CN108470675A - 一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管及其制备方法,属于光电探测器及半导体晶体管技术领域。本发明提供的所述的晶体管按层次从下到上依次为:背栅极电极层、衬底层、光敏层和叉指电极层;衬底层使用p‑Si/SiO2,在p‑Si/SiO2衬底的SiO2层上制备生长氧化镓薄膜作为光敏层;在氧化镓薄膜上溅射Au/Ti电极得到叉指电极;再在p‑Si/SiO2背面的Si层上溅射上金属Au薄膜作为背栅极电极。本发明制备过程简单,易于跟硅基器件集成;本发明的制备方法工艺可控性强,易操作,所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、可大面积制备、重复性好且易于集成。所制备的器件结构可在栅压的调控作用下获得高的日盲紫外光电流增益。

Description

一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管及其制备方法
技术领域
本发明属于光电探测器及半导体晶体管技术领域,具体涉及一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管及其制备方法。
背景技术
大气中的臭氧层对波长在200nm到280nm之间的紫外光有强烈的吸收作用,到达地面的处在这个波段的紫外光辐射在海平面附近几乎衰减至零,被称作日盲区,故为工作于该波段的日盲光电探测器系统提供了一个良好的信号背景。随着日盲紫外探测技术的发展,其在军事与民用领域上的应用也越来越多,如日盲紫外通信、导弹预警跟踪、火箭尾焰探测、天基紫外预警、紫外超光谱侦察、着舰引导、海上搜救等等。
目前市场上的紫外探测器都为真空紫外探测器件,相比之,基于宽禁带半导体材料的固态紫外探测器件由于体重小、功耗低、量子效率高、便于集成等特点近年来已经成为科研人员的研究热点。日盲紫外探测器核心材料的禁带宽度往往要大于4.4eV,目前研究比较多的材料集中在AlGaN、ZnMgO和金刚石上。但AlGaN由于其薄膜需要极高温生长并难以外延成膜,ZnMgO在单晶纤维锌矿的结构下很难保持超过4.5eV的带隙,而金刚石具有固定的5.5eV的带隙,对应波长225nm,只占据日盲紫外波长的一小段。而氧化镓的禁带宽度约为4.9eV,对应波长253nm,且易于与Al2O3和In2O3形成连续固溶体实现其在日盲区的完全覆盖,是一种非常适合于制备日盲紫外光电探测器的氧化物半导体候选材料。
紫外光的信号往往非常微弱,为了能精确探测到微弱紫外光信号,科研人员通过引入肖特基或异质结等方式来增大光增益。Ga2O3薄膜和其他半导体材料形成异质结的日盲探测器,利用了结效应(异质结、Schottky结等)能大幅地提高日盲光电探测器的性能(包括光响应度、量子效率、光响应速度等),具有显著的光电倍增效果,可探测微弱的光信号,然而异质结器件的一端电极连接在异质衬底上,探测功能区不是独立于衬底的,这为器件的集成带来了工艺上的困难,限制了其应用范围。引入新的器件结构在提高光电倍增效果的同时探测功能区相对独立而方便集成,成为了Ga2O3薄膜日盲紫外探测器发展的必要,如场效应晶体管结构。
国内外对Ga2O3薄膜场效应晶体管的研究还处于探索阶段,仅有很少的报道,最具有代表性的课题组是日本通信研究机构的M.Higashiwaki研究小组。研究表明:外加电场的引入可以有效调节源极和漏极之间的载流子分布,控制载流子的输运,获得高的漏极电流增益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Si衬底的高光电流增益、可探测日盲区紫外光的氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管及其制备方法。
本发明首次提出将Ga2O3薄膜日盲紫外探测器构筑成场效应晶体管结构,就是所谓的Ga2O3薄膜日盲紫外光晶体管,所述晶体管将日盲紫外探测和光电流信号放大功能集成在单个器件当中,在提高光电流增益的同时可有效避免噪声信号的干扰。本发明基于p-Si/SiO2衬底构筑了氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管,该晶体管在栅压的调制作用下可以获得高的光电流增益,而且易于硅基器件集成。本发明为氧化镓薄膜日盲紫外光晶体管的发展和应用提供理论和技术支持。
本发明提供的所述的Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管,所述晶体管按层次从下到上依次为:背栅极电极层、衬底层、光敏层和叉指电极层;
衬底层使用p-Si/SiO2,即在p-Si衬底上有一层SiO2作为绝缘栅电介质,Si层厚度为0.5mm,电阻率为5-10Ω·cm,SiO2层厚度约为300nm;氧化镓薄膜作为沟道及光敏层,通过在p-Si/SiO2衬底的SiO2层上制备生长得到;叉指电极作为透光的源极和漏极金属电极,通过在氧化镓薄膜上溅射Au/Ti电极得到;再在p-Si/SiO2背面的Si层上溅射上金属Au薄膜作为背栅极电极。
