CN104900745B - 一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器及其制备方法 - Google Patents

一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器及其制备方法，本发明在高电子迁移率晶体管的栅极金属薄膜上设置了一层光电阴极薄膜。光谱检测时，光辐射射到光电阴极薄膜上，使光电阴极薄膜发生外光电效应，其表面电荷分布发生变化，使栅极电压发生改变，导致高电子迁移率晶体管内部的二维电子气产生或浓度发生变化，从而使高电子迁移率晶体管的沟道电流发生变化，使光波信号转变为电信号，实现对光辐射的高灵敏度探测。

Description

一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电信息技术领域，尤其涉及一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器及其制备方法。
背景技术
探测器件广泛应用在制导、侦察、预警、探测、跟踪、全天候监视和夜视、武器瞄准、电力在线检测、铁路车辆轴温探测、矿产资源勘探、地下矿井测温和测气、气象预报地貌、环境监测等军民领域，具有重要军事及经济意义。
目前光谱探测器的研究已取得阶段性进展，但是仍然面临着很多困难，如缺少晶格匹配的衬底，使薄膜中存在大量缺陷等。传统的光谱探测器的灵敏度很差，并且成本和体积够很高。
发明内容
本发明要解决的技术问题提供一种具有高检测灵敏度、低成本以及小体积的光谱探测器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器，所述光谱探测器包括高电子迁移率晶体管以及覆盖于所述高电子迁移率晶体管的栅极金属薄膜上的光电阴极薄膜。
优选地，所述光谱探测器还包括位于所述栅极金属薄膜和所述光电阴极薄膜之间的钛金属层。
优选地，所述高电子迁移率晶体管包括第一半导体层、第二半导体层、漏区以及源区；
所述第二半导体层覆盖于所述第一半导体层的上表面；所述源区和漏区分别位于所述第二半导体层的两侧、贯穿所述第二半导体层，并且均延伸入所述第一半导体层；所述栅极金属薄膜设置于所述第二半导体层上的预定位置。
优选地，所述第一半导体层相对于第二半导体层为窄能隙半导体层。
优选地，所述第一半导体层为GaN层；所述第二半导体层为AlGaN层。
优选地，所述光电阴极薄膜的材料为碘铯光电阴极材料、银氧铯光电阴极材料、碲铯光电阴极材料、镁铯光电阴极材料或铋银氧光电阴极材料。
一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、制备高电子迁移率晶体管的外延片、源区、漏区以及栅极金属薄膜；
S2、在所述栅极金属薄膜上制备光电阴极薄膜。
优选地，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11、制备包括第一半导体层和第二半导体层的外延片，其中第二半导体层覆盖于所述第一半导体层的上表面；
S12、在所述第一半导体层的两侧分别制备源区和漏区，所述源区和漏区均贯穿所述第二半导体层，并且所述源区和漏区均延伸入所述第一半导体层；
S13、在所述第二半导体层的预定位置制备所述栅极金属薄膜。
优选地，所述第一半导体层相对于第二半导体层为窄能隙半导体层。
优选地，所述步骤S2中，制备所述光电阴极薄膜之前还包括在所述栅极金属薄膜上制备钛金属层，之后在所述钛金属层上制备所述光电阴极薄膜。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明在栅极金属薄膜上设置了光电阴极薄膜，在光辐射到光电阴极薄膜上时，光电阴极薄膜发生外光电效应，其表面电荷分布变化，使栅极电压发生改变，导致第一半导体内部的二维电子气产生或浓度发生变化，从而使高电子迁移率晶体管的沟道电流发生变化，使光波信号转变为电信号，实现对光辐射的高灵敏度探测；本发明可通过改变高电子迁移率晶体管的类型使二维电子气始终存在，本发明的光谱探测器则为非光生电流依赖型器件，灵敏度会进一步提高，同时降低了对光电阴极薄膜形态要求，并减小了对感光面积的依赖性；
