CN106129166A - 一种GaN‑MoS2分波段探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于半导体器件领域，提供了GaN‑MoS2分波段探测器，包括：GaN衬底；附在所述衬底一面上的GaN材料层；附在所述衬底的与所述GaN材料层相对的另一面上的MoS2材料层；置于所述GaN材料层和所述MoS2材料层上的电极组。本发明提供的GaN‑MoS2分波段探测器为单片集成结构，包括分别置于衬底两面的GaN材料层和MoS2材料层，所述探测器结构合理地将宽禁带GaN和窄禁带的二维材料MoS2结合在一起，最终实现了光子的分波段吸收探测。本发明还提供了所述GaN‑MoS2分波段探测器的制备方法，包括以下步骤：制备GaN材料层；制备MoS2材料层；加工电极组。本发明所提供的制备方法，过程简单易行，便于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种GaN-MoS2分波段探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测器作为紫外探测技术的核心器件，几年来受到了国内外的高度重视和深入研究。特别是在导弹制导、导弹预警、紫外通信等军事领域的广泛应用，更进一步推动了和加快了紫外探测器研究的飞速发展。尽管Si、GaAs等第一、第二代半导体可以用来制作紫外探测器，但是由于禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点而使得器件的特性和使用受到了很大的限制，特别是在高温、日光照射等恶劣环境下其局限性尤为突出。而禁带宽度大于2.2eV的第三代半导体GaN，因具有禁带宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐射能力强等优势，很好的克服了第一、第二代半导体紫外探测器的缺点，成为当前制作紫外探测器的主要材料。
然而，对于分立的GaN基紫外探测器和MoS2探测器而言，由于GaN的带隙为3.4eV，其探测器响应波段一般小于365nm(紫外波段)，而单层MoS2的带隙为1.82eV，其响应波段小于680nm(紫外波段和可见光波段)，而且单一MoS2探测器无法区分紫外波段和可见光波段。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种GaN-MoS2分波段探测器及其制备方法，旨在同时针对不同的波段的光分别进行相应探测，实现对宽光谱的分段吸收探测。
本发明提供了一种GaN-MoS2分波段探测器，包括：
GaN衬底；
附在所述衬底一面上的GaN材料层；
附在所述衬底的与所述GaN材料层相对的另一面上的MoS2材料层；
置于所述GaN材料层和所述MoS2材料层上的电极组。
本发明还提供了上述所述的GaN-MoS2分波段探测器的制备方法，包括以下步骤：
制备GaN材料层；
制备MoS2材料层；
加工电极组。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的GaN-MoS2分波段探测器为单片集成结构，包括分别置于衬底两面的GaN材料层和MoS2材料层，所述探测器结构合理地将宽禁带GaN和窄禁带的二维材料MoS2结合在一起。在使用时，光从p-GaN表面入射，波长小于365nm的光子被GaN材料层吸收探测到光电流，而波长大于365nm小于680nm的光子被MoS2材料层吸收而探测到，最终实现了光子的分波段吸收探测。
本发明提供的GaN-MoS2分波段探测器的制备方法，通过控制每一步的具体操作及所制备n-GaN层、i-GaN层、p-GaN层及单层MoS2等各材料层时的加工参数，并限定了电极组中各电极的分布位置及制备顺序，使制得的GaN-MoS2分波段探测器获得了预期的性能，实现了光子的分波段吸收探测。此外，本发明所提供的制备方法，过程简单易行，便于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例提供的GaN-MoS2分波段探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的GaN-MoS2分波段探测器的制备过程中步骤一制备完成后的产品结构示意图；
图3是本发明实施例提供的GaN-MoS2分波段探测器的制备过程中步骤二制备完成后的产品结构示意图；
图4是本发明实施例提供的GaN-MoS2分波段探测器的制备过程中步骤三制备完成后的产品结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
