CN111244203A - 基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，衬底材料上形成Ga2O3/CuI异质PN结，所述Ga2O3/CuI异质PN结包括设置在衬底材料上的N型Ga2O3层以及设置在该Ga2O3层部分区域上的P型CuI层；在所述CuI层上形成正极，在所述Ga2O3层的另外区域上形成负极；当一定波长的紫外光照射所述Ga2O3/CuI异质PN结时，所述正极和负极之间将会产生光生载流子，以此实现紫外探测。采用本发明的技术方案，具有如下优点：(1)结构简单，工艺成本低。(2)Ga2O3和CuI同为宽禁带半导体，所以该器件为日光盲紫外探测器，无需加滤光片。(3)光生空穴和电子的瞬间分离，可以增加光生载流子的寿命，提高探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外探测器件，特别涉及一种基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器。
背景技术
紫外探测器是用来探测紫外光的敏感器件，具有许多重要的应用。常规的紫外探测器对于可见光响应，因此需要加滤波片。为了解决这个问题，人们利用宽禁带半导体来制作日光盲紫外探测器。其中，Ga2O3是比较常用的材料。由于它的禁带宽度合适，电学性能极好，是日盲紫外探测器的理想材料。
现有技术中，Ga2O3基的紫外探测器大部分为光伏型结构。主要有以下几种：
(1)肖特基型紫外探测器[1]。其示意图如图1所示。它的主体结构是Ga2O3，一端是肖特基接触电极，一端是欧姆接触电极。属于光伏性紫外探测器。这种探测器结构简单，不需要外加偏压，操作方便，暗电流低，但由于没有光电流增益，所以其响应灵敏度往往不如光导型探测器。
(2)MSM型紫外探测器。即金属-半导体-金属结构紫外探测器。在Ga2O3表面构造一对叉指状肖特基电极[2]，其等效电路相当于一对背靠背的肖特基二极管。结构示意图见图2。
(3)某些新结构紫外探测器，例如，基于石墨烯电极的紫外探测器[3]。它利用石墨烯作为一侧的电极。石墨烯和Ga2O3形成整流接触，进行紫外探测。该整流结构类似于肖特基结。
(4)基于Ga2O3的异质结探测器，比如β-Ga2O3和6H-SiC异质结探测器[4]，示意图见图3。以及β-Ga2O3/GaN异质结探测器[5]。
由上述分析可知，目前现有技术中还没有同型PN结型的紫外探测器，这是因为非故意掺杂的Ga2O3是n型半导体，P型Ga2O3往往很难获得。然而实际中PN结型紫外探测器的性能要优于肖特基结的：首先，由于PN结型势垒高度一般大于肖特基结，所以在紫外探测时可以获得更大的光伏电压。其次，由于PN结的空间电荷区更宽，所以在同等器件面积的前提下，可以接收更多的紫外光，提高探测性能。
参考文献：
[1]Oshima T,Okuno T,Arai N,Suzuki N,Ohira S,Fujita S 2008Appl.Phys.Express 1 011202
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发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种基于Ga2O3/CuI异质PN结的紫外探测器，由于采用Ga2O3/CuI异质PN结，相比较肖特基型器件，可以产生更高的势垒高度，提高光电探测的灵敏度；由于Ga2O3和CuI皆为宽禁带半导体材料，都仅对紫外光有响应，所以该紫外探测器无需滤光片，该器件即可实现日光盲紫外光的探测。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，衬底材料(5)上形成Ga2O3/CuI异质PN结，所述Ga2O3/CuI异质PN结包括设置在衬底材料(5)上的N型Ga2O3层(4)以及设置在该Ga2O3层(4)部分区域上的P型CuI层(5)；在所述CuI层(5)上形成正极(2)，在所述Ga2O3层(4)的另外区域上形成负极(1)；当一定波长的紫外光照射所述Ga2O3/CuI异质PN结时，所述正极(2)和负极(1)之间将会产生光生载流子，以此实现紫外探测。
采用上述技术方案，由于Ga2O3/CuI的能带结构，Ga2O3的价带顶的位置更低于CuI，导带底也低于CuI，也就是说，Ga2O3和CuI之间的能带极易分离。在有紫外光辐照的时候，在空间电荷区产生的光生空穴将流到CuI一侧，而光生电子将流向Ga2O3一侧。由于该器件在紫外照射的过程中可以将紫外光激发的空穴和电子迅速分离，从而提高光生载流子寿命，提高探测器的分辨率和响应速度，克服现有技术的不足。
作为进一步的改进方案，所述负极(1)和Ga2O3层(4)形成欧姆接触；所述正极(2)和CuI层(5)形成欧姆接触。
作为进一步的改进方案，所述Ga2O3层(4)与CuI层(5)之间还设有插入层，该插入层为本征半导体。
作为进一步的改进方案，所述衬底材料(5)为Ga2O3衬底、GaN衬底或SiC衬底中任一种。
作为进一步的改进方案，所述CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成CuI隔离岛。
作为进一步的改进方案，所述CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成CuI纳米柱阵列结构，CuI纳米柱阵列结构为多个间隔分布的CuI纳米柱，所述正极(2)设置在多个CuI纳米柱上。
作为进一步的改进方案，每个CuI纳米柱的直径为1～200nm。
