一种氧化镓肖特基结紫外探测器及制备方法与流程

1.本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种氧化镓肖特基结紫外探测器及制备方法。


背景技术：

2.太阳光是自然界最主要的紫外光源，uvc波段有一段波长范围的光在通过大气层时，会被平流层中的臭氧强烈的吸收，因而在近地大气中几乎不存在，这段区域称为日盲波段(240～280nm)。由于日盲波段内几乎没有自然光背景辐射的干扰，该波段被广泛作为紫外探测器的响应波段，具有极低的误报率。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的光电探测技术，其技术关键是研制出高灵敏度、低噪声的紫外探测器。
3.随着第三代宽禁带半导体的研究深入，碳化硅(sic)作为宽禁带半导体材料的典型代表，以其材料成熟度高、禁带宽度大(3.26ev)、击穿电场高(3.0mv/cm)、饱和电子漂移速度大(2.0
×
107cm/s)和热导率高等多方面性能优势成为制备紫外探测器的首选材料。以碳化硅为代表的宽禁带半导体紫外探测器，对可见光不响应，具有天然的可见光盲特性。
4.然而，虽然基于碳化硅的紫外探测器对可见光和红外光不响应，能够大幅度减小背景噪声，但是对紫外波段的响应却不具有选择性，也即不具有“日盲”特性，导致紫外探测器的灵敏度较低，这大大限制了sic紫外探测器在很多重要领域的应用。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种氧化镓肖特基结紫外探测器及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明实施例提供了一种氧化镓肖特基结紫外探测器，包括：氧化镓衬底、氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层、若干肖特基接触电极、欧姆接触电极和若干金属导电电极，其中，
7.所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层位于所述氧化镓衬底上，若干所述肖特基接触电极间隔分布在所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层的表层中，若干金属导电电极间隔分布在所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层的表面上，所述欧姆接触电极位于所述氧化镓衬底下。
8.在本发明的一个实施例中，所述氧化镓衬底的厚度为0.05～1mm，材料为n+ga2o3，掺杂浓度为1
×
10
18
～1
×
10
20
cm
‑3；所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层的厚度为0.1～0.4μm。
9.在本发明的一个实施例中，所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层包括若干氧化镓外延层和若干镓金属层，其中，若干所述氧化镓外延层和若干所述镓金属层依次交替层叠，且所述镓金属层位于相邻两层所述氧化镓外延层之间。
10.在本发明的一个实施例中，所述氧化镓外延层的数量均为2层，所述镓金属层的数量均为1层，所述镓金属层位于两层所述氧化镓外延层之间。
11.在本发明的一个实施例中，所述镓金属层包括至少一层镓金属纳米粒子。
12.在本发明的一个实施例中，所述镓金属纳米粒子的直径为5～50nm。
13.在本发明的一个实施例中，所述氧化镓外延层的掺杂浓度小于1
×
10
15
cm
‑3。
14.在本发明的一个实施例中，还包括钝化层，所述钝化层位于所述金属导电电极和所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层之间，且位于相邻两个所述肖特基接触电极之间。
15.本发明的另一个实施例提供了一种氧化镓肖特基结紫外探测器的制备方法，包括步骤：
16.s1、在氧化镓衬底上外延生长氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层；
17.s2、在所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层上淀积钝化层；
18.s3、去除若干肖特基接触电极区域的所述钝化层，并对器件进行原位氧化，在所述氧化镓衬底和若干所述肖特基接触电极区域的表面形成氧化膜；
19.s4、去除所述氧化镓衬底下表面的所述氧化膜，并在所述氧化镓衬底的下表面制备欧姆接触电极；
20.s5、去除若干所述肖特基接触电极区域表面的所述氧化膜，并在若干所述肖特基接触电极区域淀积肖特基接触金属，形成位于所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层表层中的若干肖特基接触电极；
21.s6、在所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层表面上淀积金属导电电极,使得所述金属导电电极间隔分布。
22.在本发明的一个实施例中，步骤s1包括步骤：
23.s11、在所述氧化镓衬底上外延生长氧化镓外延层；
24.s12、在所述氧化镓外延层上沉积镓金属层；
25.s13、重复步骤s11和步骤s12，使得所述镓金属层位于相邻两层所述氧化镓外延层之间；
26.s14、对器件进行退火处理，形成所述氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果：
