一种异质结红外光电传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种异质结红外光电传感器及其制备方法 (Heterojunction infrared photoelectric sensor and preparation method thereof ) 是由 张洪宾 陆佳俊 佀国翔 吕绍艳 程瑞杉 徐彦彩 李娇 孙硕齐 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种异质结红外光电传感器及其制备方法,采用基于Cu/SnSe/Ge/In-Ga的异质结的光电传感器；将SnSe/Ge的异质结作为光吸收活性层,在SnSe/Ge的异质结的界面处形成电场；将Cu的微栅格结构作为顶电极,与SnSe的晶体薄膜形成欧姆接触；将In-Ga合金或In的晶体薄膜作为底电极,与Ge的晶体基片形成欧姆接触。在红外光的照射下实现红外光学信号到电学信号的转换,实现对红外光的快速识别,同时,能够感知微弱的光信号,解决目前红外传感器件普遍存在的较小光电流和较大暗电流的难题,进而提高了红外传感器识别的灵敏度和探测度。(The present disclosure provides a heterojunction infrared photoelectric sensor and a preparation method thereof, wherein the photoelectric sensor is a heterojunction based on Cu/SnSe/Ge/In-Ga; forming an electric field at an interface of the SnSe/Ge heterojunction, wherein the SnSe/Ge heterojunction is used as a light absorption active layer; taking the micro-grid structure of Cu as a top electrode to form ohmic contact with the SnSe crystal film; and forming ohmic contact with the Ge crystal substrate by using the In-Ga alloy or the In crystal film as a bottom electrode. The infrared sensor has the advantages that conversion from an infrared optical signal to an electrical signal is realized under the irradiation of infrared light, the infrared light is rapidly identified, meanwhile, a weak optical signal can be sensed, the problems of small photocurrent and large dark current commonly existing in the existing infrared sensor are solved, and the identification sensitivity and detection degree of the infrared sensor are further improved.)
技术领域
本公开属于光电材料与器件技术领域，具体涉及一种异质结红外光电传感器及其制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
背景技术
信息，不必然构成在先技术。传感器是物联网技术的最底层和最前沿，是实现自动检测和自动控制的首要环节，对物联网产业的发展具有十分重要的意义。因此，伴随智能识别、移动互联等新兴“感知技术”的浪潮，红外传感器产业也迎来了巨大的发展契机，市场需求规模迅速扩大。但是，目前市面上的红外传感器普遍存在灵敏度低、响应时间长、体积大，以及需要外部供电等弊端，难以满足便携式、低能耗、移动互联等一系列新兴领域的技术要求。在此背景下，设计研发一种基于红外光子能量的异质结光电传感器显得格外的重要。
