CN108878576B - 一种氧化镓基紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氧化镓基紫外探测器，包括氧化镓晶体衬底、H型氮化硼、石墨烯层、第一欧姆接触电极以及第二欧姆接触电极，其中第一欧姆接触电极生长在氧化镓晶体衬底的第一面；H型氮化硼生长在氧化镓晶体衬底的第二面；石墨烯层生长在H型氮化硼不与氧化镓晶体衬底接触的表面；第二欧姆接触电极生长在石墨烯层不与H型氮化硼接触的表面。本发明能够有效降低器件中的暗电流，显著提升紫外响应的灵敏度和响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种氧化镓基紫外探测器。
背景技术
近年来，紫外探测器因在民用及军事领域均具有重大应用价值而备受关注。紫外探测器在空间天文望远镜、军事导弹预警、非视距保密光通信、海上破雾引航、高压电监测、野外火灾遥感及生化检测等方面都具有广泛的应用前景。紫外探测器对紫外辐射具有高响应，能够利用光电效应，把光学辐射转化成电学信号。紫外探测器主要包括外光电效应器件和内光电效应器件。外光电效应器件通常指光敏电真空器件，例如光电敏倍增管、像增强器和EBCCD等。内光电效应器件则包括光伏效应器件和光导效应器件。其中，在光伏效应器件中，光生电荷在半导体内产生跨越结的P-N小势差；在光导效应器件中，半导体吸收足够能量的光子后，把其中的一些电子或空穴从原来不导电的束缚状态激活到能导电的自由状态，导致半导体电导率增加、电路中电阻下降。现有的典型光伏效应器件包括Si，SiC，GaNP-N结、肖特基势垒光伏探测器以及CCD等，光导效应器件包括GaN基和AlGaN基电光导探测器等。
目前，光导效应器件通常使用宽禁带半导体材料，宽禁带半导体的量子效率、电子迁移率、信噪比均较高，具有探测灵敏度高、响应快、光谱响应分布好、对可见及红外光为盲区、暗电流低、耐高温、抗辐射、体积小等优点。目前光导效应器件主要使用GaN、ZnO以及合金AlxGa1-xN、MgxZn1-xO、BexZn1-xO等半导体材料。但是，常见的用于深紫外探测的材料如MgZnO和AlGaN等，由于合金组分的波动和团聚，会造成紫外探测器性能不稳定，而且制备工艺较为复杂。
Ga2O3是金属镓的氧化物，属于直接带隙半导体，禁带宽度在4.7-4.9eV之间，约为Si的4倍，同时也大于SiC(3.3eV)和GaN(3.4eV)。Ga2O3的击穿电场强度为8MV/cm左右，达到Si的20多倍，达到SiC及GaN的2倍以上。通常，紫外光会在大气层被臭氧层吸收，极少可以到达地球表面，这个波段被称为“日盲”波段，在地球表面的探测背景噪声极小，而Ga2O3的带隙对应的峰值响应波长范围是254nm-264nm，正好对应日盲波段。
因此，近来Ga2O3被视为制作紫外光探测器的理想材料，行业研制了多种结构的Ga2O3基紫外探测器，包括光电导结构、MSM(金属-半导体-金属)结构、肖特基结构等。但是，Ga2O3基紫外探测器的肖特基结构制作工艺较为复杂，增加了生产制作成本；光电导结构以及MSM结构制作工艺虽然较简单，但光电导结构暗电流大，响应灵敏度低；MSM结构则响应速度慢。
因此，亟需设计一种氧化镓基紫外探测器，在较为简单的工艺制作基础上，实现较高的响应灵敏度、较高的响应速度并且降低暗电流。
发明内容
本发明提供的氧化镓基紫外探测器，能够针对现有技术的不足，实现较高的响应灵敏度、响应速度和较低的暗电流。
本发明提供一种氧化镓紫外探测器，包括氧化镓晶体衬底、H型氮化硼、石墨烯层、第一欧姆接触电极以及第二欧姆接触电极，其中：
所述第一欧姆接触电极生长在所述氧化镓晶体衬底的第一面；
所述H型氮化硼生长在所述氧化镓晶体衬底的第二面；