块状晶体MoS2的带隙为1.2eV，其电子跃迁方式间接跃迁；当厚度为单层时，MoS2的带隙可以达到1.82eV，且其电子跃迁方式转变为直接跃迁。因此，MoS2薄膜独特的结构和优异的物理性能以及可调节的能带隙使其在光电器件领域具有广泛的应用前景。凭借其纳米尺寸的层状结构，使得制造更小规格、更高能效半导体芯片成为可能。
本发明提供的一种GaN-MoS2分波段探测器，以单片集成方式构成，参见图1，所述探测器100包括GaN衬底1、GaN材料层2、MoS2材料层3以及电极组，GaN材料层2附在GaN衬底1一面上，MoS2材料层3附在GaN衬底1与GaN材料层2相对的另一面上，电极组置于所述衬底两面的GaN材料层2和MoS2材料层3上。
具体地，GaN材料层2与GaN衬底1之间还具有GaN缓冲层4，GaN缓冲层4的厚度为20～50nm，优选20nm。其中GaN材料层2包括与所述衬底的距离由近及远依次覆盖的n-GaN层5、i-GaN层6、p-GaN层7，n-GaN层5附在GaN缓冲层4上。
优选地，所述n-GaN层5的厚度为450-550nm，优选500nm，n-GaN层5中的载流子浓度为2×1018-5×1018cm-3，优选5×1018cm-3；i-GaN层6的厚度为80-120nm，优选100nm，i-GaN层6中的载流子浓度为2×1016-4×1016cm-3，优选3×1016cm-3；p-GaN层7的厚度为80-120nm，优选100nm，p-GaN层7中的载流子浓度为3×1017-7×1017cm-3，优选5×1017cm-3。
具体地，所述MoS2材料层3为单层MoS2，MoS2材料层3上还附有SiO2层8，SiO2层8的厚度为15-25nm，优选15nm。
具体地，电极组包括一N型欧姆接触电极9和P型欧姆接触电极10；N型欧姆接触电极9置于所述n-GaN层5上，P型欧姆接触电极10置于p-GaN层7上。电极组还包括两个Au欧姆接触电极11和12，Au欧姆接触电极11和12置于MoS2材料层3上。电极组还包括栅极13，栅极13置于SiO2层8上，栅极8为肖特基接触电极。
在本实施例中，提供的GaN-MoS2分波段探测器100为单片集成结构，包括分别置于衬底两面的GaN材料层2和MoS2材料层3，所述探测器结构合理地将宽禁带GaN和窄禁带的二维材料MoS2结合在一起。在使用时，光从p-GaN表面入射，波长小于365nm的光子被GaN材料层2吸收探测到光电流，而波长大于365nm小于680nm的光子被MoS2材料层3而探测到，由此实现了光子的分波段吸收探测。
本发明还提供了上述GaN-MoS2分波段探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备GaN材料层；
步骤二：制备MoS2材料层；
步骤三：加工电极组。
步骤一具体为：
将GaN衬底双面抛光；
利用有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)在所述GaN衬底的其中一面上依次生长GaN缓冲层、n-GaN层、i-GaN层及p-GaN层；
利用等离子体增强化学气相沉积技术或原子层沉积技术在所述p-GaN层上生长一SiN层。
具体地，所述SiN层的厚度为20nm。
所制得的产品结构示意图如图2所示。
步骤二具体为：
清洗所述衬底的与所述GaN材料层相对的另一面后用氮气吹干；
利用化学气相沉积法在所述GaN的另一面上生长单层MoS2；
利用等离子体增强化学气相沉积技术或原子层沉积法在所述单层MoS2表面生长一SiO2层。
具体地，所述SiO2层的厚度为20nm。
所制得的产品结构示意图如图3所示。
步骤三具体为：
将所述SiN层去除；
分别在p-GaN层上制备p型欧姆接触电极，在所述n-GaN层上制备n型欧姆接触电极；
在所述MoS2层上制备两个Au欧姆接触电极，在所述SiO2层上制备栅极。
具体地，p型欧姆接触电极为Ni(5nm)/Au(5nm)，n型欧姆接触电极为Ti(15nm)/Al(250nm)/Ti(50nm)/Au(150nm)。具体在制备n型欧姆接触时需要将制备位置上的p-GaN和i-GaN层刻蚀掉。
所制得的产品结构示意图如图4所示。
3、在MoS2上制备两个Au欧姆接触电极，分别为源极和漏极，在SiO2上制备栅极，为肖特基接触。
所制得的产品结构示意图具体参见图1。
对制备完成的GaN-MoS2分波段探测器进行性能测试，光从p-GaN表面入射，波长小于365nm的光子被GaN紫外探测器吸收探测到光电流，而波长大于365nm小于680nm的光子被MoS2吸收而探测到。由此说明本发明所提供的GaN-MoS2分波段探测器实现了光子的分波段吸收探测。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一、GaN-MoS2分波段探测器GaN材料层的制备：
1、准备一双面抛光的GaN衬底；
