基于hemt结构调制沟道电流的光探测器的制造方法
【专利摘要】本发明用于半导体光电子领域，涉及一种基于HEMT结构调制沟道电流的光探测器。本探测器包括：处于最下方的具有HEMT器件结构的半导体层；在HEMT栅电极位置处沉积一层光感应层；沉积在光感应层上的一层金属电极层；在栅电极两侧具有源电极和漏电极；光辐射穿过具有HEMT器件结构的半导体层入射到栅极光感应层上，光感应层产生热释电效应或者光伏效应，引起光感应层表面电荷分布变化，从而诱导与光感应层接触的半导体层表面的电荷分布发生改变，进而引起半导体层内部极化场强的改变，导致二维电子气(2DEG)的变化，使得输出电流发生改变，最终使输入的光辐射信号转换成变化的电流信号输出，完成光辐射的探测。本发明具有较高的探测率，工作于室温，方便使用。
【专利说明】基于HEMT结构调制沟道电流的光探测器
【技术领域】
[0001]本发明用于半导体光电子【技术领域】，具体涉及一种基于HEMT结构调制沟道电流的光探测器。
【背景技术】
[0002]为了适应未来复杂环境的需要，光探测技术正朝着宽谱、高灵敏、高分辨率、室温化、集成小型化的方向发展。HEMT具有电子迁移率高，电流大，击穿电压高等特点，广泛应用于高频及大功率的场合，特别是GaN HEMT，GaN基半导体具有宽禁带、直接带隙、高电子饱和速度、高击穿电压、小介电常数、强极化电场等特点，这些特点使得GaN材料可以制备高灵敏度的信号转换器件，并适用于高功率，高辐射的恶劣环境，稳定性高，使用范围广。具有很好的压电效应/光伏效应/热释电效应的光感应材料如铁电材料等，已成为制备室温红外探测器有效途径之一，使得基于具有良好热释电效应光感应材料的光探测器性能得到了很大提高。HEMT与具有良好热释电效应的光感应材料相结合可以制作高灵敏度光探测器，但也存在一些问题。问题一:为了提高器件的灵敏度，通常利用压电效应元件和光机械偏转元件(谐振器/悬臂梁/隔膜等)吸收光辐射而产生压电信号或光路偏转来探测光信号，可工作于室温，但是制备工艺复杂，容易受到外界力场/声波的干扰，使其应用范围受限。问题二:为了满足极化电场和多波段宽谱探测要求，使得GaN光子探测器结构设计更为复杂，非极化外延生长和低维外延生长的需求，也对外延生长提出了更高要求。问题三:为了提高铁电材料探测性能，需采用隔膜/微桥隔热工艺，隔热工艺要求高，并且制备过程会对铁电薄膜有一定的破坏，加大了高性能器件制备的难度。综合以上主要光探测器背景分析，不同技术路线的光探测器具有各自的优势，也存在着不足，因此寻找新的探测结构与机理仍是当前研究的重点。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是将具有高灵敏度传感功能的HEMT结构与具有大的热释电和光伏系数的光感应层相结合，制成的通过调制二维电子气(2DEG)控制沟道电流来达到探测目的的光探测器。
[0004]本发明用于半导体光电子【技术领域】，具体涉及一种基于HEMT结构调制沟道电流的光探测器。本探测器包括:处于最下方的具有HEMT器件结构的半导体层；在册組'栅电极位置处沉积一层光感应层；沉积在光感应层上的一层金属电极层；在栅电极两侧具有源电极和漏电极。
[0005]所述的具有HEMT器件结构的半导体层为GaN/AlGaN层或GaAs/AlGaAs层。
[0006]所述的光感应层为吸收光福射产生热释电效应或者光伏效应的材料，如铁电薄膜中的锆钛酸铅(PZT)薄膜，聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜等薄膜。
[0007]本探测器的工作过程是:光辐射穿过具有HEMT器件结构的半导体层入射到栅极光感应层上，光感应层产生热释电效应或者光伏效应，引起光感应层表面电荷分布变化，从而诱导与光感应层接触的半导体层表面的电荷分布发生改变，进而引起半导体层内部极化场强的改变，导致二维电子气(2DEG)的变化，使得输出电流发生改变，最终使输入的光辐射信号转换成变化的电流信号输出，完成光辐射的探测。
[0008]本探测器的优点是:
[0009]1、由于HEMT本身2DEG对电场变化敏感，加上热释电系数大的光探测层对2DEG会产生产生较大影响，探测器具有较高的探测率。
[0010]2、与GaN光子探测器相反，极化电场对本申请结构探测器是有利的，解决了 GaN探测器非极化外延生长和低维外延生长的难题。这为研究紫外、可见、红外探测器提供了新的技术路线。
[0011]3、本探测器为非光生电流依赖型器件，HEMT灵敏度高，受热释电效应及反光伏效应复合光生电场作用，降低了对铁电薄膜形态和隔热要求，并减小了对感光面积的依赖性。
[0012]4、本探测器为单芯片倒装平面型结构，易集成；无微动元件，受振动及声音等外界干扰小；入射光窗为宽带隙材料，可进行宽谱探测，有利于向紫外-可见光-红外探测方向发展，拓展性及移植性较强。
[0013]本发明具有较高的探测率，可提高20-30 %的探测率，工作于室温，方便使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为未倒装焊封装的基于HEMT结构调制沟道电流的光探测器的示意图
[0015]1-HEMT 缓冲层