作为进一步的改进方案，所述CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成多个间隔分布的CuI纳米条，所述正极(2)设置在多个CuI纳米条上。
作为进一步的改进方案，每个CuI纳米条的长度为100nm，宽度为1～200nm。
作为进一步的改进方案，所述正极(2)的材料为石墨烯；所述负极(1)的材料为Ti/Au。
作为进一步的改进方案，所述Ga2O3层(4)为β-Ga2O3。
与现有紫外探测器相比，本发明具有如下技术效果：
(1)由于采用Ga2O3/CuI异质PN结，紫外探测器件能够分离光生空穴和电子，可以提高光生载流子的寿命，增大光电流。
(2)相比较于现有技术肖特基型器件，本发明紫外探测器件可以产生更高的势垒高度，提高光电探测的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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他的附图。
图1为肖特基电极型Ga2O3紫外探测器示意图；
图2为MSM型β-Ga2O3紫外探测器示意图；
图3为β-Ga2O3/SiC异质结紫外探测器示意图；
图4为β-Ga2O3/CuI异质结能带示意图；
图5为β-Ga2O3/CuI异质PN结紫外探测器示意图；
图6为β-Ga2O3/CuI纳米柱异质PN结紫外探测器示意图；
图7为β-Ga2O3/CuI纳米条异质PN结紫外探测器示意图。
具体实施方式
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详细的描述，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的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。
为了弥补没有p型Ga2O3的缺憾，申请人另辟蹊径，提出采用其他材料替代p型Ga2O3，构造异质PN结的技术方案。申请人在研究中发现，CuI又是一种非故意掺杂的p型半导体。它同为宽禁带半导体材料，禁带宽度达到3.2eV。其空穴迁移率可以超过40mS/v·m,是一个极优的数值，远高于一般的p型半导体。同时，CuI具有独特的能带结构，它的电子亲和能为2.1eV，费米能级约为5.1eV。在所有的宽禁带P型半导体中，它具有最低的价带顶能级，容易和金属形成欧姆接触。CuI是最理想的透明P型半导体。Ga2O3和CuI的能带结构决定了它们可以获得良好的光电性能。它们的能带结构示意图见图4。当一定波长的紫外光照射到由Ga2O3和CuI组成的异质PN结时，将会产生光生载流子。
并且由于Ga2O3/CuI的能带结构，见图4,Ga2O3的价带顶的位置更低于CuI，导带底也低于CuI。以上是无任何外加电压的情况下，如果对器件施加反向电压，即在Ga2O3一侧施加高电压而在CuI一侧施加负电压，则这种情况将更加明显。也就是说，Ga2O3和CuI之间的能带分离将更加厉害。这意味着，在有紫外光辐照的时候，在空间电荷区产生的光生空穴将流到CuI一侧，而光生电子将流向Ga2O3一侧。由于该器件在紫外照射的过程中可以将紫外光激发的空穴和电子迅速分离，可以提高光生载流子寿命，提高探测器的分辨率和响应速度，能够克服现有技术的不足。
实施例1
参见图5，所示为本发明优选实施例提出的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器示意图，衬底材料(5)上形成Ga2O3/CuI异质PN结，所述Ga2O3/CuI异质PN结包括设置在衬底材料(5)上的N型Ga2O3层(4)以及设置在该Ga2O3层(4)部分区域上的P型CuI层(5)；在所述CuI层(5)上形成正极(2)，在所述Ga2O3层(4)的另外区域上形成负极(1)；当一定波长的紫外光照射所述Ga2O3/CuI异质PN结时，所述正极(2)和负极(1)之间将会产生光生载流子，以此实现紫外探测。
其中，CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成CuI隔离岛。
进一步的，所述负极位于Ga2O3/CuI异质PN结的Ga2O3一侧，并和Ga2O3形成欧姆接触，所述正极位于CuI一侧，并和CuI形成欧姆接触。
在一些较佳实施方案中，所述Ga2O3和CuI之间还设有插入层，该插入层为本征半导体形成P-I-N结构，用以减小Ga2O3和CuI的晶格失配，且提高空间电荷区的厚度。
在一些较为具体的实施案例中，所述衬底可以选自业界习用的衬底，例如Ga2O3衬底、GaN衬底、SiC衬底等，且不限于此。
实施例2
参见图6，所示为本发明另一实施例提出的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器示意图，与图6不同的是，CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成CuI纳米柱阵列结构，CuI纳米柱阵列结构为多个间隔分布的CuI纳米柱，正极(2)设置在多个CuI纳米柱上。
进一步的，图6中各部分的尺寸如下：衬底为GaN 500um，Ga2O3厚度为1～200nm，每个CuI纳米柱的直径为1～200nm，负极材料为Ti/Au，正极材料为石墨烯。
实施例3
参见图7，所示为本发明又一实施例提出的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器示意图，与图7不同的是，CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成多个间隔分布的CuI纳米条，正极(2)设置在多个CuI纳米条上。
