CN116799092A - 一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器及其制备方法。其中，所述探测器包括：所述探测器从下至上依次包括：衬底、p型半导体薄膜；第一金属电极与Ga2O3薄膜形成的叉指结构；设置于Ga2O3薄膜表面的第二金属电极，所述第二金属电极的形状与所述Ga2O3叉指薄膜相契合。本发明采用叉指的方式进行Ga2O3与其他p型半导体异质结探测器的制备，增大了电极周长和0V偏压下载流子收集能力，并且提高反偏压时Ga2O3区域的平均电场强度，增快载流子的迁移速率，达到更高的响应度和更快的响应时间(<10μs)。上述方案的电极结构能够提高光电探测器功率转换效率并且调节载流子传输时间，载流子在电极间的传输时间缩短，光电流的产生效率提高，从而进一步提升器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及日盲紫外探测器技术领域，尤其涉及一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器及其制备方法。
背景技术
日盲紫外探测器在导弹跟踪、火灾预警和深空探测等军事、商业、科研方面有着重要的应用，其面临着高温、强电场、强辐射等比较极端的工作环境。然而，传统的硅基日盲紫外探测器存在对紫外光灵敏度低、响应时间慢等问题，难以满足苛刻条件下的高灵敏度、快速检测要求，因此需开发一种高性能日盲紫外光电探测器。
氧化镓作为新兴的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、热稳定性好、对日盲紫外光波段吸收系数大、等优点，是日盲紫外光电探测器的理想候选材料。氧化镓基的日盲紫外探测器按结构划分为：MSM型单层氧化镓薄膜探测器和具有n型氧化镓的PN结型异质结探测器。这其中，异质结光电探测器因其具有内建电场导致具有响应速率较快、零功耗工作等优势，如：典型的MSM探测器响应时间约为0.1-10s之间，而异质结探测器的响应时间在10μs-0.1s之间。
但在现有技术中以n-Ga2O3/p-GaN为例，在异质结探测器的制备中，n-Ga2O3和p-GaN上分别沉积电极(包括金属电极或ITO、TiN等电极)。在零偏压下，载流子的收集主要来源于PN结自身存在的内建电场以及PN结区外的载流子扩散运动，因此此时器件的影响特性很大程度上取决于电极的周长参数。而在电极上施加反向电压(p型负偏，N型正偏)后，会在PN异质结处产生增强的内建电场。当日盲紫外光照射在PN结区时，PN结区产生光生载流子，电子空穴浓度提高。上述电场会将光生载流子抽离PN结，形成所谓探测得到的光生电流。这时，探测器的探测效率、响应时间等重要参数均与上述电场强度正相关。而相同电压下，电场强度取决于电极之间的间距，因此，在保证器件光照面积和器件长宽比不失调的前提下，缩小正负电极间距、增大电极周长尤为重要。但目前n-Ga2O3/p-GaN异质结主要采用大电极的制备方式(如图1、图2所示)，这种结构虽然制备工艺简单，但p/n电极间距较大，导致电压横跨范围过大，电场较低，因此响应度低、响应速率仍然有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器及其制备方法，能够提高光电探测器光电转换效率并且调节载流子传输时间，载流子在电极间的传输时间缩短，场强增大，光电流的产生效率提高，从而进一步提升器件性能。
根据本发明的一个方面，提供一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，所述探测器从下至上依次包括：