另外，由于本发明设置光电阴极薄膜覆盖于栅极金属薄膜上表面，使光谱探测器还具有以下优点：可以在室温下工作，不需要真空的工作环境，使得探测器的稳定性得到极大的提高，噪声带宽变小，光谱响应范围增宽，受振动/声音等外界干扰小，并且成本和体积也得到极大的降低。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器的结构示意图；
图2为本发明的一个较佳实施例的一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明的一个较佳实施例的一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器的结构示意图，光谱探测器包括高电子迁移率晶体管以及覆盖于高电子迁移率晶体管的栅极金属薄膜8上的光电阴极薄膜9。
进一步地，光谱探测器还包括位于栅极金属薄膜8和光电阴极薄膜9之间的钛金属层，钛金属层使栅极金属薄膜8和光电阴极薄膜9由更好的粘附性。
进一步地，高电子迁移率晶体管包括第一半导体层3、第二半导体层5、漏区7、源区6以及栅极金属薄膜8；
第二半导体层5覆盖于第一半导体层3的上表面；源区6和漏区7分别位于第二半导体层3的两侧、贯穿第二半导体层并且均延伸入第一半导体层3；栅极金属薄膜8设置于第二半导体层5上的预定位置。优选地，所第一半导体层3相对于第二半导体层5为窄能隙半导体层，并且在第一半导体层3中靠近第二半导体层5的一侧存在或可以通过栅极加电形成二维电子气4。当二维电子气4生成或浓度发生变化时，电流发生变化，既可以检测到光谱的变化。
优选地，第一半导体层3的为GaN层(GaN缓冲层)；第二半导体层5为AlGaN层(AlGaN合金势垒层)。
氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体的代表之一，具有优良的特性：高的临界击穿电场(3.5×106V/cm)、高电子迁移率(2000cm2/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(1013cm-2)、高的高温工作能力。GaN的带隙Eg达3.49eV，因而本征载流子浓度很低，这意味着在环境温度变化时带来的本征载流子浓度变化对器件性能的影响大大减小，并且电子迁移率达2000cm2/V.s，因而可以制备高灵敏度的信号转换器件。
由于GaN/AlGaN界面上能带的不连续性形成三角势阱对电子形成量子限制作用，因而在GaN一侧可以形成很高浓度的二维电子气(2DEG)。GaN/AlGaN材料很强的自发极化和压电极化使得GaN/AlGaN异质界面在非故意掺杂的情况下，就可以产生1013cm-2量级的2DEG，因此可将本发明光谱探测器制作成非光生电流依赖型器件，有利于提高检测灵敏度。
此外高电子迁移率晶体管还包括衬底1和成核层2，成核层2生长于衬底1上，第一半导体层生3长于成核层2上，成核层2起到缓冲的作用，可以降低第一半导体层3的缺陷。优选地，成核层2可以为AlN层。
衬底1可以是硅、蓝宝石或者SiC衬底。高电子迁移率晶体管的栅极可以使绝缘栅也可以肖特基栅。绝缘栅介质材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3。
进一步地，覆盖于栅极金属薄膜8的光电阴极薄膜有多种选择，如对紫外光灵敏的光电阴极薄膜，对可见光灵敏的光电阴极薄膜，对红外光灵敏的电阴极薄膜。光电阴极薄膜的材料可以是对紫外光灵敏的碘铯、碲铯等光电阴极材料，对可见光灵敏的镁铯、铋银氧等光电阴极材料，对红外光灵敏的银氧铯光电阴极材料等。
通过对覆盖在栅极经书薄膜8上不同光电阴极薄膜的替换可以实现对不同光谱范围的探测，拓展性、移植性较强。
对应于上述光谱探测器，本发明还公开了一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器的制备方法，如图2所示，方法包括以下步骤：
S1、制备高电子迁移率晶体管的外延片、源区、漏区以及栅极金属薄膜；
S2、在栅极金属薄膜上制备光电阴极薄膜。
步骤S1具体包括以下步骤：
S11、制备包括第一半导体层和第二半导体层的外延片，其中第二半导体层覆盖于第一半导体层的上表面；
S12、在第一半导体层两侧分别制备源区和漏区，源区和漏区均贯穿第二半导体层，并且源区和漏区均延伸入第一半导体层；
S13、在第二半导体层的预定位置制备栅极金属薄膜。
