电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件制造技术

本专利公开一种电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件，该器件由半导体衬底上依次生长半导体外延层，钝化保护层和正负电极金属层构成。该器件基于电磁诱导势阱、远禁带下室温光电导机制，选用适宜参数(载流子浓度，迁移率等)的半导体材料，通过理论分析，设计合理的器件尺寸，通过前放电路对光电信号进行放大读出，实现高速光信号到电信号转换及探测。具有可室温工作，远小于半导体禁带下产生较强光电导，灵敏度高，响应迅速，结构简单紧凑以及可大规模集成等优点。

【技术实现步骤摘要】
电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件
本专利涉及光电转换器件领域，具体涉及一种电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件。
技术介绍
由光信息到电信号的转换是光电研究领域的关键基础。目前各种广泛应用的商用半导体光电探测器展现出高信噪比、快响应速度等优点。他们已经在光学通信、探测成像、天文、生物、医学，以及非破坏性材料表征等应用领域表现出很强的吸引力。然而，传统的光电探测存在着波长(光子能量)选择性的问题：为了激发出载流子，所探测光子必须具备足够能量以激发导带与价带之间的跃迁、子带之间的跃迁或者杂质带跃迁，并且，室温环境中，由于热噪声能量的存在，使得在长波(低能)光子探测时，热噪声激发与光学激发形成竞争机制，从而探测效率显著下降。目前，在中远红外电磁波段，基于传统光电导的光子探测需低温(4.2K，77K)甚至是深低温(100-300mK)制冷。并且人们普遍认为，由远小于半导体禁带能量的光子直接激发的室温光电导机制是不可能实现的。本专利充分考虑到了实际光电转换器件对于响应时间，工作温度，结构难易，信噪比的要求，提出并设计了一种电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件，具有响应时间短，室温工作，结构简单紧凑等优点，可现对于电磁信号的直接光电转换，并且通过改变器件的结构尺寸还可以改变探测器所工作的中心波长范围。该器件基于电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导机制，选用参数(载流子浓度、迁移率等)合理的半导体材料，进行光刻、腐蚀、溅射等工艺制作，使用前置放大器进行放大读出，克服了传统的基于带间跃迁，子带能级跃迁，以及杂质带激发产生光电导的限制，解决了室温下远小于禁带能量光子不能直接产生光电导这一难题。
技术实现思路
针对长波(低能)光子探测时，热噪声激发与光学激发形成竞争机制，从而使得器件转换效率显著下降，需低温工作，结构复杂，信噪比低等问题，本专利提出一种电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件，该器件便于大规模集成，使得线阵和面阵探测成为可能。本专利采用的技术方案为：一种电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件结构为在半导体衬底1上依次生长半导体外延层2、下钝化保护层3、上钝化保护层4，在半导体衬底1和上钝化保护层4的表面以及半导体外延层2和下钝化保护层3的侧面分别生长呈左右对称分布的扇形的正电极层5和扇形的负电极层6；其中：所述的半导体衬底1的厚度为0.9-1.5mm，材料为碲锌镉或磷化铟；所述的半导体外延层2的厚度为1-20μm，材料为碲镉汞或铟镓砷；所述的下钝化保护层3的厚度为50-150nm，材料为碲化镉或氮化硅；所述的上钝化保护层4的厚度为150-250nm，材料为硫化锌，该层当下钝化保护层3的材料为碲化镉时才需要，当下钝化保护层(3)的材料为氮化硅时无需上钝化保护层4。所述的正电极层5和负电极层6为溅射铬金合金层，厚度为300-400nm，电极间距为10-50μm，由铬金正负电极层覆盖在半导体外延层2形成的台阶的表面和边缘，形成金属-半导体-金属结构，并在接触处形成欧姆接触，其中大部分的电极层都生长在台阶两侧的表面上；正电极层5和负电极层6围绕器件两边分别呈和形状镜像对称分布；器件探测波长远大于该器件结构中正电极层5，负电极层6和半导体外延层2所形成的金属-半导体-金属结构的敏感元长度；所述的正电极层5和负电极层6的上端面形成左右对称的扇形天线，具体尺寸为：扇形天线圆弧对应的两个圆心分别位于敏感元左右两边的边界线上，敏感元长度即左右扇形的间距d的大小为10-50μm，敏感元宽度大小w为20-100μm，扇形电极两边压住台面两侧表面的长度t的大小为15μm，圆弧张角θ由关系式tan(θ/2)＝w/2t来确定，扇形半径R为0.1-1mm。本专利具有如下优点：1、器件可在室温环境下工作，通过适当制冷还可提高器件的性能。2、器件突破传统光电导机制，实现在远小于禁带下的室温光电导。3、器件结构简单紧凑，便于大规模集成，发展多元探测器件。4、器件灵敏度高，工作效率高。附图说明附图1为探测器原理示意简图。附图2为扇形对称电极示意简图。