CN107068800B - 一种基于氧化镓单晶的辐射探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件制备技术领域，涉及一种基于氧化镓单晶材料的辐射探测器及其制备方法。该辐射探测器以高阻氧化镓单晶为基体，其上下表面和侧面为SiO2保护层；在氧化镓单晶的SiO2保护层下表面形成的掩膜图形中依次为锡原子扩散形成的锡掺杂氧化镓层、钛层和金层；在氧化镓单晶的SiO2保护层上表面形成的掩膜图形中依次为镍层、钛层和金层，各层与上表面存留的SiO2保护层存在重叠区域。本发明提出了一种有效而简便的工艺制造技术，解决了高性能氧化镓辐射探测器的制备难题，实现新型氧化镓基辐射探测器的研制。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制备技术领域，涉及一种基于氧化镓单晶材料的辐射探测器及其制备方法。
背景技术
以氧化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料因其禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速度高、耐腐蚀和抗辐照等突出优点，在高频、高功率、抗辐射等电子器件方面具有重要应用。特别是，氧化镓的禁带宽度高达4.9eV、击穿电场可达3.5×106V/cm、电离能为5.9eV、非掺杂外延膜电阻率大于107Ω·cm、平均原子序数为17.2、熔点为1740℃、Ga-O键能达363.6KJ/mol，是研制半导体辐射探测器的理想材料。人们已经掌握了几种制备氧化镓单晶和氧化镓膜的方法，直接制备出的氧化镓表现出高阻或者弱n型导电特性，通过在生长过程中掺入铁元素可以制备出半绝缘的氧化镓，通过在生长过程中掺入锡或者硅元素可以准备出电子浓度可控的n型氧化镓。从已报道的研究结果来看，氧化镓单晶的晶体质量要明显优于氧化镓膜。因此，对于器件性能要求更高的辐射探测来说(暗电流要尽可能小、载流子传输损耗尽可能小)，采用氧化镓单晶进行辐射探测器的研制具有明显的优势。然而，目前还未见到制备基于氧化镓单晶的辐射探测器的相关报道。主要原因是：1、高质量氧化镓单晶在最近才得以研制成功，2、辐射源所发出的粒子或者射线具有极高的穿透能力，在半导体中的能量沉积率低，产生的信号极小，传统半导体探测器的结构和参数已经不能作为参考，3、氧化镓是一种新型宽带隙半导体，其材料特性与传统半导体不同，需要利用材料特性进行器件结构，4、缺乏行之有效且简单的器件制作工艺技术。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述制备氧化镓辐射探测器过程中所面临的诸多技术难题，提出一种基于氧化镓单晶的辐射探测器及其制备方法，器件的结构如图1所示，包括：图形化上接触电极、二氧化硅保护层、氧化镓单晶探测灵敏区、锡掺杂接触层和下接触电极。
本发明的技术方案：
一种基于氧化镓单晶的辐射探测器，该辐射探测器以高阻氧化镓单晶为基体，其表面为SiO2保护层；在氧化镓单晶的SiO2保护层下表面形成的掩膜图形中依次为锡原子扩散形成的锡掺杂氧化镓层、钛层和金层；在氧化镓单晶的SiO2保护层上表面形成的掩膜图形中依次为镍层、钛层和金层，各层与上表面存留的SiO2保护层存在重叠区域，重叠区域的径向间距为1μm～1mm；
所述的SiO2保护层的厚度为10nm～100μm；
氧化镓单晶的SiO2保护层下表面中各金属层厚度如下：
所述的锡原子扩散形成的锡掺杂氧化镓层即为锡原子扩散到氧化镓单晶中所形成的锡掺杂氧化镓层，其厚度为1nm～1mm；
所述的钛层的厚度为1nm～10μm；
所述的金层的厚度为1nm～10μm；
氧化镓单晶的SiO2保护层上表面中各金属层厚度如下：
所述的镍层的厚度为1nm～10μm；
所述的钛层的厚度为1nm～100nm；
所述的金层的厚度为1nm～10μm。
以下条件作为基于氧化镓单晶的辐射探测器的优选条件：
所述的重叠区域的径向间距为10μm～500μm；
所述的SiO2保护层的厚度为1μm～10μm；
氧化镓单晶的SiO2保护层下表面中各金属层厚度如下：
所述的锡掺杂氧化镓层的厚度为10nm～300μm；
所述的钛层的厚度为2nm～200nm；
所述的金层的厚度为10nm～1μm；
氧化镓单晶的SiO2保护层上表面中各金属层厚度如下：
所述的镍层的厚度为2nm～100nm；
所述的钛层的厚度为2nm～20nm；
所述的金层的厚度为10nm～1μm。
一种基于氧化镓单晶的辐射探测器的制备方法，步骤如下：
步骤1：在氧化镓单晶的上下表面和侧面预沉积SiO2保护层；