所述石墨烯层生长在所述H型氮化硼不与氧化镓晶体衬底接触的表面；
所述第二欧姆接触电极生长在所述石墨烯层不与所述H型氮化硼接触的表面。
可选地，上述氧化镓晶体衬底为非故意掺杂的N型氧化镓晶体，且表面未经过抛光。
可选地，上述氧化镓晶体衬底通过倒模生长得到。
可选地，上述H型氮化硼为通过湿法转移至所述氧化镓晶体衬底上，所述石墨烯层为通过湿法转移至所述H型氮化硼上。
可选地，上述H型氮化硼的厚度可调整。
可选地，上述H型氮化硼的厚度为20nm，所述氧化镓晶体衬底的厚度为500μm。
可选地，上述石墨烯层包括3-5层完整的石墨烯。
可选地，上述第一欧姆接触电极包括Ti金属层和Au金属层，所述第二欧姆接触电极包括Cr金属层和Au金属层。
可选地，上述第一欧姆接触电极通过射频磁控溅射生长在所述氧化镓晶体衬底的第一面，并且进行了快速热退火处理；所述第二欧姆接触点击通过电子束蒸发生长在所述石墨烯层不与所述H型氮化硼接触的表面。
可选地，上述第二欧姆接触电极的剖面为圆形。
本发明提供的氧化镓基紫外探测器，通过紫外探测器的MIS(金属-绝缘层-半导体，Metal-Insulator-Semiconductor)结构，能够有效降低器件中的暗电流，使得探测器的内部电场快速分离光生载流子，显著提升紫外响应的灵敏度和响应速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一实施例的紫外探测器的MIS结构示意图；
图2为本发明一实施例的紫外探测器的MIS结构的工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种氧化镓基紫外探测器，包括第一欧姆接触电极、氧化镓晶体衬底、H型氮化硼(h-BN)、石墨烯层以及第二欧姆接触电极。第一欧姆接触电极生长在氧化镓晶体衬底的背面，H型氮化硼(h-BN)生长在氧化镓晶体衬底的正面，在H型氮化硼(h-BN)不与氧化镓晶体衬底接触的另一面，生长有石墨烯，在石墨烯不与H型氮化硼(h-BN)接触的另一面，生长有第二欧姆接触电极。
图1示出了本发明一个实施例提供的紫外探测器的MIS结构示意图。如图所示，本发明实施例提供的紫外探测器的MIS结构包括第一欧姆接触电极110、氧化镓晶体衬底100、H型氮化硼(h-BN)101、石墨烯层102以及第二欧姆接触电极120。
氧化镓晶体衬底100的材料主要是Ga2O3晶体，典型的，衬底100的材料为通过倒模法生长得到的非故意掺杂的N型Ga2O3晶体，非故意掺杂的N型Ga2O3晶体中包括但不限于硅、锡等杂质，Ga2O3晶体包括但不限于α、β、γ、δ、ε等同分异构体。优选的，N型Ga2O3晶体为稳定的β结构，掺杂浓度约为1×1017cm-3。典型的，氧化镓晶体衬底100的厚度为500μm。氧化镓晶体衬底100的表面未经过抛光。
第一欧姆接触电极110生长在氧化镓晶体衬底100的背面。具体的，第一欧姆接触电极110的材料包括但不限于Au、Ti、Co、Ni、Al、W等金属材料及其合金。第一欧姆接触电极110的生长方法包括但不限于磁控溅射等方法。可选的，第一欧姆接触电极110也可以由不限于一种的材料构成多层结构。优选的，第一欧姆接触电极110采用射频磁控溅射生长在经过清洗的氧化镓晶体衬底100的表面，且第一欧姆接触电极110的构成材料为Ti和Au，且金属Ti的厚度为20nm，金属Au层的厚度为50nm，第一欧姆接触电极110的总厚度约为70nm。随后，对第一欧姆接触电极110在2500度的环境下进行1分钟的RTA(Rapid ThermalAnnealing，快速热退火)处理，以形成更好的欧姆接触。