二维半导体范德华异质结因其诸多的新特性，在电子、光电子器件领域具有广阔的应用前景，引起了人们的广泛关注。二维范德华异质结能够展现出超越两种材料的性能，且通过微弱的范德华力组合在一起，因此在材料类型和晶格结构的选择上更具灵活性，能够避免界面悬挂键对光生载流子的严重复合效应。二维范德华异质结可以在其界面处形成一个稳健的内建势垒，使光激发载流子能够有效分离，并缩短其内部渡越时间，从而大大提升异质结外部光电流的输出，在构建高性能光电子器件方面具有重要的应用价值，并成为自驱动、高灵敏度红外光电传感器研究的新热点。
据发明人了解，高性能红外光电传感器的制备，紧密依赖于具有较高载流子迁移率与较大光吸收系数的活性层材料。二元SnSe作为IV-VI族P型半导体，通常呈现层状斜方结构，被认为是一种性能优异的二维光电功能材料，其空穴浓度在1016～1018cm-3范围内，且在近红外波段具有较大的光吸收系数，因此是制备红外光电传感器的潜在材料。此外，单晶锗作为一种间接带隙半导体材料，不仅具有较宽的光吸收谱范围，而且具有较高的载流子迁移率，是制备多种光电子器件的理想材料。目前已报道的基于单一材料的光导型红外光电传感器件，普遍具有较大的暗电流及较小的光电流，导致器件的探测度与响应度不高，严重限制了弱光及具有较小光子能量的红外光的传感应用；然而，P型SnSe和N型Ge由于其界面上多数载流子的转移行为，可以形成性能优良的p-n结，有利于提高器件在红外光照射下的光生载流子分离能力。
因此，如何基于二维SnSe/Ge异质结制备一种高性能的红外感知光电传感器来解决目前红外传感器普遍存在的问题，对红外传感产业的发展具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种异质结红外光电传感器及其制备方法，在红外光的照射下实现红外光学信号到电学信号的转换，实现对红外光的快速识别，同时，能够感知微弱的光信号，解决目前红外传感器件普遍存在的较小光电流和较大暗电流的难题，进而提高了红外传感器识别的灵敏度和探测度。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种异质结红外光电传感器，采用如下技术方案：
一种异质结红外光电传感器，采用基于Cu/SnSe/Ge/In-Ga的异质结的光电传感器；将SnSe/Ge的异质结作为光吸收活性层，在SnSe/Ge的异质结的界面处形成电场；将Cu的微栅格结构作为顶电极，与SnSe的晶体薄膜形成欧姆接触；将In-Ga合金或In的晶体薄膜作为底电极，与Ge的晶体基片形成欧姆接触。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种异质结红外光电传感器的制备方法。
一种异质结红外光电传感器的制备方法，包括以下步骤：
基于Ge晶体基片得到表面洁净的Ge衬底，在Ge衬底上构造高结晶度的SnSe晶体薄膜，得到具有电学突变结的SnSe/Ge的异质结；
在所述SnSe/Ge的异质结上SnSe晶体薄膜的一侧制备Cu栅格电极，得到Cu/SnSe/Ge的异质结；
在所述Cu/SnSe/Ge的异质结上Ge晶体基片的一侧制备In-Ga合金或In电极，得到具有Cu/SnSe/Ge/In-Ga的异质结的红外光电传感器。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
(1)本公开中的红外光电传感器，充分利用了SnSe晶体薄膜和Ge晶片对红外光的高吸收特性；当红外光照射到器件顶部时，SnSe晶体薄膜和Ge晶片会同时吸收入射光，导致大量激发电子从价带到导带的跃迁，从而在器件中产生足量电子-空穴对。
(2)N型Ge晶片的导带能级(Ec)和价带能级(Ev)分别为4.13eV和4.79eV，而P型SnSe晶体薄膜的导带能级(Ec)和价带能级(Ev)分别为4.18eV和5.08eV；当P型SnSe晶体薄膜沉积在N型Ge晶片上时，由于材料能级的不同，在其界面处可以形成稳健的P-N异质结,以及较大的内建电场，使光激发电子-空穴对发生定向流动，其中光激发电子被驱动到N型Ge晶片中，而光激发空穴被驱动到P型SnSe晶体薄膜中，从而显著降低激发载流子的快速复合效应，提高器件的灵敏度和探测度。
