阅读说明：本技术 一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件 (Spectrum detection device based on regulation and control of thickness of absorption layer of semiconductor material ) 是由 徐杨 陈丽 李泠霏 刘威 田丰 吴少雄 吕建杭 李涵茜 俞滨 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件。该器件包括绝缘层、半导体材料吸收层、正电极、负电极及二维材料薄膜,半导体材料吸收层呈阶梯阵列结构。有光线入射时,由于二维材料的高透光率,光线进入半导体材料并被吸收,不同波长入射光在半导体材料吸收层中的吸收深度不同,因此,对于特定厚度的半导体材料吸收层,对于不同波长的入射光其吸收量不同,对应可贡献光电流不同。各阶梯单元对应的两端电极之间均施加相同恒定电压,分别读取各阶梯单元黑暗和光照条件下产生的电流信号,取二者之差作为最终光电流信号,与预先标定构建的器件不同阶梯单元下响应度-波长谱建立线性方程组求解最优解,即可获取入射光谱信息。(The invention discloses a spectrum detection device based on regulation and control of the thickness of an absorption layer of a semiconductor material. The device comprises an insulating layer, a semiconductor material absorbing layer, a positive electrode, a negative electrode and a two-dimensional material film, wherein the semiconductor material absorbing layer is in a ladder array structure. When light enters, the light enters the semiconductor material and is absorbed due to the high light transmittance of the two-dimensional material, and the absorption depths of the incident light with different wavelengths in the semiconductor material absorption layer are different, so that the absorption amount of the incident light with different wavelengths is different for the semiconductor material absorption layer with a specific thickness, and the corresponding light currents can be contributed to be different. The same constant voltage is applied between the electrodes at the two ends corresponding to each step unit, the current signals generated under the dark and light conditions of each step unit are respectively read, the difference between the two current signals is taken as the final photocurrent signal, and a linear equation set is established with the responsivity-wavelength spectrum under different step units of the device which is calibrated in advance to solve the optimal solution, so that the incident spectrum information can be obtained.)

一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件

技术领域

本发明属于光谱探测技术领域，涉及一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件。

背景技术

光谱探测技术在食品检测、物质识别、医药研究、生化检测、环境安防等领域具有广泛的应用，然而现有的主流成熟的光谱检测设备体积较为庞大，缺乏便携性，难以满足现场快检的需求。近年来，也有许多小型化的便携微型光谱检测仪在市场上发展起来，其尺寸相比传统光谱检测仪有了大幅度的减少，但仍然难以达到片上集成的程度。目前商用的微型光谱检测设备本质上依然是通过独立分光光学部件与光电探测器的系统集成实现目的，分光光学系统与光电转换系统相互独立。如今电子产品面临着尺寸更小、集成度更高的市场需求，系统相互独立，光学部件体积微缩化有限的问题，为将来在电子产品中引入光谱探测技术，集成光谱相关功能应用带来了桎梏。

目前新兴的一些基于光子晶体、超表面的光谱探测器件研究，实现了不借助光学元件达到获取波长信息目的的功能，但在结构上，仍然没有改变滤光阵列和探测阵列相互独立的局面，基于纳米线阵列的微型光谱探测器件的研究，结构上实现了滤光探测一体化，然而纳米线制备工艺要求较高，成本较高，为投入工业化量产带来了一定的困难。

因此，探索新的波长信息获取方法、寻求滤光探测一体化的新型光谱探测器件成为当下光谱探测

技术领域

的一个十分具有理论价值和实用价值的研究方向，是时代发展下的大势所趋，对多色探测、光谱探测、多光谱成像

技术领域

的发展具有重要意义和推动作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件，包括绝缘层，在所述绝缘层上表面嵌有阶梯阵列结构的半导体材料吸收层，在相邻阶梯单元间作为隔离的绝缘层上表面设有负电极，在每个阶梯单元的上表面设有正电极，并覆盖有不与所述正电极接触的二维材料薄膜，所述二维材料薄膜同时覆盖相邻的负电极。

