CN111524998A - 太阳光盲区肖特基背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体管 - Google Patents
太阳光盲区肖特基背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于转印氧化镓薄膜的肖特基背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体管。其包括：包括：多晶硅栅(1)、SiO2介质层(2)、Ga2O3薄膜沟道层(3)、源极(4)和漏极(5)。所述Ga2O3薄膜沟道层(3)印制在SiO2介质层(2)上面的源极(4)与漏极(5)之间，所述源极(4)采用欧姆接触，所述漏极(5)采用肖特基接触，形成肖特基背栅复合结构。本发明结合肖特基二极管的单向导电特性和栅极可控这两个优点，提高了器件控制能力以及减小了反向漏电流，使得光暗电流比增加，增强了器件的可靠性，可用于火焰探测、保密空间通信、目标预警与跟踪和太阳盲成像。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种肖特基接触的背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体MOSFEPT,可用于火焰探测、保密空间通信、目标预警与跟踪和太阳盲成像。
技术背景
氧化镓Ga2O3半导体材料具有悠久的历史，早在20世纪50年代，就首次报道了氧化镓的多晶及其稳定性区域。但由于当时技术的限制，氧化镓在当时没有受到重视。近些年，随着科技的发展，人们发现了氧化镓在光电探测器、电子电力器件等领域的潜在优势，相关研究也越来越多。据相关人员统计，自20世纪50年代起，氧化镓相关的应用数量逐步增加。
相较于其他的光电探测器，Ga2O3光电探测器具有诸多优势：一是Ga2O3半导体有着抗强辐射和耐强酸强碱等良好稳定性，二是Ga2O3的光学带隙约为4.2eV～5.1eV，根据吸收波长与带隙的关系，可以看出吸收的波长主要集中在深紫外区域，它弥补了传统透明氧化物半导体材料在深紫外区不透明的缺点。由于以上优势，Ga2O3经常被用于太阳能盲光电探测器。太阳能盲光电探测器对于广泛的工业、民用、环境和生物具有极大的应用潜力，其在火焰探测、保密空间通信和太阳盲成像等领域的潜在应用引起了人们的广泛关注。如何解释观察到的巨大光电导增益的物理机制成为Ga2O3的特殊研究方向。从材料外延和器件工艺的快速发展可知，Ga2O3基太阳能盲探测器是迄今为止最有可能针对多功能应用的深紫外UV检测技术的解决方案。
紫外光电探测器不仅在工作时不易受长波电磁干扰，可以在很强的电磁辐射环境中工作，并且具有很好的隐蔽性，它不是通过主动向外辐射电磁波的形式向目标发射探测信号，而是通过被动接收紫外线辐射来辨认目标的，大大地避免了其本身位置的暴露。极具发展潜力的紫外通讯技术利用紫外线为媒质，几乎不受各种电磁干扰的影响，同时具有低窃听率和位辨率、灵动性强和全天候等特点，属于一种高保密通讯技术。
目前,基于转印技术的Ga2O3背栅MOSFEPT,其结构如图1所示。该器件2结构比较简单，先背栅氧化层衬底上转印的Ga2O3薄膜，再淀积源漏电极，这两个电极均为欧姆接触。虽然使用Ga2O3薄膜有着体积小、缺陷少、节约成本等优势，但是通常这种结构作为光电探测器有着大的暗电流和长时间的恢复进程的缺点,而且由于Ga2O3材料本身热导率较低，导致在实际应用中存在温度过高，造成器件性能的降低。
发明内容
本发明的目的在于现有技术的基础上优化了器件性能，提出一种太阳光盲区肖特基接触的背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体管及制作方法，以增强对器件的控制能力和光暗电流比，提高器件性能。
实现本发明目的技术关键是：采用转印技术将β-Ga2O3薄膜转印在背栅氧化层衬底上，在此基础上制作背栅结构的肖特基接触的Ga2O3材料的MOSFEPT，其实现方案如下：