[0016]2-A1N 层
[0017]3-HEMT 势垒层
[0018]4-源级
[0019]5-漏极
[0020]6-光感应层
[0021]7-栅极金属层
【具体实施方式】
[0022]具体的，所述HEMT器件，是GaN/AlGaN或GaAs/AlGaAs半导体材料制备的HEMT器件；所述的光感应层为锆钛酸铅(PZT)薄膜，聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜等吸收光辐射产生热释电效应的材料；所述金属电极层为铝，金，银，钼，镍单层结构或镍金等多层结构。
[0023]实施例1:
[0024]以GaN/AlGaN HEMT作为HEMT器件，以PZT薄膜作为光感应层，以镍金作为栅极电极层为例，该器件由以下各部分组成:GaN/AlGaN HEMT器件，生长于栅极位置之上的PZT薄膜，生长在PZT薄膜上的镍金电极，生长于栅电极两侧的源电极和漏电极。
[0025]1.首先利用扩散沉积工艺在具有GaN/AlGaN结构的Si片或蓝宝石片形成异质结，制备GaN/AlGaN异质结HEMT。
[0026]2.利用RF磁控溅射系统生长源极和漏极。
[0027]3.利用RF磁控溅射系统在栅极位置上沉积一层PZT薄膜。
[0028]4.利用RF磁控溅射系统沉积一层镍金栅极金属电极层。
[0029]5.激光剥离衬底并做倒装焊封装。
[0030]该结构可以实现红外波段辐射的探测。
[0031]实施例2:
[0032]以GaAs/AlGaAs HEMT作为HEMT器件，以PVDF薄膜作为光感应层，以镍金作为栅极电极层为例，该器件由以下各部分组成:GaAs/AlGaAs HEMT器件，生长于栅极之上的PVDF薄膜，生长在PVDF薄膜上的镍金电极，生长于栅电极两侧的源电极和漏电极。
[0033]1.首先利用扩散沉积工艺在具有GaAs/AlGaAs结构的Si片或蓝宝石片形成异质结，制备GaAs/AlGaAs异质结HEMT。
[0034]2.利用RF磁控溅射系统生长源极和漏极。
[0035]3.利用RF磁控溅射系统在栅极位置上沉积一层PVDF薄膜。
[0036]4.利用RF磁控溅射系统沉积一层镍金栅极金属电极。
[0037]5.激光剥离衬底并做倒装焊封装。
[0038]该结构可以实现红外波段辐射的探测。
[0039]实施例3:
[0040]以GaN/AlGaN HEMT作为HEMT器件，以钛酸锶钡(BST)薄膜作为铁电薄膜层，以镍金作为栅极电极层为例，该器件由以下各部分组成:GaN/AlGaN HEMT器件，生长于栅极之上的BST薄膜，生长在BST薄膜上的镍金电极，生长于栅电极两侧的源电极和漏电极。
[0041]1.首先利用扩散沉积工艺在具有GaN/AlGaN结构的Si片或蓝宝石片形成异质结，制备GaN/AlGaN异质结HEMT。
[0042]2.利用RF磁控溅射系统生长源极和漏极。
[0043]3.利用RF磁控溅射系统在栅极位置上沉积一层BST薄膜。
[0044]4.利用RF磁控溅射系统沉积一层镍金栅极金属电极。
[0045]5.激光剥离衬底并做倒装焊封装。
[0046]该结构可以实现红外波段辐射的探测。
[0047]本发明的实施例只是用来解释和说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权力要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围；本发明未具体说明器件的参数尺寸，对于所有符合本发明原理能达到探测效果的参数尺寸都落入本发明保护范围。
【权利要求】
1.一种基于HEMT结构调制沟道电流的光探测器，其特征在于:该探测器主要包括:处于最下方的具有HEMT器件结构的半导体层；在HEMT栅电极位置处沉积一层光感应层；沉积在光感应层上的一层金属电极层；在栅电极两侧具有源电极和漏电极；所述的光感应层为吸收光辐射产生热释电效应或者光伏效应的材料； 光辐射穿过具有HEMT器件结构的半导体层入射到栅极光感应层上，光感应层产生热释电效应或者光伏效应，引起光感应层表面电荷分布变化，从而诱导与光感应层接触的半导体层表面的电荷分布发生改变，进而引起半导体层内部极化场强的改变，导致二维电子气2DEG的变化，使得输出电流发生改变，最终使输入的光辐射信号转换成变化的电流信号输出，完成光辐射的探测。
2.如权利要求1所述的一种基于HEMT沟道电流调制的光探测器，其特征在于:所述的具有HEMT器件结构的半导体层为GaN/AlGaN层或GaAs/AlGaAs层。
3.如权利要求1所述的一种基于HEMT沟道电流调制的光探测器，其特征在于:所述的光感应层为铁电薄膜。
4.如权利要求1所述的一种基于HEMT沟道电流调制的光探测器，其特征在于:铁电薄膜采用锆钛酸铅薄膜或聚偏二氟乙烯薄膜。
【文档编号】H01L27/144GK104409463SQ201410643683
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月9日 优先权日:2014年11月9日
【发明者】朱彦旭, 于宁, 刘飞飞, 郭伟玲, 杜志娟, 邓叶, 王岳华 申请人:北京工业大学