进一步地，所述半导体材料吸收层为在较宽光谱范围内具有高光吸收率的体材料，包括硅或锗。

进一步地，所述绝缘层整体为梳齿状结构，各梳齿高度不同。

进一步地，所述阶梯阵列各阶梯单元高度及变化幅度依据器件探测目标波长范围及精度确定。

进一步地，每个阶梯单元为二级阶梯结构，上级阶梯上全部或部分覆盖二维材料薄膜，下级阶梯上设有正电极。

进一步地，所述二维材料薄膜为高透光率的二维材料，包括单层或少层石墨烯、单层或少层过渡金属硫化物或单层或少层过渡金属硒化物。

进一步地，光线从器件上方(即阶梯阵列一面)入射，确保均匀照射到阶梯阵列中各阶梯单元，各阶梯单元对应的两端电极之间均施加相同恒定电压，分别读取各阶梯单元黑暗和光照条件下产生的电流信号，取二者之差作为最终光电流信号。

进一步地，各阶梯单元对应的两端电极之间施加的恒定电压的幅值大小，需保证耗尽区足够大以确保较高的光生载流子分离和输运效率。

进一步地，不同波长入射光在半导体材料吸收层中的吸收深度不同，因此，对于特定厚度的半导体材料吸收层，对于不同波长的入射光其吸收量不同，对应可贡献光电流的光生载流子数不同；预先通过已知波长及光功率的单色光测量各阶梯单元的光电流，构建响应度-波长谱；进而，对于未知波长入射光，同样测量各阶梯单元产生的光电流，结合响应度-波长谱，求解线性方程组最优解，即可获知入射光波长。

本发明提出的光谱探测器件的工作原理如下：

(1)由于不同波长入射光在半导体材料吸收层中的吸收深度不同，随着波长的增加，入射光在半导体材料吸收层中的吸收深度越深。阶梯阵列中各阶梯单元厚度不同，对入射光的吸收量起到筛选作用。

(2)在器件的各阶梯单元两端施加相同恒定电压V_bias使得器件处于工作状态。因耗尽区深度随V_bias的增加而展宽，光生电子-空穴对在耗尽区内分离，因此需保证V_bias的幅值足够大以确保较高的光生载流子分离和输运效率。

(3)对于包含N个阶梯的阶梯阵列，单个阶梯单元测得的光电流I_k为入射光谱P(λ)与响应度-波长谱R(λ)在波长范围[λ₁,λ₂]上的积分，如式(1)所示，

因此，在应用器件进行光谱探测前需预先标定，构建响应度-波长谱R(λ)。使已知波长和已知光功率的单色入射光均匀照射到阶梯阵列表面，测量各阶梯单元的光电流，计算响应度，构建出响应度-波长谱R(λ)。

(4)当未知入射光入射时，使入射光均匀照射到整个阶梯阵列，测量每个阶梯单元光电流I₁,I₂,…I_N，可根据式(1)以及预先标定的响应度-波长谱R(λ)，建立包含N个等式的线性方程组，通过求取该线性方程组的最优解，即可判断入射光波长信息，从而实现光谱探测。

本发明的有益效果如下：

1.本发明器件结构简单，工作原理简洁易懂，制备工艺与CMOS工艺兼容。

2.本发明在单一器件结构中实现滤光探测一体化，可实现对颜色的直接识别，无需借助分光光学部件。

3.本发明器件尺寸可以在精度较高的加工工艺下进一步微缩，对物理空间的占用可以做到极小，易于集成于微型图像传感器中。

4.本发明器件材料选择多样，可根据材料吸收特性决定可探测光谱范围，具备应用灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件的结构示意图，其中，绝缘层1、半导体材料吸收层2、负电极3、正电极4、二维材料薄膜5；

图2为本发明实施例器件光谱探测原理示意图；

图3为本发明实施例中仿真所得的器件响应度-波长谱R(λ)示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件，包括绝缘层1，在所述绝缘层1上表面嵌有阶梯阵列结构的半导体材料吸收层2，在相邻阶梯单元间作为隔离的绝缘层1上表面设有负电极3，在每个阶梯单元的上表面设有正电极4，并覆盖有不与所述正电极4接触的二维材料薄膜5，所述二维材料薄膜5同时覆盖相邻的负电极3。本实施例中绝缘层1采用二氧化硅，半导体材料吸收层2采用硅材料，二维材料薄膜5采用单层石墨烯。

