一种PS纳米球辅助的4H-SiC基热载流子型光电探测器及制备方法技术

本发明专利技术属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种PS纳米球辅助的4H

【技术实现步骤摘要】
一种PS纳米球辅助的4H
‑
SiC基热载流子型光电探测器及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种PS纳米球辅助的4H
‑
SiC基热载流子型光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光电探测器在图像传感、光通信、安全监测等领域应用广泛。传统光电探测器主要基于半导体感光原理，这类器件只能吸收能量高于半导体带隙的光子，导致其响应波段受到了限制。为了拓宽其工作带宽，可利用金属作感光材料。较之平直型金属薄膜结构，引入微纳结构之后的金属所激发表面等离激元共振效应能够增强光吸收。当金属吸收光子后，会产生大量的高能载流子，即热载流子，包含热电子与热空穴两类。当这些热电子或热空穴越过金属
‑
半导体界面，进入半导体中后经传输被电极，便形成了光电流。其中，由金属与n型半导体构成的热载流子型光电探测器中收集的是热电子，可称之为热电子光电探测器，较之由金属与p型半导体构成的热空穴型光电探测器更为常见。需要指出的是，基于热载流子的光电探测器通常具有比较低的外量子效率，只有当器件的暗电流足够低时，才能表现出相对可观的亮暗电流比。通常情况下，对于金属
‑
半导体
‑
金属结构，只有形成肖特基接触才能有效地抑制暗电流，达到热载流子信号不被背景噪声淹没的目的。然而，半绝缘型4H
‑
SiC的本征载流子浓度极低，室温下达10
‑
9cm
‑3量级，基于此，所制成的金属
‑
半导体
‑
金属型光电探测器具有极低的暗电流。相比而言，Si在室温下的本征载流子浓度为1010cm
‑3，所制成的光电探测器普遍暗电流较高。因此，与Si相比，4H
‑
SiC在开发高性能热载流子光电探测器表现出明显优势。
[0003]已经报道的有关热电子光电探测器的工作中，所采用的金属微纳结构多数具有相对单一的形式，它们所激发的表面等离激元共振效应表现出相对较弱的强度，光吸收范围较窄，限制了热载流子光电探测器性能的进一步提高。在4H
‑
SiC热载流子光电探测器方面，2021年，崔艳霞等人公开了一项名称为《一种碳化硅基全谱响应光电探测器及其制备方法》的专利(公开号:CN 113013278 A)，该光电探测器在金属
‑
半导体
‑
金属型4H
‑
SiC光电探测器中，引入了经退火形成的金属纳米颗粒结构，实现宽谱范围内的热载流子型光电探测性能。然而，上述经退火形成的金属纳米颗粒结构虽然制备方式简单，但其结构形式十分单一，相应地，表面等离激元增强型光吸收效率不高，无法实现高性能的热载流子光电探测器。