衬底、p型半导体薄膜；
设置于p型半导体上的第一金属电极
Ga2O3薄膜形成的叉指结构形状；
设置于Ga2O3叉指薄膜表面的第二金属电极，所述第二金属电极的形状与所述Ga2O3叉指薄膜相契合。
在上述技术方案中，采用叉指半导体薄膜和叉指电极的方式进行Ga2O3与其他p型半导体异质结探测器的制备，提高Ga2O3区域的平均电场强度，增快载流子的迁移速率，达到更高的响应度和更快的响应时间(<10μs)。上述方案的电极结构能够提高光电探测器功率转换效率并且调节载流子传输时间，载流子在电极间的传输时间缩短，场强增大，光电流的产生效率提高，从而进一步提升器件性能。
在一些实施例中，所述第一金属电极和所述第二金属电极为Ni/Au和Ti/Au，或，Ti/Au和Ni/Au。
在上述技术方案中，这样设置的目的在于与n型Ga2O3材料及p型半导体(如：GaN，SiC，AlGaN,GaAs等)形成良好的欧姆接触，提高载流子的传输能力，降低器件功耗。
在一些实施例中，所述叉指电极结构的对数为：5-50对。
在上述技术方案中，这样设置的目的在于在同样的器件面积下，提高电极的周长，增强在0V自驱动时的载流子收集能力，提高器件响应度和响应时间；同时，缩短正负电极间距，也能增强反偏电压时的内建电场，提高器件响应度和响应时间。
在一些实施例中，所述第一金属电极的叉指宽度为5微米-100微米
所述Ga2O3薄膜的叉指宽度为15微米-150微米
所述第二金属电极的叉指宽度为5微米-100微米
在上述技术方案中，这样设置的目的在于增加电极周长，提高0V自驱动时的响应性能；同时降低叉指电极间距，提高反偏驱动时的响应性能。
在一些实施例中，所述第一金属电极与所述Ga2O3薄膜的叉指间距为1-30微米
所述第一金属电极与所述第二金属电极的叉指间距为10-110微米
在上述技术方案中，这样设置的目的在于设置电极间距需要同时兼顾微电子制造工艺的难度、氧化镓裸露面积、电极周长和电场增强效应。如前所述，电极间距的缩小和电极数目的增多会带来更好的光生载流子收集能力。但一味的电极间距缩小和数目增大会导致微电子工艺的光刻、金属剥离等工艺的困难。同时电极间距的缩短会带来氧化镓裸露面积的减小，从而降低总体光吸收量，也会对器件的光电流值造成影响。
在一些实施例中，所述Ga2O3薄膜厚度为50-2000nm。
在上述技术方案中，这样设置的目的在于1.提供足够的氧化镓厚度，用于吸收深紫外光；2.氧化镓厚度不宜太厚，应让氧化镓层尽可能被PN结区耗尽自由载流子，提供更好的内建电场响应。
在一些实施例中，所述p型半导体薄膜为氮化镓、铝镓氮、碳化硅、砷化镓中的一个。
在上述技术方案中，这样设置的目的在于可以提供较宽的禁带宽度，提高器件的深紫外/可见光光响应选择比，同时这四种材料都有较为成熟的p型掺杂工艺，可以实现较好的PN结效果。
根据本发明的另一方面，提出一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器的制备方法，用于制备上述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，所述方法包括如下步骤：
清洗衬底，在衬底上依序生长p型半导体薄膜(载流子浓度1E16～1E19 cm-3)以及n型Ga2O3薄膜(载流子浓度1E16～1E19 cm-3)；
利用光刻、显影、电感耦合等离子体刻蚀或聚焦离子束刻蚀Ga2O3薄膜形成薄膜的叉指图形，使得光刻图形以外的位置裸露出p型半导体薄膜；
依据叉指图形分别在p型半导体薄膜套刻沉积第一金属电极及在Ga2O3薄膜套刻沉积第二金属电极。
