一种晶体管型4H-SiC基宽谱表面等离激元光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体光电探测器技术领域，具体涉及一种晶体管型4H

【技术实现步骤摘要】
一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体光电探测器
，具体涉及一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]高灵敏度宽谱光电探测器能实现对弱光信号的有效探测，在国防监测、天文观测、生产作业与医疗检测等领域中有重要用途。光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管(APD)器在弱光探测方面性能优异，探测效率极高。但它们工作时需要施加很高的电压，PMT的工作电压为1
‑
3kV，APD的工作电压为几十伏到几百伏，二者都面临高功耗的问题。此外，PMT是真空器件，还面临体积大、不易集成的问题。相比而言，呈固体形式的晶体管型光电探测器具有暗电流低、响应率高的特性，十分适合开发用于弱光信号探测的高灵敏度光电探测器。在材料选择方面，第三代半导体材料碳化硅(SiC)是一种宽带隙半导体材料，具有稳定性好、电子漂移速度高、热导率高等优点。相比于第一、第二代半导体材料，SiC材料在高温、强辐射等极端环境下具有更高的稳定性。SiC包括各种晶型，其中以4H
‑
SiC的晶圆质量最优，更适合开发高性能电子及光电子器件。近年来，基于4H
‑
SiC的晶体管型光电探测器陆续被报道，但是它们只能探测紫外光。因此，探寻一种高灵敏度的晶体管型4H
‑
SiC宽谱光电探测器具有重要意义。

技术实现思路

[0003]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：提供一种高灵敏度的晶体管型4H
‑
SiC宽谱光电探测器及其制备方法，通过引入表面等离激元热载流子效应，实现具有高增益性能的紫外
‑
可见
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近红外宽谱光信号探测。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器，包括4H
‑
SiC基底，所述4H
‑
SiC基底的硅面上设置有Au纳米颗粒层，所述Au纳米颗粒层为多个Au纳米颗粒呈岛状分布形成，所述Au纳米颗粒层上设置有分离的半透光的源电极和漏电极，所述4H
‑
SiC基底的碳面上设置有不透光的栅电极。
[0005]所述Au纳米颗粒层中，呈岛状分布Au纳米颗粒的岛直径为120nm
±
40nm，岛高度为40nm
±
10nm，岛与岛之间的间隙宽度为150nm
±
30nm。
[0006]所述源电极和漏电极为平行的方形金属电极，其边长为230μm
±
50μm。
[0007]所述源电极、漏电极的厚度均为15nm
±
5nm，源电极和漏电极之间的距离为30μm
±
10μm。
[0008]所述4H
‑
SiC基底为半绝缘型，其电阻率在1e13 ohm
·
cm至1e15 ohm
·
cm之间。
[0009]所述4H
‑
SiC基底的厚度为100～1000μm，栅电极的厚度为100nm
±
20nm。
[0010]源电极、漏电极和栅电极材料相同，为银、铝或金中的一种。
[0011]此外，本专利技术还提供了所述的一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测
器的制备方法，包括以下步骤：
[0012]S1、通过原子力显微镜对4H
‑
SiC基底进行碳面与硅面的标定，并对4H
‑
SiC基底进行清洗和烘干；
[0013]S2、通过磁控溅射法在处理后的4H
‑
SiC基底的硅面一侧制备Au膜，然后通过薄膜热退火工艺将Au膜转化为Au纳米颗粒层；
[0014]S3、在Au纳米颗粒层上设置掩膜版，采用磁控溅射法，在Au纳米颗粒层的上方制备源电极和漏电极；
[0015]S4、采用磁控溅射法，在4H
‑
SiC基底的碳面上制备栅电极。
[0016]所述步骤S2中，制备的Au膜的厚度为4nm
±
1nm，通过薄膜热退火工艺将Au膜转化为Au纳米颗粒层的具体方法为：将镀有Au薄膜的4H
‑
SiC基底转移到马弗炉中，在马弗炉中从室温每分钟升3度的速度升高到500℃的高温，维持3个小时，自然冷却到室温，形成岛状Au纳米颗粒层。
[0017]所述步骤S3中，在4H
‑
SiC基底加载了Au纳米颗粒层的上方先加载铜网掩膜版，再进行磁控溅射制备源电极和漏电极，铜网掩膜版的几何参数为方形网格边长为230μm
±
50μm，肋宽30
±
10μm，厚度20
‑
30μm。
[0018]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提供了一种晶体管型4H
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SiC基宽谱表面等离激元光电探测器，通过在半绝缘型4H
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SiC基底的硅面上先制备Au纳米颗粒再制备源电极和漏电极，然后翻转样品，在半绝缘型4H
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SiC衬底的碳面上制备栅电极，电路连接采用共源接法，实现了紫外
‑
可见
‑
近红外光照射下电流信号的有效放大，器件的响应光谱得到了大幅度拓宽。基于4H
‑
SiC基底的半绝缘特性，本专利技术在暗态下的漏极电流(I
D
)极低，达到10fA水平；此外，本专利技术中通过引入Au纳米颗粒，使得其具有高效吸收宽谱入射光的能力，进而产生大量的热电子，这些热电子信号可跨越势垒注入到4H
‑
SiC基底内部，引起4H
‑
SiC内的电导率分布发生变化。此外，本专利技术基于晶体管工作原理，由于栅源之间的电流(I
GS
)远大于源漏之间的电流(I
SD
)，所以亮电流被显著放大。本专利技术可以改变光照条件及栅、源偏压，有效调控探测器的输出特性。当V
GS
＝10V且V
SD
＝20V时，器件在300
‑
850nm宽谱范围内实现了10A/W以上的响应率，其中在紫外300nm波长下，器件的响应率高达103A/W。在375nm波长下，该器件最弱可探测光功率密度接近nW/cm2。因此，本专利技术可以实现具有高增益性能的紫外
‑
可见
‑
近红外宽谱光信号探测。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例提出的一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器的结构示意图，图中：1
‑
4H
‑
SiC基底，2
‑
Au纳米颗粒层，3
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器，其特征在于，包括4H
‑
SiC基底(1)，所述4H
‑
SiC基底(1)的硅面上设置有Au纳米颗粒层(2)，所述Au纳米颗粒层(2)为多个Au纳米颗粒呈岛状分布形成，所述Au纳米颗粒层(2)上设置有分离的半透光的源电极(3)和漏电极(4)，所述4H
‑
SiC基底(1)的碳面上设置有不透光的栅电极(5)。2.根据权利要求1所述的一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器，其特征在于，所述Au纳米颗粒层(2)中，呈岛状分布Au纳米颗粒的岛直径为120nm
±
40nm，岛高度为40nm
±
10nm，岛与岛之间的间隙宽度为150nm
±
30nm。3.根据权利要求1所述的一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器，其特征在于，所述源电极(3)和漏电极(4)为平行的方形金属电极，其边长为230μm
±
50μm。4.根据权利要求3所述的一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器，其特征在于，所述源电极、漏电极的厚度均为15nm
±
5nm，源电极(3)和漏电极(4)之间的距离为30μm
±
10μm。5.根据权利要求1所述的一种晶体管型4H
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SiC基宽谱表面等离激元光电探测器，其特征在于，4H
‑
SiC基底(1)为半绝缘型，其电阻率在1e13 ohm
·
cm至1e15 ohm
·
cm之间。6.根据权利要求1所述的一种晶体管型4H
‑
SiC基宽谱表面等离激元光电探测器，其特征在于，4H
‑
SiC基底(1)的厚度为100～10...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔艳霞，樊亚萍，李国辉，王文艳，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：