28.本发明的氧化镓肖特基结紫外探测器在紫外光的照射下，镓纳米粒子产生等离激元共振效应，使得镓纳米粒子表面电场增强，散射截面增大，与氧化剂材料之间发生能量及热电子转移，可以大幅增强氧化镓基探测器对日盲光的探测能力，提升探测器的响应灵敏度。
附图说明
29.图1为本发明实施例提供的一种氧化镓肖特基结紫外探测器的结构示意图；
30.图2为本发明实施例提供的另一种氧化镓肖特基结紫外探测器的结构示意图；
31.图3为本发明实施例提供的一种氧化镓肖特基结紫外探测器的制备方法的流程示意图；
32.图4a
‑
图4i为本发明实施例提供的一种氧化镓肖特基结紫外探测器的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
34.实施例一
35.请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种氧化镓肖特基结紫外探测器的结构示意图。该氧化镓肖特基结紫外探测器包括氧化镓衬底1、氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2、若干肖特基接触电极3、欧姆接触电极4和若干金属导电电极5。
36.其中，氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2位于氧化镓衬底1上，若干肖特基接触电极3间隔分布在氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2的表层中，若干金属导电电极5间隔分布在氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2的表面上，欧姆接触电极4位于氧化镓衬底1下。进一步的，若干金属导电电极5可以覆盖相邻两个肖特基电极3的边缘位置，与肖特基电极3接触，也可以位于相邻两个肖特基电极3之间，不与肖特基电极3接触。
37.在一个具体实施例中，氧化镓衬底1的厚度为0.05～1mm，其材料为n+ga2o3，掺杂浓度为1
×
10
18
～1
×
10
20
cm
‑3。
38.在一个具体实施例中，氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2包括若干氧化镓外延层21和若干镓金属层22，其中，若干氧化镓外延层21和若干镓金属层22依次交替层叠，且镓金属层22位于相邻两层氧化镓外延层21之间。
39.可以理解的是，镓金属层22位于相邻两层氧化镓外延层21之间，镓金属层22不与氧化镓衬底1和肖特基接触电极3接触，镓金属层22下方的氧化镓外延层21与氧化镓衬底1接触，镓金属层22上方的氧化镓外延层21与肖特基接触电极3接触。
40.进一步的，镓金属层22两侧的氧化镓外延层21的厚度可以相等，也可以不等，从而，多层氧化镓外延层21的厚度可以相等，也可以不等。
41.本实施例中，氧化镓外延层21的数量均为2层，镓金属层22的数量均为1层，镓金属层22位于两层氧化镓外延层21之间，镓金属层22上下的两层氧化镓外延层21分别与氧化镓衬底1和肖特基接触电极3接触，使得镓金属层22不与氧化镓衬底1和肖特基接触电极3接触。进一步的，镓金属层22两侧的氧化镓外延层21的厚度可以相等，也可以不等，即镓金属层22可以位于氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2的正中间，也可以位于氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2靠上方的位置处，也可以位于氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2靠下方的位置处。
42.在一个具体实施例中，镓金属层22包括至少一层镓金属纳米粒子，即，每一层镓金属层22可以由一层镓金属纳米粒子形成，也可以由多层镓金属纳米粒子堆叠形成。具体的，每个镓金属纳米粒子的直径为5～50nm。
43.具体的，氧化镓外延层21的掺杂浓度小于1
×
10
15
cm
‑3。氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2的厚度为0.05～1mm，即依次交替层叠的若干氧化镓外延层21和若干镓金属层22的总厚度为0.05～1mm。
44.请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种氧化镓肖特基结紫外探测器的结构示意图。该氧化镓肖特基结紫外探测器包括氧化镓衬底1、氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2、若干肖特基接触电极3、欧姆接触电极4、若干金属导电电极5和钝化层6。
45.其中，氧化镓衬底1、氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2、若干肖特基接触电极3、欧
姆接触电极4、若干金属导电电极5的位置请参见上述描述，此处不再赘述。
46.钝化层6位于金属导电电极5和氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2之间，即，钝化层6间隔分布在氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2的表面上且位于相邻两个肖特基接触电极3之间，金属导电电极5位于钝化层6上，此时，钝化层6不与肖特基电极3接触。