(3)本公开的红外传感器制备方法中，采用Cu微结构作为器件的顶接触电极，不仅保证了红外光的有效光透过，而且显著提升了光生空穴的分离与传输效率；采用In-Ga合金或In薄膜作为器件的底电极，能够与N型Ge晶片形成良好的欧姆接触，有利于促进光生电子的收集与传输。综合优选电极的作用，本公开中的红外传感器具有最大的光电流(71.25mA)输出,超大的响应度(45A/W)与探测度(1.4×1012Jones)，以及超快的响应速度(5.47μs)等技术优势，能够满足市场对红外传感器高灵敏度、高响应速度等的技术需求。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中异质结红外光电传感器的一种结构示意图；
图2是本公开实施例一中SnSe/Ge异质结的表面与断面扫描电镜(SEM)的效果图；
图3是本公开实施例一中Cu/SnSe/Ge/In-Ga的异质结的光电传感器在1064nm红外光照射下的光电流输出曲线图及光响应度曲线图。
具体实施方式
：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例介绍了一种异质结红外光电传感器。
如图1和图2所示的异质结红外光电传感器，采用了基于Cu/SnSe/Ge/In-Ga的异质结的光电传感器；将SnSe/Ge的异质结作为光吸收活性层，SnSe与Ge的晶体薄膜对红外光具有较高的吸收度，在SnSe/Ge的异质结的界面处形成电场，有助于光生载流子在器件内部的快速分离，从而显著提高光电流的形成，并降低反向饱和电流强度，提高器件可探测弱光的能力；将Cu的微栅格结构作为顶电极，与SnSe的晶体薄膜形成欧姆接触，有利于光生空穴的收集与传输；将In-Ga合金或In的晶体薄膜作为底电极，与Ge的晶体基片形成欧姆接触，有利于促进光生电子的收集与输运。
在本实施例中，Cu/SnSe/Ge/In-Ga的异质结的光电传感器设置为方形器件，其长、宽、高尺寸约为5mm×5mm×200μm；将异质结红外光电传感器焊接相应的外部引线，或焊接于相关弱电系统中，或集成于各类芯片中，可实现红外光的传感与探测应用。
SnSe的晶体薄膜厚度设置为50-90nm，电阻率设置为2.20×103Ω·cm，电导类型设置为P型；Ge的晶体基片厚度设置为100-200μm，电阻率设置为1.0-5.0Ω·cm，电导类型设置为N型；顶电极的厚度设置为60-100nm，结构设置为鱼骨状结构，线宽设置为100μm，线长设置为4.8mm，间隔设置为500μm；底电极的厚度设置为60-100nm。
Cu/SnSe/Ge/In-Ga的异质结的光电传感器所感知的红外光波长为1064nm、1310nm和1550nm，图3是Cu/SnSe/Ge/In-Ga的异质结的光电传感器在1064nm红外光照射下的光电流输出曲线图及光响应度曲线图。
本实施例中的异质结红外光电传感器，充分利用了SnSe晶体薄膜和Ge晶片对红外光的高吸收特性；当红外光照射到器件顶部时，SnSe晶体薄膜和Ge晶片会同时吸收入射光，导致大量激发电子从价带到导带的跃迁，从而在器件中产生足量电子-空穴对。N型Ge晶片的导带能级(Ec)和价带能级(Ev)分别为4.13eV和4.79eV，而P型SnSe晶体薄膜的导带能级(Ec)和价带能级(Ev)分别为4.18eV和5.08eV；当P型SnSe晶体薄膜沉积在N型Ge晶片上时，由于材料能级的不同，在其界面处可以形成稳健的P-N异质结,以及较大的内建电场，使光激发电子-空穴对发生定向流动，其中光激发电子被驱动到N型Ge晶片中，而光激发空穴被驱动到P型SnSe晶体薄膜中，从而显著降低激发载流子的快速复合效应，提高器件的灵敏度和探测度。
实施例二
本实施例介绍了一种异质结红外光电传感器的制备方法。
