基于AlBN铁电材料的深紫外探测器及制备方法

本发明属于半导体，进一步涉及紫外探测器，具体为一种基于albn铁电材料的深紫外探测器及制备方法，可用于日盲深紫外光的探测。

背景技术：

1、日盲深紫外光是指波长在200～280nm的紫外光，由于它在穿过大气层时会被臭氧层吸收，因此在地球表面的辐射几乎为零，是一种非常洁净的光。这样，日盲深紫外光就形成了一个低噪声、高对比度的探测环境，可以在白天和黑夜都进行探测。日盲深紫外光电探测器是一种利用日盲深紫外光的特性进行探测的器件，它在导弹跟踪、火灾预警、深空探测等领域有着重要的军事和民用应用。为了利用日盲深紫外光的特性，需要开发高性能的日盲深紫外光电探测器，这是目前半导体光电探测领域的一个研究热点。

2、铁电albn是一种具有超宽禁带(6.2ev)的半导体材料，可以用于制作高性能的深紫外探测器。铁电albn具有很宽的带隙，可以有效地吸收日盲深紫外光，而不受可见光和近紫外光的干扰，并且具有很高的热稳定性和耐辐照性，可以在高温和强辐射环境下工作。它还具有铁电性，可以通过外加电场调节其极化方向和带隙宽度，实现探测器的可调谐性和多功能性。

3、现如今，对可持续和节能技术的需求不断增加，推动了科学研究朝着实现自供能光伏器件发展，特别是太阳能收集和光探测的方向发展。目前，常用的深紫外探测器材料有sic、gan、zno等，但是这些材料都存在一些缺点，如带隙不够宽、暗电流较大、掺杂难度较大等。器件主要依靠外部偏压来驱动光生电荷载流子的分离和传输。然而，依赖外部电源进行操作增加了器件封装的尺寸，并使它们与一些原位应用不兼容。为避免这一问题，开展基于albn铁电材料的深紫外探测器研究对进一步提升器件性能具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种基于albn铁电材料的深紫外探测器及制备方法，使具有铁电性能的albn材料应用于紫外探测器中成为可能，且能进一步提升器件的性能。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种基于albn铁电材料的紫外探测器，自下而上依次包括al2o3衬底1、w底电极2、光吸收层3、sio2介电层4和hfo2紫外阻挡层5，在albn光吸收层3上设有ni顶电极7，且ni顶电极7与sio2介电层4和hfo2紫外阻挡层5之间被ti/au接触垫6隔开；

3、所述ni顶电极7为圆筒状，嵌入在sio2介电层4和hfo2紫外阻挡层5内部，并与光吸收层3上表面接触；

4、所述ti/au接触垫6和ni顶电极7位于hfo2紫外阻挡层5之上的部分呈阶梯状；

5、所述ti/au接触垫6，直接接触albn光吸收层3形成欧姆接触。

6、进一步，上述al2o3衬底1为001取向的al2o3。

7、进一步，上述w底电极2为110取向的钨金属。

8、进一步，上述光吸收层3为albn薄膜，其中b元素掺杂原子百分数不超过20％。

9、进一步，上述ti/au接触垫6，其中的ti厚度为20nm，au厚度为120nm。

10、进一步，上述ni顶电极7的圆筒直径小于200μm，厚度小于5nm。

11、本发明提供的一种基于albn铁电材料的深紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：

12、(1)选用001取向的al2o3作为衬底，在该衬底上使用直流溅射沉积110取向的钨金属，形成w底电极；

13、(2)在w底电极上使用反应脉冲直流溅射和射频溅射沉积b含量为0％-20％的albn薄膜形成光吸收层；

14、(3)将样品放在热台上，在n2氛围下进行退火处理；

15、(4)采用等离子体增强化学气相沉积系统依次生长sio2介电层和hfo2紫外阻挡层；

16、(5)使用光刻、等离子体蚀刻sio2介电层和hfo2紫外阻挡层，在albn光吸收层上形成一个开孔结构；

17、(6)在开孔结构内，依次沉积ti/au接触垫和ni顶电极；

18、(7)完成深紫外探测器的制备。

19、本发明与现有技术相比具有以下优点：

20、第一、本发明中的探测器结构包括顶电极金属/albn半导体/底电极金属，其中利用albn材料的宽带隙、强极化特性以及铁电特性的优势，使得器件在紫外光照下能够有效地分离和传输光生电子和空穴。

