CN102569486B

CN102569486B - 一种肖特基栅场效应紫外探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN102569486B
Application number: CN201210013991.8A
Authority: CN
Inventors: 张新安; 海富生; 郑海务; 党玉敬; 丁玲红; 焦洋; 张伟风
Original assignee: Henan University
Current assignee: Henan University
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: CN102569486A

Abstract

本发明涉及一种肖特基栅场效应紫外探测器及其制备方法，本发明通过采用了肖特基栅场效应晶体管结构，以蓝宝石衬底上外延生长的N型ZnO薄膜为有源层，并在此有源层上利用磁控溅射法制备欧姆源漏电极和肖特基栅极，探测器采用背照式探测方式，通过栅压调整器件工作状态，探测电流由漏源极引出，这种紫外探测器集肖特基结快响应速度和晶体管放大增益特性于一体，采用平面制备工艺，具有结构简单，背照式工作，寄生电容小，工作频带宽等优点，可以获得超高速、大增益、高量子效率的紫外探测器件，在通信和医学等领域有广阔的应用前景。

Description

一种肖特基栅场效应紫外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种肖特基栅场效应紫外探测器及其制备方法，属于光电探测技术领域。

背景技术

紫外探测技术是继红外探测、激光探测后发展起来的又一新型探测技术，广泛应用于医疗诊断、环境监测、天文学、导弹预警、紫外通讯等领域，具有极高的军事和民用价值。传统紫外探测器以真空电子学和外光电效应为基础，常见的是紫外光电倍增管和硅基紫外光电二极管两种，前者体积大、工作电压高；后者需要昂贵的滤光片来减小可见光和红外光的影响，给实际应用带来困难。近年来随着宽带隙半导体材料的研究深入，人们开始利用对可见光响应极低的宽带隙半导体来制备紫外探测器件，包括金刚石、SiC、GaN和ZnO等。其中ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族宽带隙半导体，是一种新兴的紫外光电材料。ZnO室温下的激子束缚能高达60 meV，有可能制作出高量子效率、低激发阈值的光电子器件，在发光二极管（LED）、激光器（LD）、表面声波器件，尤其是紫外探测器方面有着广阔的应用前景。近十年来，ZnO半导体在紫外波段的应用基础研究取得了令人瞩目的研究进展。ZnO应用于紫外探测领域具有一些优于其它宽带隙半导体材料的综合优势：（1）未掺杂的ZnO属直接带隙半导体，室温下禁带宽度约为3.36 eV，吸收边在近紫外波段，在可见光和红外范围响应弱，并且具有熔点高、抗辐照性能强等稳定的物理化学性质。因此可应用于红外或者可见光背景下，并且不惧怕恶劣的环境；（2）改变ZnO基三元合金Mg_xZn_1-xO中Mg的含量，可以使其带隙在3.3 eV（ZnO）到7.8 eV（MgO）连续可调，从而实现太阳盲区紫外光探测；（3）ZnO原料易得，无环境污染，对衬底没有苛刻要求，且易于蚀刻。可以在低温下制备高结晶质量的半导体薄膜或者纳米结构，对实现低成本、大面积紫外图像传感阵列具有技术优势。

高性能半导体光电探测器通常采用p-i-n光电二极管和雪崩光电二极管（APD）结构，但是由于目前制备的p型ZnO材料距离实用化尚有距离，因而阻碍了基于p-n结结构的光电子器件的研制。目前关于ZnO紫外探测器的研究主要集中在ZnO异质结构和MSM（金属-半导体-金属）结构方面。ZnO异质结探测器的响应波长会受窄带隙半导体材料的影响，同时异质结界面处易形成电荷聚集，有较大的隧穿电流。ZnO MSM结构紫外探测器包括以欧姆接触为基础的光电导型和以肖特基接触为基础的肖特基势垒型两种。光电导探测器的内部光电子增益较高，有利于获得高的光电响应度，但是光响应速度较慢，光电导持续时间长；肖特基结探测器虽然响应速度快，但是MSM结构导致器件暗态电流大，量子效率低。

