一种基于异质结二维电子气的新型光电位置敏感探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于异质结二维电子气的新型光电位置敏感探测器及其制备方法,探测器由上到下依次为：设置于四边的金属电极、CdTe层、PbTe层和BaF2衬底，CdTe层和PbTe层构成异质结，CdTe层和PbTe层的界面之间是自然形成的二维电子气，二维电子气与金属电极是欧姆接触。采用MBE的方法，生长了CdTe/PbTe异质结，其界面处自然产生高浓度高迁移率的二维电子气，得益于异质结材料自身的物理特性与二维电子气新奇的侧向光伏效应，该器件的工作波长超过可见光，工作波段也很宽，可涵盖中短红外波段，而且其线性响应度较为优异。该器件结构简单，制备方法简便可控，成本低廉，工作原理新奇独特，工作范围涵盖中短红外波段，兼具科研与实用价值。实用价值。实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于异质结二维电子气的新型光电位置敏感探测器及其制备方法


[0001]本专利技术专利属于光电子器件领域，具体涉及一种基于异质结二维电子气的新型光电位置敏感探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光电位置敏感(位敏)探测器是重要的光学传感器类型之一，该类器件是基于侧向光伏效应工作的，能将入射光斑在光敏区的空间位置信息以电信号的形式传递出来。当半导体异质结或金属/半导体肖特基结被光斑照射后，在光生载流子的扩散作用下，材料表面将产生横向电势差，此即侧向光伏，其大小与光斑位置密切相关。与焦平面阵列探测器相比，光电位敏探测器不仅成本低廉、使用便捷，而且还可以连续跟踪光斑的位置变化，具有更加精准的定位功能，因此在空间探测、环境监测、安全检查和光学工程等领域具有重要的应用价值。传统的光电位敏探测器大多以硅(Si)或二氧化硅/硅(SiO2/Si)为基底，光生载流子在Si内产生，它们在内建电场作用下沿纵向迅速分离，从而分布在不同的材料中。常见的光电位敏探测器商用产品大多数工作于紫外或可见光波段，而对于在红外波段工作的器件，则尚处实验研究阶段。
[0003]近年来，一种基于碲化铅/碲化镉(CdTe/PbTe)异质结二维电子气的新型侧向光伏效应被报导出来，研究者借此研制出高灵敏度高响应速度的室温红外探测器(Zhu J.Q.et al.Lateral photovoltaic mid
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infrared detector with a two
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dimensional electron gas at the heterojunction interface.Optica,2020,7:1394
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1401.)。由于晶格扭曲和电荷转移，CdTe/PbTe异质结在无故意掺杂的情况下便能于界面处产生高浓度高迁移率的二维电子气。得益于异质结界面处独特的能带结构，PbTe内产生的光生电子可以越过微小的导带带阶进入到二维电子气沟道内，而光生空穴则被较大的价带带阶阻挡在沟道以外。在此情况下，若异质结受光不均匀，则二维电子气沟道内电子浓度分布也会不均匀，使得沟道两端产生电势差，这也即CdTe/PbTe异质结二维电子气的侧向光伏效应，所以该异质结二维电子气可用于研制光电位敏探测器。由于PbTe的本征响应范围位于中短红外波段，因而基于CdTe/PbTe异质结二维电子气的光电位敏探测器也将工作在中短红外波段。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于异质结二维电子气的新型光电位置敏感探测器及其制备方法，具体地说，是一种基于碲化铅/碲化镉异质结界面二维电子气的光电位置敏感探测器及其制备方法。
[0005]本专利技术的目的是通过以下方案实现：
[0006]本专利技术公开了一种基于异质结二维电子气的新型光电位置敏感探测器，探测器由上到下依次为：设置于四边的金属电极、CdTe层、PbTe层和BaF2衬底，CdTe层和PbTe层构成异质结，CdTe层和PbTe层的界面之间是自然形成的二维电子气，所述的二维电子气与金属
电极是欧姆接触。
[0007]作为进一步地改进，本专利技术所述的金属电极是Cu电极。
[0008]作为进一步地改进，本专利技术所述的二维电子气与金属电极之间的欧姆接触，是通过在真空环境下退火，使金属电极扩散穿过CdTe层而实现的。
[0009]作为进一步地改进，本专利技术所述的位敏探测器是基于二维电子气(5)的侧向光伏效应工作的。
[0010]作为进一步地改进，本专利技术所述的器件的光电响应来源于异质结中的厚层薄膜PbTe层(3)。