在上述技术方案中，为了更好的制备出基于氧化镓基的日盲紫外探测器，根据其结构以及层次，针对性的提出一套制备方案，可以高效便捷的制备出基于氧化镓基的日盲紫外探测器，且良品率较高。制备出的基于氧化镓基的日盲紫外探测器采用叉指电极的方式进行Ga2O3与其他p型半导体异质结探测器的制备，提高Ga2O3区域的平均电场强度，增快载流子的迁移速率，达到更高的响应度和更快的响应时间(<10μs)。上述方案的电极结构能够提高光电探测器功率转换效率并且调节载流子传输时间，载流子在电极间的传输时间缩短，场强增大，光电流的产生效率提高，从而进一步提升器件性能。
在一些实施例中，在衬底上依序生长半导体薄膜以及Ga2O3薄膜的方法包括MOCVD外延法、PLD沉积、MBE外延法、HVPE外延法、旋涂法、磁控溅射PVD法。
在上述技术方案中，这样设置的目的在于：同样的器件面积下，增大电极周长，提高自驱动的响应度；减小电极间距，增强内建电场，提高反偏压时器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统的pad电极结构的立体结构视图；
图2是传统的pad电极结构的俯视角下的结构视图；
图3是基于氧化镓基的日盲紫外探测器实施例之一的立体结构视图；
图4是基于氧化镓基的日盲紫外探测器实施例之一的俯视角下的结构视图；
图5是基于氧化镓基的日盲紫外探测器的制备方法实施例之二的方法流程示意图；
图6是是基于氧化镓基的日盲紫外探测器的制备方法实施例之二的方法结构变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器及其制备方法，能够提高光电探测器功率转换效率并且调节载流子传输时间，载流子在电极间的传输时间缩短，场强增大，光电流的产生效率提高，从而进一步提升器件性能。
实施例之一
请参阅图3、图4，图中以优选的材料方案为例进行说明，对应关系如下：
Sapphire对应下文所述的衬底；
GaN对应下文所述p型半导体薄膜；
Ni/Au对应下文所述的第一金属电极；
Ga2O3对应下文所述的Ga2O3薄膜；
Ti/Au对应下文所述的第二金属电极；
上述对应关系下文不再赘述。
一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器从下至上依次包括：
衬底、p型半导体薄膜；
第一金属电极与Ga2O3薄膜形成的叉指电极结构；
设置于Ga2O3薄膜表面的第二金属电极，所述第二金属电极的形状与所述Ga2O3薄膜相契合。
在本实施例中，所述第一金属电极和所述第二金属电极为
N i/Au(20nm/200nm)和T i/Au(20nm/230nm)，作为一种可选的方案，第一金属电极和第二金属电极也可为T i/Au(30nm/100nm)和N i/Au(20nm/230nm)。这样设置的目的在于分别与n型Ga2O3,p型半导体薄膜形成良好的金属/半导体接触，降低器件的接触电阻和载流子损耗。
在本实施例中，所述叉指电极结构的对数为：5-50对。作为一种优选的方案，对数为20对最佳，这样设置的原因在于既提高了器件性能，又降低了器件工艺的制造难度。
在本实施例中，第一金属电极的叉指宽度为5-100微米。作为一种优选的方案，叉指宽度为10微米最佳，这样设置的原因在于保证接触质量，同时降低工艺难度。
在本实施例中，Ga2O3薄膜的叉指宽度为15-150微米。作为一种优选的方案，叉指宽度为35微米最佳，这样设置的原因在于Ga2O3薄膜的叉指宽度应宽于第二金属电极的宽度，保证Ga2O3对紫外光的吸收面积，但不宜过宽，否则将降低内建电场。
