振，从而激发形成热电子。

11、更进一步的，所述顶电极背对所述alscn光吸收层的表面具有陈列分布的多个圆形槽孔。

12、进一步的，所述顶电极的材质包括in、mo、pt、au、cu、al、ag中的至少一种或由两者以上形成的合金，但不限于此。

13、进一步的，所述底电极为平面薄膜结构。

14、进一步的，所述底电极的材质包括tin、al、ag、pt、mo、cr、cu中的至少一种，但不限于此。

15、在一较为具体的实施方案中，所述基于alscn的宽光谱光电探测器还包括基底，所述底电极设置在所述基底上。

16、进一步的，所述基底包括蓝宝石基底、si基底、gan基底中的一者，但不限于此。

17、与现有技术相比，本发明的优点包括：

18、本发明实施例所提出的基于alscn的msm-pds型光电探测器是一种利用alscn可切换的晶胞自发极化调控势垒同时帮助或抑制载流子的输运，从而获取光信息的光伏型光电探测技术，本发明结合了alscn的优越性和特殊性，具有宽光谱探测、可靠性高、体积小、低能耗等特点。

19、本发所提出的垂直型msm-pds 是一种基于alscn的具有超表面结构的光伏型光电探测器，具有铁电性的alscn的极化诱导内建电场可以帮助或抑制载流子的收集以及调制肖特基势垒高度，顶部的金属超表面结构将增强光的吸收。

20、本发明提出的基于alscn光电探测器是一种可无需外部偏压分离光生电子-空穴对的光电探测器，alscn的禁带宽度根据sc含量的不同在3.4~4.5ev之间变化，能对紫外电磁波进行有效响应，同时引入了超表面结构，器件整体构成完美吸收器；金属中的热电子注入能探测可见和红外波段的电磁波，对研发轻便，低功耗，多功能光电探测器的发展具有十分重要的意义。