1.一种太阳光盲区肖特基接触的背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体管，包括：背栅氧化层、氧化镓沟道层、漏极及源极，所述源极采用欧姆接触，且与漏极之间设有转印的Ga2O3薄膜沟道层，其特征在于：所述漏极，采用肖特基接触，形成肖特基背栅复合结构。
进一步，所述背栅氧化层的材料包括多晶硅栅和SiO2层两部分，多晶硅栅作为晶体管的背栅，厚度为10-1000nm，SiO2层作为晶体管的氧化层介质，厚度为10-600nm。
进一步，所述转印Ga2O3薄膜沟道层的厚度为100-400nm。
进一步，所述源极和漏极的材料均采用Ti、Au、Cr、Pt、Ag中的任意一种或两种以上形成的合金，其厚度为10-1000nm，
进一步，所述源极与漏极之间的电极间距为4-20μm。
2.一种太阳光盲区肖特基背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取上下分别为SiO2层和多晶硅栅这两部分的背栅氧化层基片，其中SiO2层作为晶体管的氧化层介质，即衬底，厚度为10-600nm；多晶硅栅作为背栅，厚度10-1000nm；
(2)将Ga2O3体材料沿100晶向剥离到蓝胶上，并通过反复撕拉减小Ga2O3的厚度，最终将撕拉后的Ga2O3薄膜转印到所选的衬底上；
(3)将转印后的材料依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗10min，再用氮气枪吹干；
(4)采用光刻和电子束蒸发工艺，在清洗后的材料表面做出带有数字的十字金属标记，用于标记转印薄膜的位置；
(5)利用显微镜记录薄膜所在位置，并利用台阶仪测出薄膜的厚度，选出厚度为100-400nm的均匀的Ga2O3薄膜；
(6)采用光刻技术，在选取的Ga2O3薄膜一侧开出2×2μm的窗口，采用电子束蒸发工艺，在开出的窗口处淀积厚度为10-1000nm的金属，形成源极，并用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干；
(7)利用快速退火技术，在温度为500℃的氮气氛围下退火60s，使得源电极与Ga2O3形成欧姆接触；
(8)采用套刻技术，通过版图控制源漏间距在4-30μm，即在Ga2O3薄膜另一侧距离源极4-20μm处开出2×2μm的窗口，采用电子束蒸发工艺，在开出的窗口处淀积厚度为10-1000nm的金属，形成漏极，并用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干，完成器件制作。
本发明与现有技术相比,具有如下优点：
本发明采用肖特基背栅复合结构，相对于现有的背栅MOSFEPT器件，由于肖特基接触的存在，晶体管在未开启状态下的输出电流就会更小，暗电流变小，在光电流不变的情况下，光暗电流比就会增大，提高了光电探测器的探测灵敏度和准确度；相对于现有转印Ga2O3薄膜肖特基二极管结构，由于背栅的存在，加强了对导电沟道的控制能力，提高了器件的工作频率，降低功率损耗。
附图说明
图1是现有基于转印的Ga2O3背栅MOSFEPT器件的示意图；
图2是本发明的截面结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明制作肖特基接触的Ga2O3背栅MOSFEPT器件的流程示意图；
图5是本发明作方法中制作的十字金属标记。
具体实施方式
以下结合附图对发明的实施例作进一步详细描述。
参照图2和3，本发明基于转印技术的太阳光盲区肖特基接触的Ga2O3背栅MOSFEPT包括多晶硅栅1、SiO2衬底2、Ga2O3薄膜沟道层3、源极4和漏极5。其中SiO2衬底2的厚度为10-600nm，其作为晶体管的氧化层介质；多晶硅栅1的厚度为10-1000nm，其位于SiO2衬底2的下部，作为晶体管的背栅，这两部分构成背栅氧化层。Ga2O3薄膜沟道层3印制在SiO2衬底2上，其厚度100-400nm部的源极4与漏极5之间，源极4和漏极5位于Ga2O3薄膜沟道层3的两边，两者之间的电极间距为4-20μm。