技术实现思路

[0004]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种PS纳米球辅助的4H
‑
SiC基热载流子型光电探测器及制备方法，以实现可见
‑
近红外宽谱范围的高性能响应。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种PS纳米球辅助的4H
‑
SiC
基热载流子型光电探测器，包括自上而下依次设置的顶电极层、PS:TiN
‑
NPs层、半导体层、底电极层，所述顶电极层为半透明金属电极，PS:TiN
‑
NPs层包括单层排布在半导体层上的PS纳米球阵列和溅射在PS纳米球阵列表面的TiN纳米颗粒层，所述PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒在半导体层表面呈周期性排布形成，所述半导体层为4H
‑
SiC基底，底电极层为不透光金属电极。
[0006]PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒在半导体层表面呈等边三角形的周期性排布形成。
[0007]所述PS纳米球颗粒的直径为80
±
5nm，相邻两个PS纳米球颗粒球心之间的距离为100nm
±
10nm。
[0008]所述TiN纳米颗粒层的厚度为40nm
±
5nm。
[0009]所述半导体层的厚度为100～1000μm，顶电极层的厚度为15nm
±
5nm，底电极层的厚度为100nm
±
20nm。
[0010]所述半导体层选用半绝缘型4H
‑
SiC基底，其电阻率在1e13 ohm
·
cm至1e15ohm
·
cm之间；所述顶电极层的材料为TiN，所述底电极层材料的材质为Al。
[0011]此外，本专利技术还提供了所述的一种PS纳米球辅助的4H
‑
SiC基热载流子型光电探测器的制备方法，包括以下几个步骤：
[0012]S1、对4H
‑
SiC基底进行清洗；
[0013]S2、利用PS纳米球悬浊液，在4H
‑
SiC基底的一面自组装制备单层密排的PS纳米球阵列，然后利用反应离子刻蚀法，对PS纳米球阵列中的PS纳米球颗粒进行刻蚀，使得PS纳米球阵列中PS纳米球颗粒的直径减小；
[0014]S3、利用磁控溅射法，在4H
‑
SiC基底上制备了PS纳米球阵列的一面上制备TiN纳米颗粒层，获得PS:TiN
‑
NPs层；
[0015]S4、继续利用磁控溅射法在PS:TiN
‑
NPs层上制备半透明顶电极层；
[0016]S5、使用磁控溅射工艺在制作好TiN膜层的器件基础上，将样品翻转，在4H
‑
SiC的另一侧使用Al制作不透光底电极；
[0017]所述步骤S2中，采用的PS纳米球悬浊液中，PS纳米球的直径为100nm，其采用甲醇作溶剂，浓度2.5wt％。
[0018]所述步骤S2中，对PS纳米球阵列中的PS纳米球颗粒进行刻蚀时，得到的PS纳米球颗粒为80
±
10nm。
[0019]所述步骤S3中，TiN纳米颗粒层的厚度为40nm
±
5nm。
[0020]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0021]本专利技术提供了一种PS纳米球辅助的4H
‑
SiC基热载流子型光电探测器及制备方法，在半绝缘型4H
‑
SiC基底的两侧分别制作顶电极TiN和底电极Al，形成垂直型光电探测器，而且通过在4H
‑
SiC半导体层与底部电极层的界面处引入PS纳米球和TiN纳米颗粒的复合结构(PS:TiN
‑
NPs)，使得器件在可见
‑
近红外宽谱范围内的亮电流显著提升。这是由于PS:TiN
‑
NPs层在400nm
‑
900nm的波段范围内具有宽谱光吸收能力，辅助实现了热载流子的高效产生。特别地，在波长为660nm、光功率为0.4mW的入射光照射下，本专利技术的亮电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PS纳米球辅助的4H
‑
SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，包括自上而下依次设置的顶电极层(1)、PS:TiN
‑
NPs层(7)、半导体层(5)、底电极层(6)，所述顶电极层(1)为半透明金属电极，PS:TiN
‑
NPs层(7)包括单层排布在半导体层上的PS纳米球阵列和溅射在PS纳米球阵列表面的TiN纳米颗粒层(3)，所述PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒(2)在半导体层(5)表面呈周期性排布形成，所述半导体层(5)为4H
‑
SiC基底，底电极层(6)为不透光金属电极。2.根据权利要求1所述的一种PS纳米球辅助的4H
‑
SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，PS纳米球阵列为多个PS纳米球颗粒(2)在半导体层(5)表面呈等边三角形的周期性排布形成。3.根据权利要求2所述的一种PS纳米球辅助的4H
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SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，所述PS纳米球颗粒(2)的直径为80
±
5nm，相邻两个PS纳米球颗粒(2)球心之间的距离为100nm
±
10nm。4.根据权利要求1所述的一种PS纳米球辅助的4H
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SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，所述TiN纳米颗粒层(3)的厚度为40nm
±
5nm。5.根据权利要求1所述的一种PS纳米球辅助的4H
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SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，所述半导体层(5)的厚度为100～1000μm，顶电极层(1)的厚度为15nm
±
5nm，底电极层(6)的厚度为100nm
±
20nm。6.根据权利要求1所述的一种PS纳米球辅助的4H
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SiC基热载流子型光电探测器，其特征在于，所述半导体层(5)选用半绝缘型4H
‑
SiC基底，其电...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔艳霞，李梦辉，胡鲲，王文艳，潘登，李国辉，翟爱平，许并社，
申请(专利权)人：山西浙大新材料与化工研究院，
类型：发明
国别省市：