发明内容

本发明的目的是解决上述紫外探测器光响应速度慢、光电持续时间长和量子效率低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提出一种肖特基栅场效应紫外探测器，包括双面抛光的蓝宝石衬底、在该蓝宝石衬底上外延生长的N型ZnO薄膜以及在该N型ZnO薄膜上制备的欧姆源漏电极和肖特基栅极，源极和漏极与ZnO有源层构成欧姆接触，栅极和ZnO有源层构成肖特基接触。

所述的源极和漏极为金属铝、ZnO:Al或ZnO:Ga，采用磁控溅射方法得到，栅极为金属-半导体整流接触的肖特基栅极。

本发明还提出了一种肖特基栅场效应紫外探测器的制备方法，该方法的步骤如下：

1）.将蓝宝石清洗后作为衬底；

2）采用激光分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜作为有源层；

3）.采用湿法刻蚀工艺刻蚀出ZnO有源层台面；

4）.采用磁控溅射方法在ZnO有源层台面源漏区制备源极和漏极；

5）.采用磁控溅射方法在有源层台面上制备金属-半导体整流接触的肖特基栅极；

6）.焊接栅、源、漏三电极引脚，得到肖特基栅场效应紫外探测器成品。

所述的步骤2）中的薄膜厚度为20-50 nm，激光分子束的载流子浓度为5×10¹⁶～1×10¹⁹ cm^-3。

所述步骤3）中的台面长度≤300μm，台面宽度≤200μm。

所述的步骤4）中的电极材料选用Al、ZnO:Al或ZnO:Ga。

所述的步骤5）中的溅射靶材为金属银，溅射功率为50 W，溅射气为氩气和氧气的混合气体，其流量比例为氩气：氧气为3：1，得到氧化银薄膜，最后在氧化银上面溅射金属银。

所述的步骤5）中制备银电极肖特基栅时需要通入一定的氧气。

本发明的有益效果是: 本发明通过采用了肖特基栅场效应晶体管结构，以蓝宝石衬底上外延生长的N型ZnO薄膜为有源层，并在此有源层上利用磁控溅射法制备欧姆源漏电极和肖特基栅极，探测电流由漏源极引出。本发明的紫外探测器集肖特基结快响应速度和晶体管放大增益特性于一体，采用平面制备工艺，具有结构简单，背照式工作，寄生电容小，工作频带宽的优点。

附图说明

图1是本发明的肖特基栅场效应紫外探测器的平面结构示意图；

图2是本发明的肖特基栅场效应紫外探测器截面示意图；

图3是本发明实施例中的Ag和ZnO有源层之间的肖特基接触示意图；

图4是本发明实施例中的源漏电极光电流和暗电流比较结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明的一种肖特基栅场效应紫外探测器的实施例

如图1所示，本发明的肖特基栅场效应紫外探测器包括ZnO有源层、源极、漏极和栅极，源极、漏极和栅极都形成于该ZnO有源层上。有源层为采用激光分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜，薄膜厚度为20-50 nm，载流子浓度为5×10¹⁶～1×10¹⁹ cm^-3。源极和漏极采用磁控溅射技术在ZnO台面源漏区制备源极和漏极，电极材料选用Al（或ZnO:Al、ZnO:Ga），以保证能和ZnO薄膜形成良好欧姆接触，栅极为采用磁控溅射方法在有源区台面上制备金属-半导体整流接触的肖特基栅极，溅射靶材为金属银，溅射功率为50 W，溅射气氛为氩气和氧气的混合气体。探测器采用背照探测方式，通过栅压调整器件工作状态，并从源漏电极引出探测电流。

