基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件及其制备方法，所述光电探测器件包括顶电极、非晶氮化物半导体层、p型硅层以及底电极，其p型硅层与非晶氮化物半导体层构成异质结。其中非晶氮化物半导体层为非晶SnNx层，其中，x＝0.8‑1.4。本发明专利技术采用具有宽光谱吸收特征的非晶态SnNx薄膜材料，实现280～1150nm紫外‑可见‑近红外波段宽谱光电探测。其中350～1150nm波长范围内灵敏度超过100％。本发明专利技术的探测器在905nm响应度为32A/W，外量子效率为4000％；其器件的响应和下降时间分别为8和9ms。由此可见本探测器可用于光谱仪、成像器件，激光雷达等领域。

【技术实现步骤摘要】
基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件及其制备方法
本专利技术涉及光电探测器领域，尤其涉及一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件及其制备方法。
技术介绍
光电探测器是一种能够将光信号转变为电信号的光电器件，在通信、医疗、热成像、环境监测和国防科技领域都具有广泛的应用。例如，目前正在快速发展的无人驾驶技术使用的激光雷达设备，光电探测器是必不可少的重要元件。激光雷达一般采用波长为905nm或1550nm的红外光，需要非常灵敏和快速响应的光电探测器。智能终端(手机，智能锁)等涉及的指纹识别技术，特别是手机“屏下光学指纹识别技术”，同样需要高性能光电探测器。以硅(Si)为代表的IV族半导体材料，在半导体行业占据重要的地位，硅基光探测器是目前最成熟的商用器件，具有良好的光响应特性，较高的探测灵敏度，低的暗电流，响应快速等优点，广泛应用在光谱仪、夜间监控、红外导引、光通信等领域。例如使用905nm波长的激光雷达技术中，主要采用硅基光探测器。大气衰减(在所有天气条件下)、空气中粒子的散射以及目标表面的反射率都与波长有关。由于有各种各样可能的天气条件和反射表面，对于这些条件下汽车激光雷达波长的选择来说是一个复杂的问题。在大多数实际情况下，905nm处的光损失更小，因为在1550nm处的水分的吸收率比905nm处要大。然而目前商用硅基结型光电探测器响应度低于1A/W，难以满足更加灵敏的光探测需求。此外，由于硅对900nm以上的近红外光吸收不够强，极大限制了硅在宽带光探测器中的应用。国内外很多研究小组开展了硅基异质结光探测器研究。例如，美国佐治亚理工学院王中林院士等在《先进材料》(AdvancedMaterials，2017年,29卷，1701412页)报道了p型Si与n型ZnO纳米线阵列异质结光探测器，在低电压(-2V)下，波长为1060nm近红外光对应的器件灵敏度达到4000％。中国石油大学(华东)凌翠翠等人在《氧化锌/硅p-n异质结紫外光探测器及其制备方法》(申请号201610021014.0)提供了一种纳米氧化锌/硅薄膜形成的p-n异型异质结的高性能紫外光探测器。在365nm紫外光照下光电流与暗电流之比(开关比)～10000％，响应时间约为～0.125秒。上海大学王林军等人在《一种硅基ZnS薄膜紫外可见光光电探测器的制备方法》(专利号ZL201410001041.2)，提供了一种硅基ZnS薄膜紫外可见光探测器的制备方法。本专利技术的专利技术人发现，现有技术中的光电探测器材料均为多晶或单晶，晶态材料光响应范围仅限于带隙以上，因此器件存在着难以在宽波长范围实现高灵敏探测的不足之处；此外，材料制备方法难以与现有主流的半导体工艺兼容。III-V族氮化物是重要的半导体材料，例如GaN，AlGaN材料在发光和光电探测器件等方面占据重要的一席之地。氮化锡属于IV族氮化物半导体，在电致变色，锂离子电池等方面具有应用。例如，汪涛在《一种用于锂电池的氮化锡/硅负极材料及其制备方法》(申请号：201711013690.4)提供一种面向锂电池应用的氮化锡/硅负极材料制备方法。但是并未涉及如何应用于光探测器件。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的之一是：提供一种高量子效率、快速响应、紫外-可见-近红外宽波段(280～1150nm)，均具有高灵敏响应的光探测器及其制作方法。其中半导体材料的组成为非晶氮化锡薄膜，与p型硅衬底形成异质结构。相对于晶态材料而言，非晶半导体具有宽光谱吸收的特点，可实现更宽波段的光电响应。基于上述目的，本专利技术至少提出如下技术方案：一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件，其包括，底电极、p型硅衬底层、非晶氮化物半导体薄膜以及顶电极，所述p型硅衬底层与所述非晶氮化物半导体薄膜构成异质结。进一步的，所述非晶氮化物半导体薄膜为非晶SnNx，其中x＝0.8-1.4。进一步的，所述非晶SnNx中，x＝0.9或1.1。进一步的，所述p型硅衬底层的厚度为200～400μm，所述非晶氮化物半导体薄膜的厚度为80-200nm。进一步的，所述底电极为Al、Au、Ag或Pt；所述顶电极为ITO、AZO或FTO，所述底电极的厚度为50-100nm，所述顶电极的厚度为80-120nm。