在本实施例中，第二金属电极的叉指宽度为5-100微米。作为一种优选的方案，叉指宽度为10微米最佳，这样设置的原因在于保证接触质量，同时降低工艺难度。
在本实施例中，第一金属电极与Ga2O3薄膜的叉指间距为1-30微米；第一金属电极与第二金属电极的叉指间距为10-110微米。作为一种优选的方案，第一金属电极与Ga2O3薄膜的叉指间距为10微米最佳；第一金属电极与第二金属电极的叉指间距为50微米最佳。这样设置的原因在于保证叉指电极结构带来的性能优势，同时降低器件工艺的难度。
在本实施例中，Ga2O3薄膜厚度为50-2000nm。为一种优选的方案，Ga2O3薄膜厚度为300nm最佳。这样设置的目的在于尽可能让Ga2O3中的载流子浓度耗尽在PN结的内建电场区，有效提高载流子的抽取效率。。
在本实施例中，半导体薄膜为p型氮化镓薄膜。作为可选的实施方案，半导体薄膜的材质也可选择铝镓氮，碳化硅或砷化镓不同材料的优缺点如下：
氮化镓：p型氮化镓外延工艺相对成熟，但载流子浓度和横向电导率相对偏低，同时GaN的禁带宽度为3.4eV，对UVA,UVB段的光子也有吸收，会降低器件的UVC光的选择比。
铝镓氮：铝镓氮可以通过提高铝组分增大禁带宽度，从而提高器件的UVC选择比，但高铝组分的p型铝镓氮材料外延难度较大，晶体质量较难保障。
碳化硅：p型氮化镓外延工艺相对成熟，同时载流子浓度和横向电导率相对较高，但碳化硅的禁带宽度也约为3.2eV，对UVA,UVB段的光子也有吸收，会降低器件的UVC光的选择比。
砷化镓：p型砷化镓外延工艺成熟，载流子浓度和横向电导率高，但砷化镓的禁带宽度为1.4eV，对UVA,UVB，可见光段的光子有吸收，会大幅降低器件的UVC光的选择比。
实施例之二
请参阅图5，在本实施例中，提出一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器的制备方法，用于制备实施例之一的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，所述方法包括如下步骤：
清洗衬底，在衬底上依序生长p型半导体薄膜以及Ga2O3薄膜；
在Ga2O3薄膜表面光刻、沉积叉指图形，并利用电感耦合等离子体刻蚀Ga2O3薄膜，使得光刻图形以外的位置裸露出p型半导体薄膜；
依据叉指图形分别在p型半导体薄膜上套刻沉积第一金属电极及在Ga2O3叉指薄膜套刻沉积第二金属电极。
为了更好的说明，本实施例以具体案例进行说明。
本实施例目的在于提出一种工艺简单、响应时间短、对日盲紫外光吸收系数大以及稳定性好的Ga2O3/GaN异质结(但不局限于GaN材料)日盲紫外光电探测器的制备方法。
为了实现上述的技术目的，以p型氮化镓为例，本发明所采用的技术方案为：
一种n-Ga2O3/p-GaN薄膜的异质结日盲紫外光电探测器，其包括依序设置的蓝宝石衬底、p-GaN薄膜、金属电极、n-Ga2O3薄膜、金属电极；其中，在p-GaN上使用MOCVD外延的n-Ga2O3薄膜厚度约为500nm，p型电极为N i/Au(20nm/200nm)，n型电极为T i/Au(20nm/230nm)。
基于上述的光电探测器结构，结合图6所示，图中的对应关系请对照实施例之一的对应关系描述。Ga2O3/GaN基异质结日盲紫外光电探测器的制作方法，其包括如下步骤：
S1、清洗蓝宝石衬底；
S2、在单面抛光的蓝宝石衬底上生长p型氮化镓以及异质外延的n型氧化镓层；
S3、光刻,形成叉指的光刻胶图形；
S4、电感耦合等离子体(I CP)刻蚀氧化镓，使得光刻图案以外的位置裸露出p型氮化镓层；
S5、套刻沉积p型电极N i/Au(20nm/200nm)；
S6、再次套刻，沉积n型电极T i/Au(20nm/230nm).