本发明的肖特基栅场效应紫外探测器采用了场效应晶体管结构，且采用肖特基势垒接触制备栅极，通过调整栅极电压的方式控制有源层中耗尽层厚度，从而控制探测器的紫外探测能力，提高器件的响应时间和量子效率。其基本原理是通过外加栅极电压来控制栅极空间电荷区的宽度，从而控制沟道导电能力的一种场效应器件。这种场效应晶体管的跨导高、工作频率高，是微波领域的热门器件。另外，场效应光电晶体管可以实现极高速光探测，响应时间可达几十皮秒。

本发明的一种肖特基栅场效应紫外探测器制备方法的实施例

1.清洗蓝宝石衬底

1）.本实施例采用两英寸(0001)取向蓝宝石衬底，将其竖直放置在清洗架上并依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗10分钟，重复该过程3次，直到衬底表面不再挂水为止；

2）.按浓H₂SO₄与浓H₃PO₄体积比为3∶1的比例配制腐蚀液，将上述蓝宝石衬底放入腐蚀液，水浴加热20分钟；

3）.从腐蚀液中取出衬底，用去离子水冲洗干净，再用高纯氮气吹干备用。

2、ZnO有源层制备工艺：

本实施例采用激光分子束外延技术在蓝宝石衬底上生长ZnO有源层薄膜。具体步骤如下：

1）.将清洗好的蓝宝石样品固定在专用样品托上，然后将其装入设备真空室的样品架上，开启机械泵对真空室预抽真空到4Pa，开启分子泵将真空室抽到10^-5Pa；

2）.打开样品架上的加热装置，将蓝宝石衬底加热到750℃热处理1小时。热处理完毕，调整加热电流使衬底降温到500℃；

3）.清洗通气管道，除去管道中的残留气体。向真空生长室通入高纯氧气，调节质量流量计使真空室压强控制在5×10^-3Pa；

4）.打开波长为248nm的准分子激光器，将激光脉冲频率设置为3 Hz，脉冲能量设置为100 mJ，高能脉冲激光轰击真空室中的ZnO陶瓷靶材并在衬底上沉积形成薄膜，其中ZnO陶瓷靶材的纯度为99.99％，靶材和衬底之间的距离为7cm，生长时间为0.5小时，获得ZnO薄膜的厚度为50nm；

5）.最后采用湿法刻蚀工艺刻蚀出ZnO有源区台面，台面长度300μm，台面宽度200μm。用浓度为6％的NH4Cl溶液对ZnO样品刻蚀，刻蚀时间为50 S。

3、制备源漏电极：

本实施例采用磁控溅射在源漏区制备源漏电极，源漏电极的沟道长度为60 μm，沟道宽度为300 μm，将样品放入射频磁控溅射的真空室，开启机械泵和分子泵预抽本底真空到5×10^-4Pa。金属铝作为溅射靶材，溅射气氛为氩气，溅射气压为2Pa，铝电极厚度为300 nm。样品取出后再退火处理，以使铝和ZnO形成良好的欧姆接触，退火温度为300℃，升温速度为5℃/min，退火时间为30min。

4、制备肖特基栅极：

采用磁控溅射方法在有源区台面上制备金属-半导体整流接触的肖特基栅极，溅射靶材为金属银，溅射功率为50 W，溅射气氛为氩气和氧气的混合气体，气体压强为2Pa，其流量比例为氩气：氧气为3：1，得到氧化银薄膜，最后再在氧化银上面溅射金属Ag，以提高其接触特性，金属Ag的溅射气氛为纯氩气，气体压强为2Pa，溅射功率为40W。

引出上述器件的源、漏、栅电极并对器件进行光电性质测试。首先测试了栅极和源漏电极之间的肖特基特性，如图3所示器件有很好的整流特性，其反向电流约为10^-10A，理想因子约为1.7，说明栅电极和有源层形成很好的肖特基结。在栅极偏置电压为0.5V条件下测试了器件的紫外光电特性，如图4所示。测试发现在365nm的紫外光辐照下，源漏电极的光电流比暗电流增大约13倍，表明该器件有较好的紫外探测能力。