步骤2：去除氧化镓单晶下表面部分SiO2保护层形成掩膜图形；
步骤3：在步骤2所述的具有掩膜图形的氧化镓单晶表面预沉积一层锡层；
步骤4：将上述氧化镓单晶封闭在石英管内，石英管内的真空度小于1×10-3Pa；进行热处理，热处理温度为100℃～1500℃，热处理时间为1h～24h；
步骤5：温度降到室温后，取出氧化镓材料；用清洗液对氧化镓材料表面的残留物进行一次清洁，保留SiO2保护层，再用去离子水对产生的残留物进行二次清洁；吹干，保存；
步骤6：在步骤5中的氧化镓材料上依次沉积钛和金层；
步骤7：在惰性气体的保护下，对步骤6得到氧化镓材料进行热处理；热处理温度为100℃～1000℃，热处理时间为1min～60min；
步骤8：去除氧化镓单晶上表面部分SiO2层形成掩膜图形；
步骤9：在步骤8所述的具有掩膜图形的氧化镓单晶表面依次沉积镍层、钛层和金层；
步骤10：对步骤9得到的氧化镓材料进行热处理；热处理温度为100℃～1000℃，热处理时间为1min～60min；
步骤11：温度降到室温后，取出氧化镓器件，即为基于氧化镓单晶的辐射探测器。
以下条件作为制备方法的优选条件：
步骤4中热处理温度为700℃～1200℃；热处理时间为2h～12h。
步骤7中热处理温度为300℃～600℃；热处理时间为2min～20min。
步骤10中热处理温度为300℃～600℃；热处理时间为2min～20min。
所述的清洗液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种以上混合。
所述的沉积方法是溶胶凝胶法、热蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、激光脉冲沉积、原子层外延或分子束外延法。
本发明的有益效果：本发明创新在于设计了一种基于氧化镓单晶的新型辐射探测器结构，并提出了一种有效而简便的工艺制造技术，解决了高性能氧化镓辐射探测器的制备难题，实现新型氧化镓基辐射探测器的研制。
附图说明
图1是基于氧化镓单晶的辐射探测器的结构示意图。
图2是具有SiO2保护层的氧化镓单晶的上和下表面示意图。
图3是氧化镓单晶下表面掩膜示意图。
图4是氧化镓单晶上表面掩膜示意图。
图5是基于氧化镓单晶的辐射探测器的室温电流电压特性图。
图中：1氧化镓单晶；2SiO2保护层；3锡掺杂氧化镓层；4下表面钛层；5下表面金层；6镍层；7上表面钛层；8上表面金层；9左侧重叠区域；10右侧重叠区域；11下表面；12上表面；13下表面掩膜图形；14下表面掩膜图形边缘；15上表面掩膜图形；16上表面掩膜图形边缘。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例提供了一种基于氧化镓单晶的辐射探测器，包括以下工艺步骤：
步骤1：选择厚度为300μm、表面5mm见方的高阻氧化镓单晶，在其上表面及其侧面，预沉积2μm厚的SiO2保护层；
步骤2：在氧化镓单晶下表面中心制作直径为4mm的圆形开口；
步骤3：在步骤2所述的下表面，采用热蒸发方法预沉积一层100nm厚的锡层；
步骤4：将上述氧化镓单晶封闭在石英管内，石英管内的真空度为3×10-4Pa；
步骤5：将封闭有氧化镓单晶的石英管放入管式炉加中进行热处理，温度为1000℃，时间为12h；
步骤6：温度降到室温后，取出氧化镓材料。
步骤7：利用稀盐酸氧化镓材料表面的残留物进行一次清洁；
步骤8：利用去离子水对步骤8中的产生的残留物进行二次清洁；
步骤9：将氧化镓材料吹干，妥善保存；
步骤10：采用热蒸发方法再次在氧化镓下表面依次沉积100nm钛层和100nm金层；
步骤11：在高纯氮气的保护下，在管式炉中对上述氧化镓单晶进行热处理，温度400℃，时间为10min；
步骤12：在氧化镓单晶上表面中心制作直径为3mm的圆形开口；
步骤13：在暴露出氧化镓单晶表面，依次沉积镍、钛和金层，镍层的厚度为20nm，钛层的厚度为5nm，金层的厚度为20nm；各层金属层要与上表面存留的SiO2保护层，在径向有100μm重叠；
步骤14：将上述氧化镓样品放入加热设备中进行热处理，温度为400℃，时间为3min；
步骤15：温度降到室温后，取出氧化镓器件。
经过上述步骤所制备的基于氧化镓单晶的电流电压曲线如图5所示，正向开启电压约为2V，反向100V时漏电流为7×10-10A/cm2，满足进行辐射探测要求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.一种基于氧化镓单晶的辐射探测器，其特征在于，该辐射探测器以高阻氧化镓单晶为基体，其表面为SiO2保护层；在氧化镓单晶的SiO2保护层下表面形成的掩膜图形中依次为锡原子扩散形成的锡掺杂氧化镓层、钛层和金层；在氧化镓单晶的SiO2保护层上表面形成的掩膜图形中依次为镍层、钛层和金层，各层与上表面存留的SiO2保护层存在重叠区域，重叠区域的径向间距为1μm～1mm；