所以氧化镓薄膜与Si层形成内建电场,可分离光生载流子,在SiO2薄膜的阻挡作用下,使得这些光生载流子会聚集在沟道中。该晶体管可探测200-280nm的日盲紫外光,并且在栅压的调制作用下可以获得较高的光电流增益。
所述的氧化镓薄膜通过在SiO2薄膜上利用磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积和溶胶凝胶方法制备的β-Ga2O3外延薄膜。所述的氧化镓薄膜厚度为200-650nm。
所述叉指电极中,Au电极层厚度为10-40nm,Ti电极层厚度为5-15nm。具体尺寸根据需要进行改变,主要体现在掩模版图形上,电极材料利用磁控溅射、物理气相沉积、热蒸发或电子束蒸发方法制备。
所述的背栅极电极层中金属Au薄膜厚度为80-150nm。
具体地,本发明提供的所述一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管的制备方法的实现步骤如下:
第一步,衬底预处理;
取p-Si/SiO2为衬底,将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声15分钟,取出后再用去离子水冲洗,最后用干燥的氩气吹干,待用。
所述的p-Si/SiO2衬底中,Si层厚度为0.5mm,SiO2层厚度为300nm。
第二步,在衬底的SiO2层上生长β-Ga2O3薄膜;
将预处理后的p-Si/SiO2衬底放入沉积室,利用磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或溶胶凝胶方法制备氧化镓薄膜,作为光敏层。
第三步,在氧化镓薄膜上制备Ti电极层和Au电极层。
将第二步中制备的氧化镓薄膜用镂空的掩膜板遮挡,采用磁控溅射、物理气相沉积、热蒸发或电子束蒸发等方法在氧化镓薄膜上先后制备金属Ti电极层和Au电极层,获得半透明Au/Ti叉指电极(叉指电极的两极分别为源电极和漏电极)。
第四步,在p-Si/SiO2衬底背面的Si层上制备金属Au薄膜作为背栅极电极层;
将第三步中制备的样品的背面Si层上用镂空的掩膜板遮挡,采用磁控溅射、物理气相沉积、热蒸发或电子束蒸发等方法在Si层上制备金属Au薄膜,作为背栅极电极层。
本发明的优点和有益效果是:
1、相比于传统的晶体管,本发明额外增加了日盲紫外光照对沟道材料中载流子的调制作用,可以拓展Ga2O3薄膜场效应晶体管的用途:如日盲紫外光触发的转换器,日盲紫外显示;相较于传统的MSM结构的氧化镓薄膜日盲紫外光探测器件,本发明将日盲紫外信号的探测和光电流信号的放大集成到单个器件当中,在有效提高器件光电流增益的同时可避免噪声信号的干扰;相比于异质结探测器,光晶体管结构的探测器探测功能区与衬底是相对独立的,将多个器件集成为探测器阵列时,单个器件之间不会相互干扰,降低了工艺的复杂性,更易于集成。
2、本发明制备过程简单,所用衬底为商用的p-Si/SiO2衬底,易于跟硅基器件集成;本发明在制备过程中,采用商业化的制备方法磁控溅射生长氧化镓薄膜,工艺可控性强,易操作,所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、可大面积制备、重复性好且易于集成。所制备的器件结构可在栅压的调控作用下获得高的日盲紫外光电流增益。
附图说明
图1是用本发明方法制得的Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光电晶体管结构示意图。
图2是用本发明方法制得的Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光电晶体管在光强为500μW/cm2的254nm光照下的输出特性。
图3是用本发明方法制得的Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光电晶体管在光强为500μW/cm2的254nm光照下的转移特性。
图4是用本发明方法制得的Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光电晶体管在光强为500μW/cm2的254nm光照及栅压切换下的I-t曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本发明。
本发明首先提供一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光电晶体管,如图1所示,所述晶体管的结构按层次从下到上依次为:背栅极电极层、衬底层、光敏层和叉指电极层,所述的衬底层选择p-Si/SiO2衬底,其中Si层厚度为0.5mm,电阻率为5-10Ω·cm;SiO2层厚度为300nm。所述的光敏层制备在所述的SiO2层,所述的叉指电极层包括Au电极层和Ti电极层,制备在所述的光敏层上。所述的背栅极电极层制备在所述的Si层。其中,选择磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或溶胶凝胶等方法制备β-Ga2O3外延薄膜,作为光敏层,光敏层厚度为200-650nm。在光敏层上制备叉指电极层,为了使电极与β-Ga2O3薄膜层形成欧姆接触,采用Ti/Au作为金属电极材料,厚度为15-65nm,因为Ti与β-Ga2O3薄膜的附着性良好且功函数较低,可以增强电极与薄膜接触的可靠性,易于形成欧姆接触,并且Ti在空气中容易氧化,Au能起到叉指电极在空气中稳定的作用,所以Au电极层在Ti薄膜电极的上方,Ti薄膜电极厚度为5-15nm,其余为Au电极层;在p-Si/SiO2衬底背面的Si层上制备金属Au薄膜作为背栅极电极,厚度为80-150nm。