47.本实施例的衬底1和外延层21采用氧化镓材料，氧化镓是一种导电的氧化物材料，它具有禁带宽度大、击穿电压高、导通电阻小的特点，且氧化镓属于透明导电氧化物半导体，其透明范围从可见光波段一直延伸到紫外区域，并且对各个波段的辐射透过率较高；利用氧化镓独特的光学特性可以制作性能优良的紫外光电探测器，本实施例在在氧化镓衬底上制备出的光电探测器表现出比碳化硅衬底更好的器件性能，其暗电流较低、响应时间降低、响应度提升、探测率提高。
48.本实施例的氧化镓肖特基结紫外探测器在紫外光的照射下，镓纳米粒子产生等离激元共振效应，使得镓纳米粒子表面电场增强，散射截面增大，与氧化剂材料之间发生能量及热电子转移，可以大幅增强氧化镓基探测器对日盲光的探测能力，提升探测器的响应灵敏度。
49.本实施例在氧化镓衬底材料为氧化镓单晶，用氧化镓单晶作为衬底外延氧化镓薄膜可以有效避免晶格失配的问题，获得结晶质量较好的同质外延薄膜。
50.实施例二
51.在实施例一的基础上，请参见图3和图4a
‑
图4i，图3为本发明实施例提供的一种氧化镓肖特基结紫外探测器的制备方法的流程示意图，图4a
‑
图4i为本发明实施例提供的一种氧化镓肖特基结紫外探测器的制备方法的过程示意图。该氧化镓肖特基结紫外探测器的制备方法包括步骤：
52.s1、在氧化镓衬底1上外延生长氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2。具体包括：
53.s11、在氧化镓衬底1上外延生长氧化镓外延层21，请参见图4a。
54.具体的，用化学气相沉积法在氧化镓衬底1的上表面外延生长氧化镓薄膜，形成氧化镓外延层21。
55.s12、在氧化镓外延层21上沉积镓金属层22，请参见图4b。
56.具体的，将样品移入装有金属ga源的腔体中，在氧化镓外延层21上沉积ga金属，形成镓金属层22。
57.s13、重复步骤s11和步骤s12，使得镓金属层22位于相邻两层氧化镓外延层21之间。
58.具体的，在步骤s12沉积的镓金属层22的表面多次重复生长氧化镓外延层21和镓金属层22，并且在沉积最后一层氧化镓外延层21之后不再沉积镓金属层22，从而镓金属层22位于相邻的两层氧化镓外延层21之间，如图4c所示。
59.具体的，当氧化镓外延层21的层数为2层，镓金属层22的层数为1层时，先用化学气相沉积法在氧化镓衬底1的上表面外延生长氧化镓外延层21，然后在氧化镓外延层21上生长形成镓金属层22，最后在镓金属层22上再沉积一层氧化镓外延层21，请参见图4d。
60.s14、对器件进行退火处理，形成氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2。
61.具体的，将样品转移至退火炉中，在400
‑
1250℃下退火10～150min，形成氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2。
62.本实施例中，对形成氧化镓外延层和镓金属层的器件进行退火，可以消除界面缺陷，提高界面质量。
63.s2、在氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2上淀积钝化层6，请参见图4e。
64.具体的，在氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2上淀积钝化层材料，然后通入1100℃氮气热处理30分钟，形成钝化层6。
65.s3、去除若干肖特基接触电极区域的钝化层6，并对器件进行原位氧化，在氧化镓衬底1和若干肖特基接触电极区域的表面形成氧化膜11，请参见图4f。
66.具体的，首先在氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2的表面上确定肖特基接触电极区域，然后湿法腐蚀掉肖特基接触电极区域的钝化层6；接着对器件进行原位氧化，在肖特基接触电极区域和氧化镓衬底1的表面均形成致密的氧化膜11。具体的，该氧化膜11可以为氧化镓薄膜。
67.s4、去除氧化镓衬底1下表面的氧化膜11，并在氧化镓衬底1的下表面制备欧姆接触电极4，请参见图4g。
68.具体的，湿法腐蚀去除氧化镓衬底1下表面的氧化膜11，并在氧化镓衬底1下表面依次淀积金属ti与au，然后在470℃氮气中进行退火处理，形成欧姆接触电极4。
69.s5、去除若干肖特基接触电极区域表面的氧化膜11，并在若干肖特基接触电极区域淀积肖特基接触金属，形成位于氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2表层中的若干肖特基接触电极3，请参见图4h。
70.具体的，湿法腐蚀去除肖特基接触电极区域的氧化膜11，并在肖特基接触电极区域依次淀积金属pt与au，然后在350℃氮气下进行退火处理，形成若干肖特基接触电极3，若干肖特基接触电极3间隔分布氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2表层中。
71.s6、在氧化镓
‑
镓纳米粒子复合有源层2表面上淀积金属导电电极5,使得金属导电电极5间隔分布，请参见图4i。
72.具体的，在肖特基接触电极3之间淀积金属导电电极5，然后进行二次低温退火，退火温度为55℃，以修复器件损伤，完成氧化镓肖特基结紫外探测器的制备。
73.制备得到的氧化镓肖特基结紫外探测器的具体结构请参见实施例一，本实施例不再赘述。
74.本实施例的氧化镓肖特基结紫外探测器在紫外光的照射下，镓纳米粒子产生等离激元共振效应，使得镓纳米粒子表面电场增强，散射截面增大，与氧化剂材料之间发生能量及热电子转移，可以大幅增强氧化镓基探测器对日盲光的探测能力，提升探测器的响应灵敏度。
75.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。