一种新型异质结光子型红外探测器及制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种新型的异质结光子型红外探测器及制备方法及应用，探测器包括从下到上的基底层、异质结层和最上层位于两侧的两个电极层，异质结层是由IV‑VI/II‑VI族化合物半导体构成的PbTe(SnTe)/CdTe、PbTe(SnTe)/ZnTe或PbSe(SnSe)/CdSe、PbSe(SnSe)/ZnSe异质结材料研制的。本发明专利技术以PbTe/CdTe等异质结界面二维电子气结构材料为基础，制备了一种FET结构光子型红外探测器。探测器的光响应来源于PbTe的本征响应，即光谱响应波段为1.2–4.0μm。得益于二维电子气高迁移率的特点，探测器的响应时间短，小于1μs。探测器的探测率高，在2μm处达到了3×10

A New Heterojunction Photonic Infrared Detector and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a novel heterojunction photonic infrared detector and its preparation method and application. The detector consists of two electrode layers located on both sides of the substrate layer, heterojunction layer and upper layer. The heterojunction layer is composed of PbTe (SnTe)/CdTe, PbTe (SnTe)/ZnTe or PbSe (Sn)/CdSe, PbSe (Sn)/ZnSe heterojunction materials composed of IV_VI/II_VI compound semiconductors. \u3002 The present invention is based on two-dimensional electronic gas structure material of heterojunction interface such as PbTe/CdTe, and fabricates a photonic infrared detector with FET structure. The photoresponse of the detector comes from the intrinsic response of PbTe, i.e. the spectral response band is 1.2-4.0 um. Thanks to the high mobility of the two-dimensional electron gas, the response time of the detector is shorter than 1 s. The detector has a high detection rate, reaching 3 x 10 at 2 um.