所述源极4采用欧姆接触，其淀积的金属为Ti、Au、Cr、Pt、Ag中的任意一种或两种以上形成的合金，厚度为10-1000nm；所述漏极5采用肖特基接触，其淀积的金属也为Ti、Au、Cr、Pt、Ag中的任意一种或两种以上形成的合金，厚度为10-1000nm；漏极和源极金属材料可以相同也可以不同，金属厚度可以相同也可略有差异。
参照图4，本发明制作转印技术的氧化镓薄膜的肖特基接触背栅MOSFEPT的方法，给出以下三种实施例。
实施例1：制备Ga2O3薄膜厚度为100nm的肖特基接触背栅MOSFEPT。
步骤1，转印Ga2O3薄膜形成沟道层。
1.1)选取背栅氧化层基片，其两面分别为P++型Si和SiO2氧化介质层，其中P++型Si作为背栅，厚度为650nm，SiO2作为衬底，厚度为200nm，如图4(a)所示；
1.2)将Ga2O3材料沿100晶向剥离到蓝胶上，并通过反复撕拉减小Ga2O3的厚度，最终将多次撕拉后的Ga2O3薄膜转印到上述衬底上，如图4(b)；
1.3)转印成功后，将转印后的样片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗10min，再用氮气枪吹干，超声清洗功率要调到保证Ga2O3薄膜不脱落。
步骤2，制备金属标记。
2.1)采用光刻工艺，将带有数字的十字标记图形从光刻版上转移到SiO2衬底上，再采用电子束蒸发工艺，在SiO2衬底上依次淀积60nm厚的金属Ti和120nm厚的金属Au；
2.2)用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干，形成带有数字的十字金属标记，用于记录转印薄膜的位置，如图5所示。
步骤3，选取薄膜厚度。
利用显微镜记录Ga2O3薄膜所在位置，再利用台阶仪测出薄膜的厚度，选出厚度为100nm的Ga2O3薄膜，选取的薄膜厚度尽量均匀。
步骤4，制备欧姆源极。
4.1)采用光刻技术，在选取的Ga2O3薄膜一侧开出2×2μm的正方形窗口，采用电子束蒸发工艺，在开出的窗口处依次淀积60nm厚的金属Ti和120nm厚的金属Au，用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干；
4.2)利用快速退火技术，将经过4.1)处理后的样片放在温度为500℃的氮气氛围下退火60s，使得4.1)所淀金属与Ga2O3形成欧姆接触,完成源极制备，如图4(c)所示。
步骤5，制备肖特基漏极。
5.1)采用套刻技术，在Ga2O3薄膜另一侧开出2×2μm的正方形窗口，并通过版图控制其与源窗口间距为4μm；
5.2)采用电子束蒸发工艺，在5.1)开出的窗口处依次淀积60nm厚的金属Ti和120nm厚的金属Au；
5.3)用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗样片，再用氮气枪吹干，使得5.2)所淀金属与Ga2O3形成肖特基接触，完成漏极制作，如图4(d)所示。
至此，完成整个肖特基背栅MOSFEPT的制作。
实施例2：制备Ga2O3薄膜厚度为200nm的肖特基接触背栅MOSFEPT。
步骤一，转印Ga2O3薄膜形成导电层。
1a)选取背栅氧化层基片，其两面分别为P++型Si和SiO2氧化介质层，其中P++型Si作为背栅，厚度为800nm，SiO2作为衬底，厚度为250nm，如图4(a)所述；
1b)将Ga2O3材料沿100晶向剥离到蓝胶上，并通过反复撕拉减小Ga2O3的厚度，最终将多次撕拉后的Ga2O3薄膜转印到上述衬底上，如图4(b)所示；
1c)转印成功后，将转印后的样片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗10min，再用氮气枪吹干，超声清洗功率要调到保证Ga2O3薄膜不脱落。
步骤二，制备金属标记。
2a)采用光刻工艺，将带有数字的十字标记图形从光刻版上转移到SiO2衬底上，再采用电子束蒸发工艺，在SiO2衬底上依次淀积20nm厚的金属Cr和100nm厚的金属Au。