所述的Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光电晶体管的制备方法,包括如下步骤:
第一步,衬底预处理;
先取一片p-Si/SiO2(Si厚度为0.5mm,电阻率为5-10Ω·cm;SiO2厚度为300nm)为衬底(购置于合肥元晶科技材料有限公司),将p-Si/SiO2衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声15分钟,取出后再用去离子水冲洗,最后用干燥的氩气吹干,待用;
第二步,在p-Si/SiO2衬底的SiO2层上制备光敏层。
将上述清洗干净的p-Si/SiO2衬底放入沉积室,在SiO2绝缘栅层一侧生长β-Ga2O3薄膜。采用的方法包括磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或溶胶凝胶方法,制备的所述的氧化镓薄膜厚度为200-650nm。优选的采用磁控溅射方法制备。
第三步,在氧化镓薄膜上制备叉指电极层。
将第二步中制备的氧化镓薄膜用镂空的掩膜板遮挡,采用磁控溅射、物理气相沉积、热蒸发或电子束蒸发等方法在氧化镓薄膜上先后溅射金属Ti电极层和Au电极层,获得半透明Au/Ti叉指电极。所述叉指电极的两极分别为源电极和漏电极,厚度为15-65nm。所述Ti电极层的厚度为5-15nm,Au电极层厚度为10-40nm。
第四步,在p-Si/SiO2衬底的Si层上制备背栅极电极层。
将第三步中制备的样品的背面Si层上用镂空的掩膜板遮挡,采用磁控溅射、物理气相沉积、热蒸发或电子束蒸发等方法在Si层上制备金属Au薄膜,作为背栅极电极层。所述的背栅极电极层的厚度为80-150nm。
实施例1:
先取一片5mm×4mm大小的p-Si/SiO2衬底(Si厚度为0.5mm,SiO2厚度为300nm)依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声15分钟,取出后再用去离子水冲洗,最后用干燥的氩气吹干,待用。
将上述清洗干净的p-Si/SiO2衬底放入沉积室,采用磁控溅射方法在SiO2层上生长一层约为500nm的氧化镓薄膜。所述磁控溅射方法的具体参数如下:背底真空为1×10-4Pa,工作气氛为氩气,氩气流量为25sccm,工作气压为0.8Pa,衬底温度为550℃,溅射功率为70W,溅射时间为2h。
将上述生长的氧化镓薄膜用镂空的掩膜板遮挡,采用磁控溅射方法先后溅射金属Ti电极层(约6nm)和Au电极层(约14nm),获得一个指长2800μm,指宽200μm,指间距200μm的半透明Au/Ti叉指电极。所述磁控溅射方法的工艺条件如下:背底真空为1×10-4Pa,衬底温度为室温,工作气氛为氩气,氩气流量为25sccm,工作气压为0.8Pa,溅射功率为40W,Ti层的溅射时间为20s,Au层的溅射时间为40s。
在上述制备的样品的背面Si层上用镂空的掩膜板遮挡,采用磁控溅射方法溅射金属Au薄膜,获得一个长3200μm、宽2200μm的长方形金属Au层作为背栅极电极层(处于Ga2O3薄膜的正下方),所述磁控溅射方法的工艺条件如下:背底真空为1×10-4Pa,衬底温度为室温,工作气氛为氩气,氩气流量为25sccm,工作气压为0.8Pa,溅射功率为40W,溅射时间为300s,得到厚度为100nm的Au薄膜层。
将上述获得的Au/Ti叉指电极的边角上采用机械力按上一块直径约为0.1mm的In电极并与Cu线相连,作为氧化镓薄膜沟道上源极电极及漏极电极,如图1所示;同时,切除一块0.2mm In电极金属,同样采用机械力按在背面的Si层上的Au薄膜(长3200μm、宽2200μm)上并与Cu线相连作为背栅极电极。
通过上述方法制得的Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光电晶体管在光强为500μW/cm2的254nm光照下的输出特性如图2所示,当作为放大元件使用时,光电晶体管是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区,从曲线上可以看出漏源电压VDS对漏极电流ID的影响很小,但是改变栅极电压VG可以明显改变漏极电流ID,这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。