所述的SiO2保护层的厚度为10nm～100μm；
氧化镓单晶的SiO2保护层下表面中各金属层厚度如下：
所述的锡原子扩散形成的锡掺杂氧化镓层即为锡原子扩散到氧化镓单晶中所形成的锡掺杂氧化镓层，其厚度为1nm～1mm；
所述的钛层的厚度为1nm～10μm；
所述的金层的厚度为1nm～10μm；
氧化镓单晶的SiO2保护层上表面中各金属层厚度如下：
所述的镍层的厚度为1nm～10μm；
所述的钛层的厚度为1nm～100nm；
所述的金层的厚度为1nm～10μm。
2.根据权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于，
所述的重叠区域的径向间距为10μm～500μm；
所述的SiO2保护层的厚度为1μm～10μm；
氧化镓单晶的SiO2保护层下表面中各金属层厚度如下：
所述的锡掺杂氧化镓层的厚度为10nm～300μm；
所述的钛层的厚度为2nm～200nm；
所述的金层的厚度为10nm～1μm；
氧化镓单晶的SiO2保护层上表面中各金属层厚度如下：
所述的镍层的厚度为2nm～100nm；
所述的钛层的厚度为2nm～20nm；
所述的金层的厚度为10nm～1μm。
3.一种基于氧化镓单晶的辐射探测器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：在氧化镓单晶的上下表面和侧面预沉积SiO2保护层；
步骤2：去除氧化镓单晶下表面部分SiO2保护层形成具有掩膜图形的氧化镓单晶；
步骤3：在步骤2所述的具有掩膜图形的氧化镓单晶表面预沉积一层锡层；
步骤4：将上述氧化镓单晶封闭在石英管内，石英管内的真空度小于1×10-3Pa；进行热处理，热处理温度为100℃～1500℃，热处理时间为1h～24h；
步骤5：温度降到室温后，取出氧化镓材料；用清洗液对氧化镓材料表面的残留物进行一次清洁，保留SiO2保护层，再用去离子水对产生的残留物进行二次清洁；吹干，保存；
步骤6：在步骤5中的氧化镓材料上依次沉积钛和金层；
步骤7：在惰性气体的保护下，对步骤6得到氧化镓材料进行热处理；热处理温度为100℃～1000℃，热处理时间为1min～60min；
步骤8：去除氧化镓单晶上表面部分SiO2层形成具有掩膜图形的氧化镓单晶；
步骤9：在步骤8所述的具有掩膜图形的氧化镓单晶表面依次沉积镍层、钛层和金层；
步骤10：对步骤9得到的氧化镓材料进行热处理；热处理温度为100℃～1000℃，热处理时间为1min～60min；
步骤11：温度降到室温后，取出氧化镓器件，即为基于氧化镓单晶的辐射探测器。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4中热处理温度为700℃～1200℃；热处理时间为2h～12h。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤7中热处理温度为300℃～600℃；热处理时间为2min～20min。
6.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤10中热处理温度为300℃～600℃；热处理时间为2min～20min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤10中热处理温度为300℃～600℃；热处理时间为2min～20min。
8.根据权利要求3、4或7所述的制备方法，其特征在于，所述的清洗液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种以上混合。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的清洗液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种以上混合。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的清洗液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种以上混合。
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