以电阻率为1.0-5.0Ω·cm、厚度为100-200μm的N型单晶Ge基片作为衬底，利用超声清洗设备分别在洗洁精、酒精、丙酮、酒精溶液中依次清洗Ge晶体基片30min，然后通过干燥氮气(N2)吹干该基片，从而得到表面洁净的Ge衬底。随后，采用物理气相沉积(PVD)方法,以高纯度(99.999％)的SnSe粉末作为生长源，在Ge晶体基底上生长一层厚度约为70nm、电阻率约为2.20×103Ω·cm的P型层状SnSe晶体薄膜，从而制备出电学整流比高达200的SnSe/Ge的异质结；生长过程中，蒸发生长温度为600℃，工作气压为25Pa，工作气体为氩气(Ar)，流速为40sccm，生长时间控制在10分钟左右。
利用真空蒸镀的方法，在SnSe晶体薄膜的上表面蒸镀一层厚度约为60nm的Cu栅格电极，作为红外传感器件的顶接触欧姆电极；以高纯度(99.999％)的Cu颗粒作为蒸发源，蒸发温度为1100℃，蒸镀时间约20min；其中Cu电极的具体结构和参数由预先加工好的图案化金属掩膜版辅助实现。然后，通过旋涂工艺在Ge基片的下表面，制备一层厚度约100nm的In-Ga合金作为器件的底接触欧姆电极，从而构筑出异质结红外光电传感器。
实施例三
本实施例介绍了一种异质结红外光电传感器的制备方法。
以电阻率为1.0-5.0Ω·cm、厚度为100-200μm的N型单晶Ge基片作为衬底，利用超声清洗设备分别在洗洁精、酒精、丙酮、酒精溶液中依次清洗Ge晶体基片30min，然后通过干燥氮气(N2)吹干该基片，从而得到表面洁净的单晶Ge衬底。采用磁控溅射的方法,以高纯度(99.999％)的SnSe靶材作为溅射源，在Ge基底上溅射一层厚度为70nm的层状SnSe晶体薄膜；其中，靶材直径为50.8mm，溅射功率为50W，工作气压为10Pa，工作气体为氩气(Ar)，流速为50sccm，溅射时间控制在20分钟左右。随后，采用快速退火炉，在高纯氮气(N2)氛围下，退火溅射的SnSe/Ge的异质结约2.0小时，退火温度为300℃，从而得到电导类型为P型，电阻率约为2.20×103Ω·cm的高结晶度SnSe晶体薄膜，进而获得具有高整流比的SnSe/Ge的异质结。
利用真空蒸镀的方法，在SnSe晶体薄膜的上表面蒸镀一层厚度约为60nm的Cu栅格电极，作为红外传感器件的顶接触欧姆电极；以高纯度(99.999％)的Cu颗粒作为蒸发源，蒸发温度为1100℃，蒸镀时间约20min；其中Cu电极的具体结构和参数由预先加工好的图案化金属掩膜版辅助实现。其次，采用真空热蒸镀工艺，在Ge晶体基片的下表面制备一层厚度60-100nm的In薄膜作为器件的底接触电极，蒸发温度为160℃，工作气体为氮气，真空度约10-3Pa，蒸镀时间约30min，蒸镀过程中为保证异质结不发生短路，保持In电极的面积略小于异质结的横断面积，最终构筑出异质结红外光电传感器。
实施例四
本实施例介绍了一种异质结红外光电传感器的制备方法。
以电阻率为1.0-5.0Ω·cm、厚度为100-200μm的N型单晶Ge基片作为衬底，利用超声清洗设备分别在洗洁精、酒精、丙酮、酒精溶液中依次清洗Ge晶体基片30min，然后通过干燥氮气(N2)吹干该基片，从而得到表面洁净的Ge衬底。随后，采用物理气相沉积(PVD)方法,以高纯度(99.999％)的SnSe粉末作为生长源，在Ge晶体基底上生长一层厚度约为70nm、电阻率约为2.20×103Ω·cm的P型层状SnSe晶体薄膜，从而制备出电学整流比高达200的SnSe/Ge的异质结；生长过程中，蒸发生长温度为600℃，工作气压为25Pa，工作气体为氩气(Ar)，流速为40sccm，生长时间控制在10分钟左右。
利用光刻工艺，充分借助光刻版和光刻胶的辅助，图案化生长的SnSe/Ge的异质结，其光刻胶窗口的结构和尺寸定义了Cu栅格电极的具体结构与尺寸；利用真空蒸镀的方法，以高纯度(99.999％)的Cu颗粒作为蒸发源，在图案化的SnSe/Ge的异质结上蒸镀一层厚度约60nm的Cu薄膜，其蒸发温度为1100℃，蒸镀时间约20min；随后，通过剥离工艺得到Cu鱼骨状结构的顶接触欧姆电极。其次，通过旋涂工艺在制备的Cu/SnSe/Ge的异质结的底层Ge基片的下表面，制备一层厚度约100nm的In-Ga合金作为器件的底接触欧姆电极，从而构筑出异质结红外光电传感器。
实施例五
本实施例介绍了一种异质结红外光电传感器的制备方法。