本发明的肖特基栅场效应紫外探测器采用了场效应晶体管结构，其基本原理是通过外加栅极电压来控制栅极空间电荷区的宽度，从而控制沟道导电能力的一种场效应器件。这种场效应晶体管的跨导高、工作频率高，是微波领域的热门器件。另外，场效应光电晶体管可以实现极高速光探测，响应时间可达几十皮秒，可望在光电集成和图像传感中得到广泛应用。

本发明的另一个特点是在场效应晶体管中采用了肖特基栅电极结构。采用肖特基栅极制备场效应光电探测器能有效地提高探测器性能，如时间响应速度、灵敏度、量子效率等。晶体管工作时将反向偏压加于栅肖特基结的两侧，使得肖特基势垒区向沟道内部扩展，并使势垒区中的载流子耗尽，沟道的截面积减小。当势垒区厚度达到有源层厚度时，导电沟道夹断，源漏电流极小。此时晶体管有很强的紫外光探测能力，当入射光子能量大于有源层带隙时，由于光生电荷作用使耗尽层变化，从而在源漏电极形成探测电流。

这种新型ZnO晶体管光电探测器有下列显著优势：（1）集肖特基二极管探测器快响应速度和晶体管放大增益特性于一体，只采用N型ZnO薄膜即可以预期获得超高速、大增益、高量子效率的紫外探测器件。（2）采用平面制备工艺，背照式工作，结构简单，寄生电容小，工作频带宽。（3）可用于制备高分辨率有源阵列紫外图像传感器；采用肖特基场效应晶体管作为图像传感器像素单元，可以通过调整栅压的方式控制探测单元的工作状态，降低相邻像素串扰，从而获得高分辨率有源紫外图像传感阵列，这对于空间以及环境科学技术中的紫外探测具有迫切的现实意义。

Claims

1.一种肖特基栅场效应紫外探测器，该肖特基栅场效应紫外探测器包括双面抛光的蓝宝石衬底、在该蓝宝石衬底上外延生长的N型ZnO薄膜以及在该N型ZnO薄膜上制备的欧姆源漏电极和肖特基栅极，源极和漏极与ZnO有源层构成欧姆接触，肖特基栅极和ZnO有源层构成肖特基接触，其特征在于：所述肖特基栅极由氧化银和银共同组成，即先用磁控溅射方法得到一层氧化银薄膜，然后再在氧化银上面溅射金属银。

2.根据权利要求1所述的肖特基栅场效应紫外探测器，其特征在于：所述的源极和漏极为金属铝、ZnO:Al或ZnO:Ga，采用磁控溅射方法得到，栅极为金属-半导体整流接触的肖特基栅极。

3.一种如权利要求1所述肖特基栅场效应紫外探测器的制备方法，其特征在于：该肖特基栅场效应紫外探测器制备方法的步骤如下：

1).将蓝宝石清洗后作为衬底；

2).采用激光分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜作为有源层；

3).采用湿法刻蚀工艺刻蚀出ZnO有源层台面；

4).采用磁控溅射方法在ZnO有源层台面源漏区制备源极和漏极；

5).采用磁控溅射方法在有源层台面上制备金属-半导体整流接触的肖特基栅极；

6).焊接栅、源、漏三电极引脚，得到肖特基栅场效应紫外探测器成品；

所述的步骤5)中的溅射靶材为金属银，溅射功率为50W，溅射气为氩气和氧气的混合气体，其流量比例为氩气：氧气为3：1，得到氧化银薄膜，最后在氧化银上面溅射金属银。

4.根据权利要求3所述的肖特基栅场效应紫外探测器制备方法，其特征在于：所述的步骤2)中的薄膜厚度为20-50nm，激光分子束的载流子浓度为5×10¹⁶～1×10¹⁹cm^-3。

5.根据权利要求3所述的肖特基栅场效应紫外探测器制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的台面长度≤300μm，台面宽度≤200μm。

6.根据权利要求3所述的肖特基栅场效应紫外探测器制备方法，其特征在于：所述的步骤4)中的电极材料选用Al、ZnO:Al或ZnO:Ga。