21、第二、由于本发明采用albn材料作为光吸收层，其铁电极化方向可以通过外加偏压进行调控，当铁电退极化场方向与albn两侧界面形成的内建电场方向一致时，可以增强探测器的总电场强度；当铁电退极化场方向相反时，可以减弱探测器的总电场强度，从而影响光生电子和空穴的分离和传输，实现对探测器性能的调节；且由于albn具有很大的矫顽场，因此在低电压光电探测过程中，albn材料中预置的铁电极化方向不受外场影响。

22、第三、由于本发明通过准备衬底、沉积底电极、沉积albn层、生长sio2和hfo2层、沉积顶电极等步骤制备器件，得到具有所需结构和参数的albn铁电材料的深紫外探测器，在制备过程中采用常见的清洗、溅射、沉积和刻蚀等工艺，操作简单易实现。

23、综上所述，本发明的基于albn铁电材料的紫外探测器具备结构优势和铁电特性优势，能够通过调控铁电极化方向和外加偏压实现对探测器性能的调节；同时，制备方法简单可行，具备广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种基于albn铁电材料的深紫外探测器，其特征在于：自下而上依次包括al2o3衬底(1)、w底电极(2)、光吸收层(3)、sio2介电层(4)和hfo2紫外阻挡层(5)，在albn光吸收层(3)上设有ni顶电极(7)，且ni顶电极(7)与sio2介电层(4)和hfo2紫外阻挡层(5)之间被ti/au接触垫(6)隔开；

2.根据权利要求1所述的深紫外探测器，其特征在于：所述al2o3衬底(1)为001取向的al2o3。

3.根据权利要求1所述的深紫外探测器，其特征在于：所述w底电极(2)为110取向的钨金属。

4.根据权利要求1所述的深紫外探测器，其特征在于：所述光吸收层(3)为albn薄膜，其中b元素掺杂原子百分数不超过20％。

5.根据权利要求1所述的深紫外探测器，其特征在于：所述ti/au接触垫(6)，其中的ti厚度为20nm，au厚度为120nm。

6.根据权利要求1所述的深紫外探测器，其特征在于：所述ni顶电极(7)的圆筒直径小于200μm，厚度小于5nm。

7.一种基于albn铁电材料的深紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述的退火温度在300～350℃。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(5)中的开孔结构，具体按照如下操作得到：首先将步骤(4)得到的样品放入光刻机中涂覆光刻胶，在sio2介电层和hfo2紫外阻挡层上产生光刻胶开孔图案；再将样品放入等离子体蚀刻机中，并使用反应性气体进行等离子体刻蚀，去除介电层和紫外阻挡层上未被光刻胶保护的区域，形成一个开孔结构。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤(6)中在开孔结构内的albn光吸收层上，依次沉积ti/au接触垫和ni顶电极，具体是：首先在开孔结构内通过物理气相沉积pvd技术，沉积一层ti厚度为20nm、au厚度为120nm的ti/au层作为接触垫；然后将样品再次放入光刻机中，并涂覆光刻胶，在aibn光吸收层上产生光刻胶开孔图案，将样品放入反应离子刻蚀机中，并使用反应性气体进行反应离子刻蚀，去除aibn光吸收层上未被光刻胶保护的区域，形成一个新的开孔结构，再在该结构内沉积厚度小于5nm的ni作为紫外半透明的顶电极。

技术总结
本发明提供了一种基于AlBN铁电材料的深紫外探测器及制备方法，主要解决现有探测器材料带隙不够宽、暗电流较大导致器件性能不佳的问题。结构从下至上包括Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;衬底以及依次生长沉积的W底电极、AlBN光吸收层、SiO<subgt;2</subgt;介电层和HfO<subgt;2</subgt;紫外阻挡层，在光吸收层上的Ni顶电极，且Ni顶电极与SiO<subgt;2</subgt;介电层和HfO<subgt;2</subgt;紫外阻挡层之间被Ti/Au接触垫隔开；AlBN光吸收层和顶电极与底电极形成欧姆接触。本发明利用AlBN材料的宽带隙、强极化特性以及铁电特性的优势，通过调控铁电极化方向和外加偏压实现对探测器性能的调节；在深紫外光照下能够有效地分离和传输光生电子和空穴，且制备方法简单可行，具备广阔的应用前景。

技术研发人员：苏杰,肖正懋,陈子龙,常晶晶,林珍华,张进成,郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15