在光强为500μW/cm2的254nm光照下的转移特性曲线如图3所示,满足N沟道增强型场效应晶体管的特性曲线,曲线的斜率跨导gm反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。对光电晶体管的光电探测性能进行进一步测试,图4给出了在漏源电压VDS=20V,光强500μW/cm2的254nm光照下,通过不断灯开灯关,不同栅极电压VG下测得的I-t曲线,重复测试了几个I-t循环,该光电晶体管表现出很好的重复性,从图4中可以看出,改变栅极电压VG可以明显改变漏极电流ID,说明栅压对光漏流调制放大效果,栅压越大响应越大,通过调制栅压大小可以让光晶体管工作在不同响应度光电探测模式下。

Claims (9)

1.一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管的制备方法,其特征在于:所述的制备方法包括如下步骤,
第一步,衬底预处理;
取p-Si/SiO2为衬底,将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声15分钟,取出后再用去离子水冲洗,最后用干燥的氩气吹干,待用;
第二步,在衬底的SiO2层上生长β-Ga2O3薄膜,作为光敏层;
第三步,在氧化镓薄膜上制备Ti电极层和Au电极层;
第四步,在p-Si/SiO2衬底背面的Si层上制备金属Au薄膜作为背栅极电极层;
将第三步中制备的样品的背面Si层上用镂空的掩膜板遮挡,采用磁控溅射、物理气相沉积、热蒸发或电子束蒸发方法在Si层上制备金属Au薄膜,作为背栅极电极层。
2.根据权利要求1所述的一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管的制备方法,其特征在于:所述的p-Si/SiO2衬底中,Si层厚度为0.5mm,SiO2层厚度为300nm。
3.根据权利要求1所述的一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管的制备方法,其特征在于:所述的第二步具体为将预处理后的p-Si/SiO2衬底放入沉积室,利用磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或溶胶凝胶方法制备氧化镓薄膜,作为光敏层。
4.根据权利要求3所述的一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管的制备方法,其特征在于:采用磁控溅射方法制备氧化镓薄膜的工艺条件为:背底真空为1×10-4Pa,工作气氛为氩气,氩气流量为25sccm,工作气压为0.8Pa,衬底温度为550℃,溅射功率为70W,溅射时间为2h。
5.根据权利要求1所述的一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管的制备方法,其特征在于:第三步具体为,将第二步中制备的氧化镓薄膜用镂空的掩膜板遮挡,采用磁控溅射、物理气相沉积、热蒸发或电子束蒸发方法在氧化镓薄膜上先后制备金属Ti电极层和Au电极层,获得半透明Au/Ti叉指电极;所述叉指电极的两极分别为源电极和漏电极。
6.根据权利要求5所述的一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管的制备方法,其特征在于:采用磁控溅射方法制备叉指电极的工艺条件为:背底真空为1×10-4Pa,衬底温度为室温,工作气氛为氩气,氩气流量为25sccm,工作气压为0.8Pa,溅射功率为40W,溅射时间为300s,得到厚度为100nm的Au薄膜层。
7.根据权利要求1所述的一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管的制备方法,其特征在于:第四步中采用磁控溅射方法溅射金属Au薄膜的工艺条件如下:背底真空为1×10-4Pa,衬底温度为室温,工作气氛为氩气,氩气流量为25sccm,工作气压为0.8Pa,溅射功率为40W,溅射时间为300s。
8.一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管,其特征在于:所述晶体管按层次从下到上依次为:背栅极电极层、衬底层、光敏层和叉指电极层;衬底层使用p-Si/SiO2,即在p-Si衬底上有一层SiO2作为绝缘栅电介质,Si层厚度为0.5mm,电阻率为5-10Ω·cm,SiO2层厚度为300nm;氧化镓薄膜作为沟道及光敏层,通过在p-Si/SiO2衬底的SiO2层上制备生长得到;叉指电极作为透光的源极和漏极金属电极,通过在氧化镓薄膜上溅射Au/Ti电极得到;再在p-Si/SiO2背面的Si层上溅射上金属Au薄膜作为背栅极电极。
9.根据权利要求8所述的一种Si基氧化镓薄膜背栅极日盲紫外光晶体管,其特征在于:所述的氧化镓薄膜厚度为200-650nm;所述叉指电极中,Au电极层厚度为10-40nm,Ti电极层厚度为5-15nm;所述的背栅极电极层中金属Au薄膜厚度为80-150nm。
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