[发明专利]一种半导体光电探测器及其制备方法

说明书

本发明提供垂直半导体光电探测器、平面半导体光电探测器及垂直、平面半导体光电探测器的制备方法，垂直半导体光电探测器包括第一衬底(11)、下电极(12)、第一功能层(13)及上电极(14)；下电极(12)与上电极(14)中的一者为活性电极，另一者为惰性电极，第一功能层(13)在电场下能发生阻变，并在阈值电压下形成下电极(12)与上电极(14)之间的导电通路；第一功能层(13)在光照下的阈值电压小于在非光照下的阈值电压。本发明提供的方法能够有效改善传统光电探测器中小尺寸和高响应的权衡问题、在弱光探测方面具有明显优势，同时还可以抑制光电探测器阵列中的交叉串扰问题。

技术领域

本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种半导体光电探测器及其制备方法。

背景技术

在紫外探测领域，目前实用性器件主要是硅基的光电倍增管和紫外光电管。然而，光电倍增管需要在高压下工作，具有较大的体积和质量。另外，硅基紫外光电管需要附加滤光片，增加了系统的复杂性。宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnO、Ga₂O₃等具有耐高低温极端环境、抗辐照、耐击穿、高热学及化学稳定性等本征优异性质。利用宽禁带半导体材料，可以在不使用滤光片的情况下，使器件工作在深紫外波段，有利于简化紫外探测系统结构，减轻重量和体积。但器件还存在操作电压大、响应度低、光电流小、响应速度慢、器件尺寸大等缺点。

光电探测器普遍存在小尺寸下难以实现高响应的特点，即小尺寸器件与高响应性能之间权衡(tradeoff)的问题。同其他波段光电探测器类似，深紫外光电探测器为了实现较大的光吸收和较高的光响应，传统思路为增大器件表面积。对于单器件探测场景，为了实现较高的探测响应，大的器件面积无可厚非。然而，对于光电探测器的阵列成像应用而言，较大的器件面积会导致最终的阵列尺寸较大、重量大、成像分辨率低、制造成本高等问题，不利于光电探测设备的小型化发展。尤其是对于空间探测而言，小尺寸、轻质量的探测器的发展至关重要。当缩小器件尺寸，减小器件的曝光面积，探测器将面临操作电压大、响应度低、响应电流小、光暗电流比小、信噪比小等系列问题，这极大地削弱了探测器的响应性能，特别是在弱光下的探测能力。此外，由于波长较短的深紫外光在传输的过程中会受到强烈的吸收和散射，光的强度随传播距离的增加而大幅度衰减，深紫外保密通信技术对探测器的弱光探测能力具有较高的要求。综上，深紫外光电探测器小尺寸与高响应之间的tradeoff问题严重限制了其小型化、高性能的发展趋势，特别是对弱光的探测能力及大规模阵列的集成能力。另外，深紫外光电探测器还存在阵列的串扰问题，光电探测器的阵列不可避免的存在交叉串扰(crosstalk或sneak path)问题，这会导致对探测目标的错误读取和成像。在成像技术应用中，光电探测器件对集成度和分辨率具有较高的要求，交叉阵列是光电探测器高密度的主要形式。同时，光电探测器还存在弱光探测性能差的问题。

深紫外(Deep Ultra-Violet，DUV)探测器是继红外探测和激光探测之后又一个民事和军事两用的探测技术。民用方面，深紫外探测器可应用于火灾检测、电晕监控、臭氧检测、石油工业、环境污染等领域；军用方面，深紫外探测器可应用于紫外天文学、机器视觉、导弹羽流探测、导弹制导、空间保密通信等领域。随着SiC、GaN和Ga₂O₃等宽禁带半导体材料的生长和晶圆加工技术的成熟，宽禁带半导体材料深紫外光电探测器的研究是当下的国际研究热点。但器件还存在操作电压大、响应度低、光电流小、响应速度慢、器件尺寸大等缺点。

阻变效应是指在外部偏压激励下器件电阻发生变化的现象。金属-氧化物-金属结构阻变器件内部在外电场作用下发生氧化还原反应，其阻变效应由氧化还原反应诱导的导电通路的形成与熔断所主导。根据导电细丝在去除外置偏压后的连通或熔断状态，阻变效应又分为非易失性阻变效应和易失性阻变效应。非易失性器件在移除外置偏压后，器件的低阻态会很好的保持；易失性器件在移除外置偏压后，器件的低阻态会自发回到高阻态。