S7、在氮气氛围下700℃退火1mi n；
本发明具备如下优点：
(1)器件结构，利用I CP或RI E在氧化镓层刻蚀叉指结构的图案后，制作异质结叉指电极。叉指结构的对数、宽度、厚度以及相邻叉指间距对器件的性能指标有很大的影响。叉指的长宽比越大，叉指的密度越大，叉指电极的初始电阻越小，灵敏度和响应速度越高。
在0V自驱动模式下，深紫外光首先在PN结区及氧化镓表面形成光生载流子。此时，PN结耗尽区内的载流子通过内建电场迁移到氧化镓表面，联同表面载流子通过扩散运动进入被电极收集。假设器件的长为L，宽为W。如果器件采用如图1及图2所示大电极结构，则此时能收集载流子的电极周长为2*(W+L)，而如果在L方向采用N对叉指电极时，器件收集载流子的电极周长则增大为2*(W+N*L)，将大大地提高载流子的收集能力，增强自驱动时的响应度。叉指结构包括：常用的矩形叉指、螺纹叉指、矩形分叉叉指、同心圆叉指等。需要理解的是，矩形的叉指是最简单的结构。圆形和其他复杂图形的确会比矩阵有更大的周长/面积比，在0V下收集载流子的能力更强，在本实施例中为了便于说明，仅以矩形叉指作为举例说明。
在反偏电压时，正负电极(即第一、第二电极)间距由于叉指结构的存在变得更小，电场增强，使得载流子的定向输运更快，相比于传统的大电极来说，叉指电极的灵敏度有显著的提高。在制作器件，叉指结构电极的使用可以提高光电探测器功率转换效率并且调节载流子传输时间，载流子在电极间的传输时间缩短，场强增大，光电流的产生效率提高，从而进一步提升器件性能。
(2)半导体光电探测器由于体积小、重量轻、响应速度快、灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源最理想探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感***和测量***。光电探测器的性能主要由响应度、光谱响应、响应速度、外量子效率以及紫外/可见光抑制比等几个指标来表征，本发明提出的Ga2O3/GaN异质结叉指电极结构将使得器件的以下性能显著提高。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，其特征在于，所述探测器从下至上依次包括：
衬底、p型半导体薄膜；
第一金属电极与Ga2O3薄膜形成的叉指结构；
设置于Ga2O3叉指薄膜表面的第二金属电极，所述第二金属电极的形状与所述Ga2O3叉指薄膜相契合。
2.如权利要求1所述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，其特征在于，
所述第一金属电极和所述第二金属电极为Ni/Au和Ti/Au，或，Ti/Au和Ni/Au。
3.如权利要求1所述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，其特征在于，
所述叉指电极结构的对数为：5-50对。
4.如权利要求1所述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，其特征在于，
所述第一金属电极的叉指宽度为5-100微米；
所述Ga2O3薄膜的叉指宽度为15-150微米；
所述第二金属电极的叉指宽度为5-100微米。
5.如权利要求1所述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，其特征在于，
所述第一金属电极与所述Ga2O3薄膜的叉指间距为1-30微米；
所述第一金属电极与所述第二金属电极的叉指间距为10-110微米。
6.如权利要求1所述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，其特征在于，
所述Ga2O3薄膜厚度为50-2000nm。
7.如权利要求1所述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，其特征在于，
所述p型半导体薄膜为氮化镓、铝镓氮、碳化硅、砷化镓中的一个。
8.一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-7任一项所述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器，所述方法包括如下步骤：
清洗衬底，在衬底上依序生长p型半导体薄膜以及Ga2O3薄膜；
在Ga2O3薄膜表面光刻叉指图形，并利用电感耦合等离子体或聚焦离子束刻蚀Ga2O3薄膜，使得光刻图形以外的位置裸露出p型半导体薄膜；
依据叉指电极图形分别进行套刻，并在p型半导体薄膜套刻沉积第一金属电极及在Ga2O3叉指薄膜上套刻沉积第二金属电极。
9.如权利要求8所述的一种基于氧化镓基的日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，
在衬底上依序生长半导体薄膜以及Ga2O3薄膜的方法包括MOCVD外延法、PLD沉积、MBE外延法、HVPE外延法、旋涂法、磁控溅射PVD法。
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| CN118119259A (zh) * | 2024-04-28 | 2024-05-31 | 南昌大学 | 一种t型结构的光电探测器及其制备方法 |
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