一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件，所述光电探测器对350-1150nm范围的光具有超过100％的外量子效率。一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件的制备方法，其包括以下步骤：取p型硅衬底，清洗去除其衬底表面的有机污染物；采用磁控溅射法，在所述p型硅衬底的表面生长非晶氮化物半导体薄膜；采用磁控溅射法在所述非晶氮化物半导体薄膜的表面生长顶电极；采用电子束蒸发技术在所述p型硅衬底的表面沉积底电极，以形成所述光电探测器。进一步的，所述非晶氮化物半导体薄膜的生长具体包括：所述磁控溅射的真空腔室的本底真空度为10-3～10-6Pa，以金属锡为靶材，在氩气-氮气的混合气体中进行磁控溅射。进一步的，所述非晶氮化物半导体薄膜的生长具体包括：所述氩气-氮气的混合气体中，所述氮气占所述混合气体的体积比例为10％～30％，所述混合气体总压强为0.1～20Pa，溅射功率为30～150W，沉积温度为30～300℃。进一步的，所述光电探测器在制备结束后，在200～500℃条件下进行原位退火10～30分钟。本专利技术的有益效果至少如下：本专利技术所提供的基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件可以对紫外-可见-近红外宽波段(280～1150nm)，特别是对350～1150nm波长范围的波段，实现高灵敏、快速探测以及响应速度快的优点；并且该光电探测器外量子效率高，特别是对350-1150nm范围的波段具有超过100％的外量子效率；该探测器的制备通过简单的气氛含量控制便可实现不同元素组分的非晶氮化锡薄膜的生长，其工艺简单可控、成本低廉，适合于工业生产。并且该生长工艺能够实现低温生长，所获得的器件性能优异，可应用于光谱仪、指纹识别、激光雷达等光电器件检测器和传感器领域。附图说明图1是本专利技术p-Si/非晶SnNx异质结光电探测器件结构示意图。图2是本专利技术实施例1的p-Si/非晶SnNx(x＝0.9)异质结光电探测器件在近红外光(825nm)照射下以及暗室条件下的电流-电压曲线图。图3是本专利技术实施例1的p-Si/非晶SnNx(x＝0.9)异质结光电探测器件在不同波长、偏压为1V条件下的性能测试图。图4是本专利技术实施例2的p-Si/非晶SnNx(x＝1.1)异质结光电探测器件在不同波长、偏压为1V条件下的性能测试图。图5是本专利技术实施例1的p-Si/非晶SnNx(x＝0.9)异质结光电探测器件在偏压为1V条件下的上升和下降时间图。具体实施方式以下将参照附图和实施例对本专利技术进行详细描述。图1是本专利技术的基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器的结构示意图。如图1所示，本专利技术的基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器包括顶电极1、非晶氮化物层2、p型硅层3以及底电极4。其中，p型硅层3采用电阻率为1～10Ω·cm的p型Si，厚度选用200～400微米。其底电极4形成在p型硅层3的一侧上，其底电极4可以是Al、Au、Ag或Pt，优选Al，其底电极4的厚度范围为50-100nm。其用于电信号的采集。其p型硅层3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件，其特征在于，其包括，底电极、p型硅衬底层、非晶氮化物半导体薄膜以及顶电极，所述p型硅衬底层与所述非晶氮化物半导体薄膜构成异质结。

【技术特征摘要】
1.一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件，其特征在于，其包括，底电极、p型硅衬底层、非晶氮化物半导体薄膜以及顶电极，所述p型硅衬底层与所述非晶氮化物半导体薄膜构成异质结。2.根据权利要求1的所述光电探测器件，其特征在于，所述非晶氮化物半导体薄膜为非晶SnNx，其中x＝0.8-1.4。3.根据权利要求2的所述光电探测器件，其特征在于，所述非晶SnNx中，x＝0.9或1.1。4.根据权利要求1-3之一的所述光电探测器件，其特征在于，所述p型硅衬底层的厚度为200～400μm，所述非晶氮化物半导体薄膜的厚度为80-200nm。5.根据权利要求1-3之一的所述光电探测器，其特征在于，所述底电极为Al、Au、Ag或Pt；所述顶电极为ITO、AZO或FTO，所述底电极的厚度为50-100nm，所述顶电极的厚度为80-120nm。6.一种基于非晶氮化物薄膜的宽谱光电探测器件，其特征在于，所述光电探测器对350-1150nm范围的光具有超过100％的外量子效率。7.一种基于非晶氮化...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘书生，刘志宇，葛军，姚玲敏，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东,44