制备上述基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件的方法包括以下步骤：

(1)取用SOI衬底，顶硅为n型高阻硅，电阻率>10kΩ·cm，厚度2μm。

(2)在顶硅表面使用光刻技术制作长方形阵列掩膜，利用深硅刻蚀技术制作硅柱阵列，并利用PECVD法生长氧化物绝缘层二氧化硅，以隔离相邻硅柱单元。

(3)利用灰度光刻技术加工硅柱阵列并进行干法刻蚀，使得各硅柱阵列呈现阶梯状排布，各阶梯单元厚度分别为0.5μm、0.7μm、1.0μm、1.3μm、1.6μm、1.9μm。

(4)在硅阶梯表面使用光刻技术制作正电极图案，各阶梯单元中，正电极位于硅表面。利用离子注入技术对正电极区域进行重掺杂。

(5)在隔离相邻硅柱单元的二氧化硅表面使用光刻技术制作负电极图案，各阶梯单元中，正电极位于硅表面，负电极位于二氧化硅表面。利用磁控溅射技术，生长5nm铬和40nm金层作为电极。

(6)在硅阶梯部分区域表面及对应的负电极上方覆盖单层石墨烯薄膜；石墨烯使用湿法转移：将单层石墨烯表面均匀旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后放入酸性刻蚀溶液中浸泡约6h腐蚀去除铜箔，留下由PMMA支撑的单层石墨烯薄膜；将PMMA支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到二氧化硅绝缘层、源极和漏极的上表面；最后用丙酮和异丙醇浸泡样品去除PMMA；其中，所述酸刻蚀溶液由CuSO₄、HCl和水组成，CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:45ml:50ml。

(7)对器件进行光刻，用光刻胶覆盖所需单层石墨烯图形的定义区域。再通过氧等离子体反应离子刻蚀技术(Oxygen plasma ICP-RIE)，其功率和刻蚀时间分别为75W，3min。刻蚀掉光刻胶外的多余石墨烯，确保各阶梯单元石墨烯薄膜不与正电极接触，表面石墨烯区域尺寸大小一致。刻蚀完成后，用丙酮和异丙醇清洗去除残余光刻胶。

(8)对器件进行RTP退火处理，退火温度为400℃，时间为5min。

上述光谱探测器件光谱探测原理示意图如图2所示。由于不同波长入射光在半导体材料吸收层中的吸收深度不同，随着波长的增加，入射光在半导体材料吸收层中的吸收深度越深。阶梯阵列中各阶梯单元厚度不同，对入射光的吸收量起到筛选作用。

对上述基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件的各阶梯单元施加2V电压，选择波长范围为可见光波段的不同波长的单色光源进行预先标定。在黑暗条件下，测得各阶梯单元的暗电流，继而使单色入射光均匀照射在器件阶梯阵列表面，测量此时各阶梯单元的电流，N个阶梯单元光暗条件下电流差值即为光电流I₁,I_2,…I_N，计算其响应度即为R₁,R₂,…R_N。测量并计算各个波长单色光下器件各阶梯单元的响应度后，构建响应度-波长谱R(λ)。经过理论计算仿真所得的不同厚度的阶梯单元响应度-波长谱如图3所示。

选择波长处于标定波长范围内的单色光或复色光作为未知入射光均匀照射在器件阶梯阵列表面。测量各个阶梯单元的光电流值，结合响应度-波长谱R(λ)，构建线性方程组，求解该线性方程组的最优解，求解波长结果与实际入射光一致，即表明上述器件确实具有光谱探测能力。

本发明基于半导体材料的吸收特性，利用不同入射光波长、不同吸收层厚度带来的差异性实现光谱探测的目的。本发明适用探测波段可通过选用不同半导体材料进行调整，光谱探测精度可视制备工艺限制和实际应用场景所需调节吸收层厚度间隔，可应用于多色探测、光谱探测、进而应用于多光谱成像领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。