【技术实现步骤摘要】
一种新型异质结光子型红外探测器及制备方法及应用
本专利技术专利涉及一种新型的异质结光子型红外探测器及制备方法及应用。
技术介绍
近年来，随着民用、军事与航空航天等领域对红外探测技术逐步深入的应用，对其器件性能的要求也越来越高。红外探测器是将入射的特定波长的红外辐射信号转变成电信号从而实现探测目的的器件，红外光子探测器的工作机理主要基于半导体对红外辐射的吸收及伴随的各种光电效应，如光电导效应和光生伏特效应等。对于非掺杂的半导体，其有响应的电磁波所对应的能量应不低于该半导体的带隙，基于这种半导体制备的红外探测器叫做红外本征探测器。这种探测器的探测波段取决于其带隙大小。我们曾专利技术一种PbTe/CdTe异质结界面二维电子气结构(专利号：CN103413827A)，该结构在界面附近有较高的面电子浓度(～1×1013cm-2)和较高的迁移率(～900cm2/Vs，室温)。这些优异的材料特性无疑是红外探测技术所追求的，它们对提升红外探测器的探测率和响应时间等方面具有重要的意义。对于室温工作的红外探测器，需要解决的最大难题就是降噪问题。一般来讲，室温时由于窄带隙半导体的热激发产生的噪声会比较大，导致器件性能不佳，无法满足要求。但是，PbTe和PbSe基材料，与III-V族或HgTe材料相比较具有一大优点，即室温下俄歇复合系数低1～2个数量级，从而具有噪声较低和探测率较高的特性。此外，由于该异质结的界面载流子迁移率较高，所以探测器的响应时间也很短。
技术实现思路
本专利技术是基于PbTe/CdTe异质结界面二维电子气结构(专利号：CN103413827A)通过设计和制备探测器结构，提供一种能探测红外光子的探测器。该探测器的制作工艺简单，光电性能较好(探测率高和响应速度快)。本专利技术的具体技术方案如下：本专利技术公开了一种新型的异质结光子型红外探测器，所述的探测器包括从下到上的基底层、异质结层和最上层位于两侧的两个电极层。作为进一步地改进，本专利技术所述的异质结层是由IV-VI/II-VI族化合物半导体构成的PbTe(SnTe)/CdTe、PbTe(SnTe)/ZnTe或PbSe(SnSe)/CdSe、PbSe(SnSe)/ZnSe异质结材料研制的。作为进一步地改进，本专利技术所述的PbTe或SnTe或PbSe厚度大于3微米，CdTe或ZnTe或CdSe或ZnSe薄膜厚度小于1微米。作为进一步地改进，本专利技术所述的异质结层上，除电极层之外的部分，是吸收区。本专利技术还公开了一种新型的室温红外异质结光子型探测器的制备方法，其制备步骤如下：1)分子束外延或金属有机化学气相沉积生长PbTe(SnTe)/CdTe、PbTe(SnTe)/ZnTe或PbSe(SnSe)/CdSe、PbSe(SnSe)/ZnSe异质结，形成异质结构层；2)光刻电极区；3)制备电极，用磁控或电子束蒸发的方法在已光刻的样品上沉积100～200nm的金属薄膜，并随之剥离，然后将样品放于真空环境中在100℃条件下退火5分钟，形成电极层。本专利技术还公开了一种新型的异质结光子型探测器的应用方法，所述的器件可拓展为焦平面阵列，应用于红外成像。本专利技术的有益效果如下：本专利技术以PbTe/CdTe等异质结界面二维电子气结构材料为基础，制备了一种FET结构光子型红外探测器。探测器的光响应来源于PbTe的本征响应，即光谱响应波段为1.2–4.0μm。得益于二维电子气高迁移率的特点，探测器的响应时间短，小于1μs。探测器的探测率高，在2μm处达到了3×1010Jones，远高于热探测器和PbTe、PbSe单晶薄膜红外探测器。该探测器在红外焦平面阵列成像领域具有应用前景。附图说明图1是制备的PbTe/CdTe异质结红外探测器的平面图(上)和截面图(下)，其中二维电子气位于CdTe/PbTe界面；图2是探测器在室温下的光电流响应谱；图3是探测器在不同波长的100kHz脉冲激光照射下的时间分辨的光电流响应图；图4是对图3中2.0μm光电流响应的放大图。具体实施方式本专利技术公开了一种以PbTe(SnTe)/CdTe、PbTe(SnTe)/ZnTe或PbSe(SnSe)/CdSe、PbSe(SnSe)/ZnSe等异质结界面二维电子气结构材料为基础的光子型红外探测器，光响应来源于电子在PbTe等窄带隙半导体带隙间的跃迁，作为探测器性能的改进，与传统的PbTe或PbSe薄膜红外探测器相比较，得益于PbTe/CdTe等异质结界面二维电子气结构中界面处载流子的高迁移率，本专利技术所述器件的响应时间很短，通过将若干个本专利技术所述器件集成到较小面积区域(如1cm×1cm)形成二维面阵，并将每个器件的电极一同引入到寻址电路，使得可以自由选择任何一个器件工作，由此便可实现焦平面阵列探测，从而应用于室温红外成像。下面通过具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步地说明：图1是制备的PbTe/CdTe异质结红外探测器的平面图(上)和截面图(下)，其中二维电子气位于CdTe/PbTe界面；探测器包括从下到上的基底层、异质结层和最上层位于两侧的电极层；异质结层是由IV-VI/II-VI族化合物半导体构成的PbTe(SnTe)/CdTe、PbTe(SnTe)/ZnTe或PbSe(SnSe)/CdSe、PbSe(SnSe)/ZnSe异质结材料研制的；PbTe或SnTe或PbSe厚度大于3微米，CdTe或ZnTe或CdSe或ZnSe薄膜厚度小于1微米；异质结层上，两个电极层之外的部分是吸收区。具体流程如下：(a)生长异质结。用分子束外延(MBE)方法生长在基底上生长先后生长一层3μm厚的PbTe和500nm厚的CdTe薄膜，形成PbTe/CdTe异质结构，二维电子气处于两者之间(如图1下所示)。(b)光刻电极区。布置暗室条件，从冰箱取出AZ4620光刻胶，在通风橱内对样品进行匀胶，先在500转/分钟条件下匀10秒，再在4000转/分钟条件下匀40秒，光刻胶厚度约3μm。匀胶后，将样品放在100℃热板上前烘4分钟，同时将光刻胶放回冰箱，用丙酮清洗匀胶机。接通光刻机和汞灯电源进行预热，并将光刻板安装于光刻机上。光刻条件为曝光时间85秒，曝光强度由光刻机决定。光刻后，将样品浸于显影液中80秒，期间不停地搅动显影液以显影均匀。取出样品并用去离子水冲洗掉残余显影液，用氮气枪将其吹干，放在100℃热板上后烘10分钟。此时，将汞灯电源断开，光刻机电源20分钟后断开。(c)制备电极。用磁控溅射方法在已光刻的样品上生长10nm的铬和200nm的铜，然后将样品浸泡于丙酮中。室温下放置2小时后再取出样品，以保证光刻胶完全溶解。此过程也即剥离，使电极区域以外的金属脱落，只保留电极区域的金属作为电极。接着，将样品放于真空环境中在100℃条件下退火5分钟，以使金属铜扩散穿过CdTe层，与二维电子气接触(如图1下中箭头所示过程)。至此，异质结红外探测器便制备完成了。上述实施方式仅仅是一种实现方式，所有步骤可以同等替代本专利技术所列的其他异质结材料。测试及结果探测器在室温的光电流响应谱如图2所示,图2是探测器在室温下的光电流响应谱，由图可见，器件的响应波段为1.2–4μm，符合PbTe的本征响应(PbTe室温时的带隙为0.32eV，对应截止波长为3.8μm，与实验得到的结果基本一致)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型的异质结光子型红外探测器，其特征在于，所述的探测器包括从下到上的基底层、异质结层和最上层位于两侧的两个电极层。

【技术特征摘要】
1.一种新型的异质结光子型红外探测器，其特征在于，所述的探测器包括从下到上的基底层、异质结层和最上层位于两侧的两个电极层。2.根据权利要求1所述的新型的异质结光子型红外探测器，其特征在于，所述的异质结层是由IV-VI/II-VI族化合物半导体构成的PbTe(SnTe)/CdTe、PbTe(SnTe)/ZnTe或PbSe(SnSe)/CdSe、PbSe(SnSe)/ZnSe异质结材料研制的。3.根据权利要求2所述的新型的异质结光子型红外探测器，其特征在于，所述的PbTe或SnTe或PbSe厚度大于3微米，CdTe或ZnTe或CdSe或ZnSe薄膜厚度小于1微米。4.根据权利要求1或2或3所述的新型的异质结光子型红外探测器，其特征在于，所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴惠桢，朱家旗，徐翰纶，马嵩松，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33