[0011]本专利技术还公开了一种基于异质结二维电子气的新型光电位敏探测器的制备方法，制备步骤如下：
[0012]1)利用分子束外延方法，在BaF2衬底上分别生长CdTe层和PbTe层，形成异质结，则二维电子气在异质结界面处自然形成；
[0013]2)在样品上光刻金属电极图案；
[0014]3)用磁控溅射或电子束蒸发方法在已光刻的样品上沉积50～200nm厚的Cu膜，并随之剥离，使金属电极成形；
[0015]4)将样品放置于真空环境中，在100～200℃条件下对其进行退火，持续30
‑
60分钟后停止。
[0016]作为进一步地改进，本专利技术所述的步骤1)中PbTe层的厚度为1～3μm，CdTe层的厚度为50～300nm。
[0017]作为进一步地改进，本专利技术所述的步骤1)中二维电子气在室温下的面浓度约为1
×
10
13
cm
‑2，迁移率约为900cm2/V
·
s，得益于二维电子气的高浓度和高迁移率，位敏探测器的线性响应度表现优异。
[0018]作为进一步地改进，本专利技术所述探测器有效工作区域的尺寸为3mm
×
3mm。
[0019]作为进一步地改进，本专利技术所述步骤4)中，退火的环境气压低于5
×
10
‑4Pa，退火温度和退火时间分别为100
‑
200℃、30
‑
60min，以使Cu电极完全穿过CdTe层而与二维电子气形成良好的欧姆接触。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021]本专利技术提供了一种基于异质结二维电子气的新型光电位敏探测器及其制备方法。采用MBE的方法，生长了CdTe/PbTe异质结，其界面处自然产生高浓度高迁移率的二维电子气，得益于异质结材料自身的物理特性与二维电子气新奇的侧向光伏效应，该器件的工作波长超过可见光，工作波段也很宽，可涵盖中短红外波段，而且其线性响应度较为优异。该器件结构简单，制备方法简便可控，成本低廉，工作原理新奇独特，工作范围涵盖中短红外波段，兼具科研与实用价值，在空间探测、环境监测、安全检查和光学工程等领域具有光明的应用前景。
[0022]本专利技术金属电极是Cu电极，该电极的功函数与CdTe层匹配，从而可避免CdTe层阻碍金属电极对光生载流子的收集。
[0023]二维电子气与金属电极之间的欧姆接触，是通过在真空环境下退火，使金属电极扩散穿过CdTe层而实现的。
[0024]位敏探测器是基于二维电子气的侧向光伏效应工作的，由于晶格扭曲和电荷转
移，CdTe/PbTe异质结在无故意掺杂的情况下便能于界面处产生高浓度高迁移率的二维电子气。得益于异质结界面处独特的能带结构，PbTe内产生的光生电子可以越过微小的导带带阶进入到二维电子气沟道内，而光生空穴则被较大的价带带阶阻挡在沟道以外，在此情况下，若异质结受光不均匀，则二维电子气沟道内电子浓度分布也会不均匀，使得沟道两端产生电势差，这也即CdTe/PbTe异质结二维电子气的侧向光伏效应，所述的位敏探测器就是基于此效应工作的。
[0025]器件的光电响应来源于异质结中的厚层薄膜PbTe层，由于PbTe的本征响应范围位于中短红外波段，因而所述的位敏探测器也工作在中短红外波段，工作波段较宽。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于异质结二维电子气的新型光电位置敏感探测器，其特征在于，所述的探测器由上到下依次为：设置于四边的金属电极(1)、CdTe层(2)、PbTe层(3)和BaF2衬底(4)，所述的CdTe层(2)和PbTe层(3)构成异质结，CdTe层(2)和PbTe层(3)的界面之间是自然形成的二维电子气(5)，所述的二维电子气(5)与金属电极(1)是欧姆接触。2.根据权利要求1所述的基于异质结二维电子气的新型光电位敏探测器，其特征在于，所述的金属电极(1)是Cu电极。3.根据权利要求1所述的基于异质结二维电子气的新型光电位敏探测器，其特征在于，所述的二维电子气(5)与金属电极(1)之间的欧姆接触，是通过在真空环境下退火，使金属电极(1)扩散穿过CdTe层(2)而实现的。4.根据权利要求1所述的基于异质结二维电子气的新型光电位敏探测器，其特征在于，所述的位敏探测器是基于二维电子气(5)的侧向光伏效应工作的。5.根据权利要求1所述的基于异质结二维电子气的新型光电位敏探测器，其特征在于，器件的光电响应来源于异质结中的厚层薄膜PbTe层(3)。6.一种如权利要求1或2或3或4或5所述的基于异质结二维电子气的新型光电位敏探测器的制备方法，其特征在于，其制备步骤如下：1)利用分子束外延方法，在BaF2衬底(4)上分别生长CdTe层(2)和PbTe层(3)，形成异质结，则二维电子气(5)在异质结界面处自然形...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱家旗，单玉凤，朱贺，梁新栋，吴惠桢，邓惠勇，戴宁，
申请(专利权)人：浙江大学中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：