进一步的，图7中各部分的尺寸如下：衬底为Ga2O3 500um，Ga2O3厚度为1～200nm，每个CuI纳米条的长度为100nm，宽度为1～200nm，负极材料为Ti/Au，正极材料为石墨烯。
与现有紫外探测器相比，上述技术方案实现的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器具有如下优点：(1)所述紫外探测器件能够分离光生空穴和电子，可以提高光生载流子的寿命，增大光电流。(2)所述紫外探测器件相比较肖特基型器件，可以产生更高的势垒高度，提高光电探测的灵敏度。
上述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，可以通过习见半导体器件加工工艺制成。具体实现工艺可以包括以下步骤：
于衬底主平面上形成至少一Ga2O3/CuI异质PN结；
利用选区刻蚀方法形成CuI层；
在CuI层上制作正极电极；
在Ga2O3上制作负极电极；
划片、封装。
上述工艺形成Ga2O3/CuI异质PN结构，p型CuI位于所述Ga2O3层之上，所述Ga2O3位于所述衬底材料之上。所述透明导电正极处于CuI之上，与CuI形成欧姆接触；负极处于Ga2O3层之上，与Ga2O3形成欧姆接触。所述器件在工作过程中，PN结处于反偏状态，因此处于高阻状态，在负极和正极之间电流极小。当一定波长的紫外光照射到异质PN结时，在PN结中会产生电子、空穴对，由于Ga2O3和CuI的能带结构，光生空穴会迅速转移至CuI中，并移向施加负压的正极；而光生电子将转移至Ga2O3中，并移向施加正压的负极。电子、空穴的移动，造成了显著的光生电流。
进一步的，在所述制备方法中，可以通过MOCVD、MBE、PECVD、ALD等业界已知的外延生长方式等于衬底主平面上生长形成所述异质PN结。
进一步的，在所述制备方法中，可以通过ICP、RIE、湿法腐蚀等业界已知的刻蚀方法在Ga2O3/CuI异质结上刻蚀出CuI隔离岛结构。
进一步的，在所述制备方法中，可以通过磁控溅射、电子束蒸发等方式制作形成前述正极、负极。而这些电极的材质也可以选自业界常用的金属或非金属材料，特别是金属材料，例如Ti/Au、石墨烯等等。
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详细的描述，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的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。
Claims (10)
1.基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，衬底材料(5)上形成Ga2O3/CuI异质PN结，所述Ga2O3/CuI异质PN结包括设置在衬底材料(5)上的N型Ga2O3层(4)以及设置在该Ga2O3层(4)部分区域上的P型CuI层(5)；在所述CuI层(5)上形成正极(2)，在所述Ga2O3层(4)的另外区域上形成负极(1)；当一定波长的紫外光照射所述Ga2O3/CuI异质PN结时，所述正极(2)和负极(1)之间将会产生光生载流子，以此实现紫外探测。
2.根据权利要求1所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，所述负极(1)和Ga2O3层(4)形成欧姆接触；所述正极(2)和CuI层(5)形成欧姆接触。
3.根据权利要求1或2所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，所述Ga2O3层(4)与CuI层(5)之间还设有插入层，该插入层为本征半导体。
4.根据权利要求1或2所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，所述衬底材料(5)为Ga2O3衬底、GaN衬底或SiC衬底中任一种。
5.根据权利要求1或2所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，所述CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成CuI隔离岛。
6.根据权利要求1或2所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，所述CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成CuI纳米柱阵列结构，CuI纳米柱阵列结构为多个间隔分布的CuI纳米柱，所述正极(2)设置在多个CuI纳米柱上。
7.根据权利要求6所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，每个CuI纳米柱的直径为1～200nm。
8.根据权利要求1或2所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，所述CuI层(5)为在Ga2O3层(4)上形成多个间隔分布的CuI纳米条，所述正极(2)设置在多个CuI纳米条上。
9.根据权利要求8所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，每个CuI纳米条的长度为100nm，宽度为1～200nm。
10.根据权利要求1或2所述的基于Ga2O3/CuI异质PN结的日光盲紫外探测器，其特征在于，所述正极(2)的材料为石墨烯或ITO；所述负极(1)的材料为Ti/Au。
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