以电阻率为1.0-5.0Ω·cm、厚度为100-200μm的N型单晶Ge基片作为衬底，利用超声清洗设备分别在洗洁精、酒精、丙酮、酒精溶液中依次清洗Ge晶体基片30min，然后通过干燥氮气(N2)吹干该基片，从而得到表面洁净的单晶Ge衬底。采用磁控溅射的方法,以高纯度(99.999％)的SnSe靶材作为溅射源，在Ge基底上溅射一层厚度为70nm的层状SnSe晶体薄膜；其中，靶材直径为50.8mm，溅射功率为50W，工作气压为10Pa，工作气体为氩气(Ar)，流速为50sccm，溅射时间控制在20分钟左右。随后，采用快速退火炉，在高纯氮气(N2)氛围下，退火溅射的SnSe/Ge的异质结约2.0小时，从而得到电导类型为P型，电阻率约为2.20×103Ω·cm的高结晶度SnSe晶体薄膜，进而获得具有高整流比的SnSe/Ge异质结。
通过磁控溅射工艺，以纯度为99.999％的Cu靶材作为溅射源，并在预先加工好的金属掩膜版的辅助下，在生长的SnSe/Ge异质结的上表面溅射一层厚度约60nm的Cu栅格电极，作为红外传感器件的顶接触欧姆电极，其中，Cu靶材直径为50.8mm，溅射功率为100W，工作气体为氩气(Ar)，工作气压为5.0Pa，流量为35sccm，溅射时间约25分钟。其次，通过旋涂工艺，在Cu/SnSe/Ge的异质结的底层Ge基片的下表面，制备一层厚度约100nm的In-Ga合金作为器件的底接触欧姆电极，从而构筑出异质结红外光电传感器。
实施例六
本实施例介绍了一种异质结红外光电传感器的制备方法。
以电阻率为1.0-5.0Ω·cm、厚度为100-200μm的N型单晶Ge基片作为衬底，利用超声清洗设备分别在洗洁精、酒精、丙酮、酒精溶液中依次清洗Ge晶体基片30min，然后通过干燥氮气(N2)吹干该基片，从而得到表面洁净的Ge衬底。随后，采用化学气相沉积(CVD)的方法，以高纯度(99.999％)的Sn粉和Se粉作为生长源，在Ge晶体基片上生长一层厚度约为70nm、电阻率约为2.20×103Ω·cm的P型层状SnSe晶体薄膜，从而制备出电学整流比高达200的SnSe/Ge的异质结；在薄膜生长过程中，Sn粉和Se粉的蒸发温度为250℃，工作气压为30Pa，工作气体为氩气(Ar)，流速为30sccm，生长时间控制在30分钟左右。
利用真空蒸镀的方法，在SnSe/Ge的异质结的SnSe薄膜的上表面蒸镀一层厚度约为60nm的Cu栅格电极，作为红外传感器件的顶接触欧姆电极；以高纯度(99.999％)的Cu颗粒作为蒸发源，蒸发温度为1100℃，蒸镀时间约20min；其中Cu电极的具体结构和参数由预先加工好的图案化金属掩膜版辅助实现。其次，通过旋涂工艺在SnSe/Ge异质结的Ge基片的下表面，制备一层厚度约100nm的In-Ga合金作为器件的底接触欧姆电极，从而构筑出异质结红外光电传感器。
实施例七
本实施例介绍了一种异质结红外光电传感器的制备方法。
以电阻率为1.0-5.0Ω·cm、厚度为100-200μm的N型单晶Ge基片作为衬底，利用超声清洗设备分别在洗洁精、酒精、丙酮、酒精溶液中依次清洗Ge晶体基片30min，然后通过干燥氮气(N2)吹干该基片，从而得到表面洁净的单晶Ge衬底。采用磁控溅射的方法,以高纯度(99.999％)的SnSe靶材作为溅射源，在Ge基底上溅射一层厚度为70nm的层状SnSe薄膜；其中，靶材直径为50.8mm，溅射功率为50W，工作气压为10Pa，工作气体为氩气(Ar)，流速为50sccm，溅射时间控制在20分钟左右。随后，采用快速退火炉，在高纯氮气(N2)氛围下，退火溅射的SnSe/Ge异质结约2.0小时，退火温度为300℃，从而得到电导类型为P型，电阻率约为2.20×103Ω·cm的高结晶度SnSe晶体薄膜，进而获得具有高整流比的SnSe/Ge的异质结。
通过电子束蒸发沉积工艺，在退火后的SnSe/Ge的异质结的SnSe薄膜的上表面蒸镀生长一层厚度约为60nm的Cu栅格电极，作为红外传感器件的顶接触欧姆电极；以高纯度(99.999％)的Cu颗粒作为蒸发源，蒸发速率为2.0nm/min，蒸镀时间约30min；其中Cu电极的具体结构和参数由预先加工好的图案化金属掩膜版辅助实现。其次，通过旋涂工艺在制备的Cu/SnSe/Ge的异质结的底层Ge基片的下表面，制备一层厚度约100nm的In-Ga合金作为器件的底接触欧姆电极，从而构筑出异质结红外光电传感器。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。