H型氮化硼(h-BN)101生长在氧化镓晶体衬底100的正面。具体的，H型氮化硼(h-BN)的生长方法包括但不限于PVD、CVD、ALD、PLD、MOCVD、PEALD、MBE以及溅射等方法，优选的，本发明的实施例使用CVD的方法生长H型氮化硼(h-BN)101，并且通过湿法转移至氧化镓晶体衬底100的正面。优选的，为防止H型氮化硼(h-BN)101介质层过薄而不能起到阻挡层的作用，引起本发明实施例的紫外探测器中的暗电流较大和紫外探测性能较差，本发明实施例的H型氮化硼(h-BN)101的厚度取约为20nm。
石墨烯层102生长在H型氮化硼(h-BN)101不与氧化镓晶体衬底100接触的一面。具体的，石墨烯层102的生长方法包括但不限于PVD、CVD、ALD、PLD、MOCVD、PEALD、MBE以及溅射等方法。优选的，本发明的实施例使用CVD的方法生长石墨烯，并且通过湿法转移至H型氮化硼(h-BN)101的表面。石墨烯层102包括3-5层石墨烯，且每一层石墨烯均为完整无破损的石墨烯。
第二欧姆接触电极120生在石墨烯层102不与H型氮化硼(h-BN)101层相接触的一面。典型的，第二欧姆接触电极120的材料包括但不限于Cr、Au、Ti、Co、Ni、Al、W等金属材料及其合金。第二欧姆接触电极120的生长方法包括但不限于电子束蒸发、磁控溅射等方法。可选的，第二欧姆接触电极120可以由不限于一种的材料构成多层结构，且第二欧姆接触电极120的剖面为圆形。优选的，第二欧姆接触电极120的构成材料为Cr和Au，且金属Cr的厚度约为20nm，金属Au层的厚度约为80nm，第二欧姆接触电极110的总厚度约为100nm，采用电子束蒸发的方式进行生长。
特别的，Ga2O3晶体衬底100作为本发明实施例提供的紫外探测器的功能层，主要用于吸收紫外光。H型氮化硼(h-BN)101作为本发明实施例提供的紫外探测器的介质层，主要用于起到阻挡电子及电流的作用。石墨烯层102则用于作为本发明实施例提供的紫外探测器的金属层。从而，石墨烯层102、H型氮化硼(h-BN)101、Ga2O3晶体衬底100共同形成了MIS(金属-绝缘层-半导体，Metal-Insulator-Semiconductor)结构。
图2示出了本发明一实施例的紫外探测器的MIS结构的工作原理示意图。如图所示，图2所示的器件结构为图1中所示的器件结构逆时针旋转90度的示意图，在图中，从左至右依次分布第二欧姆接触电极、石墨烯、H型氮化硼(h-BN)、Ga2O3晶体衬底以及第一欧姆接触电极，石墨烯层、H型氮化硼(h-BN)、Ga2O3晶体衬底共同形成了MIS结构。
当石墨烯层转移到H型氮化硼(h-BN)不与Ga2O3晶体衬底接触的那一面时，Ga2O3晶体衬底中的电子将向H型氮化硼(h-BN)和石墨烯之间的界面的方向移动，在Ga2O3晶体衬底中，形成电流方向从Ga2O3晶体衬底与第一欧姆接触电极交界处指向H型氮化硼(h-BN)与Ga2O3晶体衬底的交界处的内建电场(在图2中顶部的“+”表示电场的电流正方向，“-”表示电场的电流负方向)。Ga2O3晶体衬底靠近H型氮化硼(h-BN)一侧的导带底Ec和价带顶Ev均会沿从价带顶Ev指向导带底Ec的方向弯曲，即能级Ef产生沿从价带顶Ev指向导带底Ec的方向的弯曲。
当波长为254nm左右的光线照射本发明实施例提供的紫外探测器时，Ga2O3晶体衬底将吸收光子的能量并且将价带的电子激发到导带成为自由电子，由于内建电场的存在，光生的电子空穴对将被分离且向不同的方向移动，电子向Ga2O3晶体衬底与第一欧姆接触电极交界处的方向传输，空穴向H型氮化硼(h-BN)与石墨烯层的交界处的方向传输，从而形成从Ga2O3晶体衬底与第一欧姆接触电极交界处指向H型氮化硼(h-BN)与石墨烯层的交界处的光电流(与原内建电场正方向一致)，产生探测信号。