实施例：
以GaN/AlGaN HEMT(高电子迁移率晶体管)为例，HEMT器件的栅为肖特基栅，以碘铯光电阴极薄膜为光吸收层。可实现对可见光光谱的探测。为了使栅极金属和光电阴极材料有更好的粘附性，在栅极金属薄膜和光电阴极薄膜之间溅射一层钛Ti金属，具体步骤如下：
1、首先通过常规的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺制备具有GaN/AlGaN结构的外延片(第一半导体层和第二半导体层)；
2、利用磁控溅射系统制备欧姆接触的源漏电极；
3、利用磁控溅射系统制备栅极金属薄膜；
4、利用磁控溅射系统制备Ti金属层；
5、Ti金属层上蒸镀一层碘铯光电阴极薄膜。
通过改变光电阴极薄膜的材料可以实现不同光谱的探测。例如可将碘铯光电阴极薄膜替换为碲铯光电阴极材料，或银氧铯光电阴极材料。
基于AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)的光谱探测器结构简单，其2DEG对电场变化敏感，具有高频、高速和高灵敏度等特点，是制备高灵敏传感器件的理想器件，其广泛应用于微力、加速度计、微位移的测量以及气体、生物检测等领域。
本发明中采用的GaN具有大禁带宽度(3.4eV)、高电子饱和速率(2×107cm/s)，高的击穿电场(1～3×1010V/cm)，较高热导率，耐腐蚀和抗辐射性能，在高压、高频、高温、大功率和抗辐照环境条件下具有超强的优势，所以本发明的管沟探测器具有很高的可靠性，同时本发明的光谱探测器不需要制冷，可在室温下工作。
另外，本发明的光谱探测器还具有可靠性高，噪声带宽小，光谱响应范围宽的优点。本发明没有利用微动元(薄膜、悬臂梁)的形变拉进行探测，因此受振动/声音等外界干扰小。本发明的光谱探测器还可制成非光生电流依赖型器件，灵敏度提高，受光电阴极光生电场作用，降低了对光电阴极薄膜形态要求，并减小了对感光面积的依赖性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器，其特征在于，所述光谱探测器包括高电子迁移率晶体管以及覆盖于所述高电子迁移率晶体管的栅极金属薄膜上的光电阴极薄膜；所述光谱探测器还包括位于所述栅极金属薄膜和所述光电阴极薄膜之间的钛金属层。
2.根据权利要求1所述的光谱探测器，其特征在于，所述高电子迁移率晶体管包括第一半导体层、第二半导体层、漏区以及源区；
所述第二半导体层覆盖于所述第一半导体层的上表面；所述源区和漏区分别位于所述第二半导体层的两侧、贯穿所述第二半导体层，并且均延伸入所述第一半导体层；所述栅极金属薄膜设置于所述第二半导体层上的预定位置。
3.根据权利要求2所述的光谱探测器，其特征在于，所述第一半导体层相对于第二半导体层为窄能隙半导体层。
4.根据权利要求2所述的光谱探测器，其特征在于，所述第一半导体层为GaN层；所述第二半导体层为AlGaN层。
5.根据权利要求1所述的光谱探测器，其特征在于，所述光电阴极薄膜的材料为碘铯光电阴极材料、银氧铯光电阴极材料、碲铯光电阴极材料、镁铯光电阴极材料或铋银氧光电阴极材料。
6.一种基于高电子迁移率晶体管的光谱探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、制备高电子迁移率晶体管的外延片、源区、漏区以及栅极金属薄膜；
S2、在所述栅极金属薄膜上制备光电阴极薄膜；
所述步骤S2中，制备所述光电阴极薄膜之前还包括在所述栅极金属薄膜上制备钛金属层，之后在所述钛金属层上制备所述光电阴极薄膜。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11、制备包括第一半导体层和第二半导体层的外延片，其中第二半导体层覆盖于所述第一半导体层的上表面；
S12、在所述第二半导体层的两侧分别制备源区和漏区，所述源区和漏区均贯穿所述第二半导体层，并且所述源区和漏区均延伸入所述第一半导体层；
S13、在所述第二半导体层的预定位置制备所述栅极金属薄膜。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一半导体层相对于第二半导体层为窄能隙半导体层。
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