2、利用有机化学气相沉积或者分子束外延在GaN衬底上依次生长20nm的GaN缓冲层；500nm的n-GaN层，载流子浓度为5×1018cm-3；100nm的非故意掺杂i-GaN层，载流子浓度约为3×1016cm-3；100nm的p-GaN层，载流子浓度为5×1017cm-3；
3、利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)或原子层沉积方法(ALD)在GaN基探测器结构表面生长一层20nm的SiN，以保护结构表面。
二、MoS2材料层的制备：
1、将抛光GaN衬底的与所述GaN材料层相对的另一面用丙酮和乙醇等有机溶剂进行超声清洗，同时用去离子水冲洗，最后用氮气吹干。
2、利用化学气相沉积(CVD)在清洗完毕的GaN衬底面上生长单层MoS2。
3、利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)方法在单层MoS2表面生长一层20nm的SiO2。
三、电极组的加工：
1、将GaN探测器表面的SiN用干法或湿法刻蚀去除。
2、分别在p-GaN和n-GaN上制备p型欧姆接触电极和n型欧姆接触电极。其中，p型欧姆接触电极为Ni(5nm)/Au(5nm)，n型欧姆接触电极为Ti(15nm)/Al(250nm)/Ti(50nm)/Au(150nm)。具体制备n型欧姆接触时需要将p-GaN和i-GaN层刻蚀掉。
对制备完成的GaN-MoS2分波段探测器进行性能测试，光从p-GaN表面入射，波长小于365nm的光子被GaN材料层吸收探测到光电流，而波长大于365nm小于680nm的光子被MoS2材料层吸收而探测到。由此说明本发明所提供的GaN-MoS2分波段探测器实现了光子的分波段吸收探测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN-MoS2分波段探测器，其特征在于，包括：
GaN衬底；
附在所述衬底一面上的GaN材料层；
附在所述衬底的与所述GaN材料层相对的另一面上的MoS2材料层；
置于所述GaN材料层和所述MoS2材料层上的电极组。
2.如权利要求1所述的GaN-MoS2分波段探测器，其特征在于，所述GaN材料层与所述GaN衬底之间还具有GaN缓冲层，所述GaN缓冲层的厚度为20～50nm。
3.如权利要求2所述的GaN-MoS2分波段探测器，其特征在于，所述GaN材料层包括与所述衬底的距离由近及远依次覆盖的n-GaN层、i-GaN层、p-GaN层，所述n-GaN层附在所述GaN缓冲层上。
4.如权利要求1所述的GaN-MoS2分波段探测器，其特征在于，所述MoS2材料层包括单层MoS2和SiO2层，所述单层MoS2位于所述SiO2层和所述衬底之间。
5.如权利要求3所述的GaN-MoS2分波段探测器，其特征在于，所述电极组包括n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极；所述n型欧姆接触电极置于所述n-GaN层上，所述p型欧姆接触电极置于所述p-GaN层上。
6.如权利要求4所述的GaN-MoS2分波段探测器，其特征在于，所述电极组包括两个Au欧姆接触电极和栅极；所述Au欧姆接触电极置于所述单层MoS2上，所述栅极置于所述SiO2层上，所述栅极为肖特基接触电极。
7.如权利要求1～6任意一项所述的GaN-MoS2分波段探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备GaN材料层；
制备MoS2材料层；
加工电极组。
8.如权利要求7所述的GaN-MoS2分波段探测器的制备方法，其特征在于，所述制备GaN材料层的过程为：
将GaN衬底双面抛光；
利用有机化学气相沉积法或分子束外延法在所述GaN衬底的其中一面上依次生长GaN缓冲层、n-GaN层、i-GaN层及p-GaN层；
利用等离子体增强化学气相沉积技术或原子层沉积技术在所述p-GaN层上生长一SiN层。
9.如权利要求8所述的GaN-MoS2分波段探测器的制备方法，其特征在于，所述制备MoS2材料层的过程为：
清洗所述衬底的与所述GaN材料层相对的另一面后用氮气吹干；
利用化学气相沉积法在所述GaN的另一面上生长单层MoS2；
利用等离子体增强化学气相沉积技术或原子层沉积法在所述单层MoS2表面生长一SiO2层。
10.如权利要求9所述的GaN-MoS2分波段探测器的制备方法，其特征在于，所述加工电极组的过程为：
将所述SiN层去除；
分别在p-GaN层上制备p型欧姆接触电极，在所述n-GaN层上制备n型欧姆接触电极；
在所述MoS2层上制备两个Au欧姆接触电极，在所述SiO2层上制备栅极。
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