附图中标号为：1为半导体衬底层，2为半导体外延层，3为下钝化保护层，4为上钝化保护层，5为正电极层，6为负电极层。具体实施方式以下结合附图1对本专利进行进一步详述:附图1为本探测器结构示意简图。电磁波信号被金属-半导体-金属亚波长结构耦合之后，电磁波反对称模式在半导体材料中诱导出势阱，束缚住来自于金属中的自由载流子，从而使得半导体材料中载流子浓度发生改变，引起半导体层的电阻值发生变化，通过金属导线将信号与前放电路连接，将半导体层的电阻值变化转化成电压信号而进行放大读出，从而实现对电磁信号的探测。依照附图1所示的结构，制作了六种类型实施例探测器件。实施例探测器1为厚度0.9mm的碲锌镉衬底上依次生长厚度为1μm的碲镉汞外延本征层，厚度为50nm的碲化镉下钝化保护层，厚度为150nm的硫化锌上钝化保护层，厚度为300nm的铬金正电极层和负电极层，电极间距为10μm，正电极层和负电极层为左右对称的扇形天线，扇形天线圆弧对应的两个圆心分别位于敏感元左右两边的边界线上，敏感元长度即左右扇形的间距d的大小为10μm，敏感元宽度w为20μm，扇形电极两边压住台面两侧表面的长度t的大小为15μm，圆弧张角θ为67°，扇形半径R为0.1mm。实施例探测器2为厚度1.2mm的碲锌镉衬底上依次生长厚度为10μm的碲镉汞外延本征层，厚度为100nm的碲化镉下钝化保护层，厚度为200nm的硫化锌上钝化保护层，厚度为350nm的铬金正电极层和负电极层，电极间距为30μm，正电极层和负电极层为左右对称的扇形天线，扇形天线圆弧对应的两个圆心分别位于敏感元左右两边的边界线上，敏感元长度即左右扇形的间距d的大小为30μm，敏感元宽度w为60μm，扇形电极两边压住台面两侧表面的长度t的大小为15μm，圆弧张角θ为127°，扇形半径R为0.5mm。实施例探测器3为厚度1.5mm的碲锌镉衬底上依次生长厚度为20μm的碲镉汞外延本征层，厚度为150nm的碲化镉下钝化保护层，厚度为250nm的硫化锌上钝化保护层，厚度为400nm的铬金正电极层和负电极层，电极间距为50μm，正电极层和负电极层为左右对称的扇形天线，扇形天线圆弧对应的两个圆心分别位于敏感元左右两边的边界线上，敏感元长度即左右扇形的间距d的大小为50μm，敏感元宽度w为100μm，扇形电极两边压住台面两侧表面的长度t的大小为15μm，圆弧张角θ为147°，扇形半径R为1mm。实施例探测器4为厚度0.9mm的磷化铟衬底上依次生长厚度为1μm的铟镓砷外延本征层，厚度为50nm的氮化硅下钝化保护层，厚度为300nm的铬金正电极层和负电极层，电极间距为10μm，正电极层和负电极层为左右对称的扇形天线，扇形天线圆弧对应的两个圆心分别位于敏感元左右两边的边界线上，敏感元长度即左右扇形的间距d的大小为10μm，敏感元宽度w为20μm，扇形电极两边压住台面两侧表面的长度t的大小为15μm，圆弧张角θ为67°，扇形半径R为0.1mm。实施例探测器5为厚度1.2mm的磷化铟衬底上依次生长厚度为1.5μm的铟镓砷外延本征层，厚度为100nm的下钝化保护层，材料为氮化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件，其特征在于：所述的器件结构为在半导体衬底(1)上依次生长半导体外延层(2)、下钝化保护层(3)、上钝化保护层(4)，在半导体衬底(1)和上钝化保护层(4)的表面以及半导体外延层(2)和下钝化保护层(3)的侧面分别生长呈左右对称分布的扇形的正电极层(5)和扇形的负电极层(6)；其特征在于：所述的半导体衬底(1)的厚度为0.9‑1.5mm，材料为碲锌镉或磷化铟；所述的半导体外延层(2)的厚度为1‑20μm，材料为碲镉汞或铟镓砷；所述的下钝化保护层(3)的厚度为50‑150nm，材料为碲化镉或氮化硅；所述的上钝化保护层(4)的厚度为150‑250nm，材料为硫化锌，该层当下钝化保护层(3)的材料为碲化镉时才需要，当下钝化保护层(3)的材料为氮化硅时无需上钝化保护层(4)。

【技术特征摘要】
1.一种电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件，其特征在于：所述的器件结构为在半导体衬底(1)上依次生长半导体外延层(2)、下钝化保护层(3)、上钝化保护层(4)，在半导体衬底(1)和上钝化保护层(4)的表面以及半导体外延层(2)和下钝化保护层(3)的侧面分别生长呈左右对称分布的扇形的正电极层(5)和扇形的负电极层(6)；其特征在于：所述的半导体衬底(1)的厚度为0.9-1.5mm，材料为碲锌镉或磷化铟；所述的半导体外延层(2)的厚度为1-20μm，材料为碲镉汞或铟镓砷；所述的下钝化保护层(3)的厚度为50-150nm，材料为碲化镉或氮化硅；所述的上钝化保护层(4)的厚度为150-250nm，材料为硫化锌，该层当下钝化保护层(3)的材料为碲化镉时才需要，当下钝化保护层(3)的材料为氮化硅时无需上钝化保护层(4)。2.根据权利要求1所述的一种电磁诱导势阱半导体禁带下室温光电导探测器件，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志明，周炜，姚娘娟，曲越，吴敬，高艳卿，黄敬国，张飞，尹一鸣，褚君浩，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：上海,31