在没有光照射时，由于介质层H型氮化硼(h-BN)超宽的禁带宽度，石墨烯中的电子不能越过势垒，并且本发明实施例中H型氮化硼(h-BN)层的厚度优选为20nm，极少的电子能隧穿H型氮化硼(h-BN)层进入Ga2O3晶体衬底形成电流，从而降低了本发明实施例提供的紫外探测器的暗电流，有利于提高紫外探测性能。
特别的，本发明实施例提供的紫外探测器可以调节介质层h-BN层的厚度，有效地降低紫外探测器的暗电流。
特别的，透明的H型氮化硼(h-BN)和石墨烯均可以使得更多的入射光被Ga2O3晶体衬底所吸收，石墨烯具有很高的载流子迁移率，便于光生载流子的迅速收集传输，从而提高紫外探测器的性能。
本发明实施例提供的Ga2O3基紫外探测器，通过使用石墨烯层、H型氮化硼(h-BN)、Ga2O3晶体衬底实现MIS结构，并且实现介质层H型氮化硼(h-BN)的厚度可调，能够有效降低探测器的暗电流，有效将探测波段控制在深紫外波段，并且实现了器件的较高紫外响应度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种氧化镓基紫外探测器，其特征在于，包括氧化镓晶体衬底、H型氮化硼、石墨烯层、第一欧姆接触电极以及第二欧姆接触电极，其中：
所述第一欧姆接触电极生长在所述氧化镓晶体衬底的第一面；
所述H型氮化硼生长在所述氧化镓晶体衬底的第二面；
所述石墨烯层生长在所述H型氮化硼不与氧化镓晶体衬底接触的表面；
所述第二欧姆接触电极生长在所述石墨烯层不与所述H型氮化硼接触的表面；
所述第一欧姆接触电极通过射频磁控溅射生长在所述氧化镓晶体衬底的第一面，并且进行了快速热退火处理；所述第二欧姆接触通过电子束蒸发生长在所述石墨烯层不与所述H型氮化硼接触的表面。
2.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外探测器，其特征在于，所述氧化镓晶体衬底为非故意掺杂的N型氧化镓晶体，且表面未经过抛光。
3.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外探测器，其特征在于，所述氧化镓晶体衬底通过倒模生长得到。
4.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外探测器，其特征在于，所述H型氮化硼为通过湿法转移至所述氧化镓晶体衬底上，所述石墨烯层为通过湿法转移至所述H型氮化硼上。
5.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外探测器，其特征在于，所述H型氮化硼的厚度可调整。
6.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的氧化镓基紫外探测器，其特征在于，所述H型氮化硼的厚度为20nm，所述氧化镓晶体衬底的厚度为500μm。
7.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外探测器，其特征在于，所述石墨烯层包括3-5层完整的石墨烯。
8.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外探测器，其特征在于，所述第一欧姆接触电极包括Ti金属层和Au金属层，所述第二欧姆接触电极包括Cr金属层和Au金属层。
9.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外探测器，其特征在于，所述第二欧姆接触电极的剖面为圆形。
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