2b)用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干，形成带有数字的十字金属标记，用于记录转印薄膜的位置，如图5所示。
步骤三，选取薄膜厚度。
利用显微镜记录Ga2O3薄膜所在位置，再利用台阶仪测出薄膜的厚度，选出厚度为200nm的均匀Ga2O3薄膜。
步骤四，制备欧姆源极。
4a)采用光刻技术，在选取的Ga2O3薄膜一侧开出2×2μm的正方形窗口，采用电子束蒸发工艺，在开出的窗口处依次淀积30nm厚的金属Pt和120nm厚的金属Au，用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干；
4b)利用快速退火技术，将经过4a)处理后的样片放在温度为500℃的氮气氛围下退火60s，使得4a)所淀金属与Ga2O3形成欧姆接触，完成源极制备,如图4(c)所示。
步骤五，制备肖特基漏极。
5a)采用套刻技术，在Ga2O3薄膜另一侧开出2×2μm的正方形窗口，通过版图控制其与源窗口间距为8μm，
5b)采用电子束蒸发工艺，在5a)开出的窗口处淀积180nm厚的金属Pt；
5c)用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗样片，再用氮气枪吹干，使得5b)所淀金属与Ga2O3形成肖特基接触，完成漏极制作，如图4(d)所示。
至此，完成整个肖特基背栅MOSFEPT的制作。
实施例3：制备Ga2O3薄膜厚度为300nm的肖特基接触背栅MOSFEPT。
步骤A，转印Ga2O3薄膜形成导电层
A1)选取背栅氧化层基片，其两面分别为N++型Si和SiO2氧化介质层，其中N++型Si作为背栅，厚度为500nm，SiO2作为衬底，厚度为300nm，如图4(a)所示；
A2)将Ga2O3材料沿100晶向剥离到蓝胶上，并通过反复撕拉减小Ga2O3的厚度，最终将多次撕拉后的Ga2O3薄膜转印到上述衬底上，如图4(b)所示；
A3)调节超声清洗功率，将转印后的样片依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗10min，保证Ga2O3薄膜不脱落，再用氮气枪吹干。
步骤B，制备金属标记。
采用光刻工艺，将带有数字的十字标记图形从光刻版上转移到SiO2衬底上，再采用电子束蒸发工艺，在SiO2衬底上依次淀积80nm厚的金属Pt和200nm厚的金属Au，并用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干，形成带有数字的十字金属标记，用于记录转印薄膜的位置，如图5所示。
步骤C，测量薄膜厚度。
利用显微镜记录Ga2O3薄膜所在位置，再利用台阶仪测出薄膜的厚度，选出厚度约为300nm的均匀的Ga2O3薄膜。
步骤D，制备欧姆源极。
D1)采用光刻技术，在选取的Ga2O3薄膜一侧开出2×2μm的正方形窗口，采用电子束蒸发工艺，在开出的窗口处依次淀积50nm厚的金属Cr和90nm厚的金属Au，用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，并用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干；
D2)利用快速退火技术，将经过D1)处理后的样片放在温度为500℃的氮气氛围下退火60s，使得D1)所淀金属与Ga2O3形成欧姆接触，完成源极制备,如图4(c)所示。
步骤E，制备肖特基漏极。
E1)采用套刻技术，在Ga2O3薄膜另一侧开出2×2μm的正方形窗口，通过版图控制其与源窗口间距为15μm；
E2)采用电子束蒸发工艺，在E1)开出的窗口处依次淀积20nm厚的金属Pt和120nm厚的金属Ag；
E3)用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗样片，再用氮气枪吹干，使得E2)所淀金属与Ga2O3形成肖特基接触，完成漏极制作，如图4(d)所示。
至此，完成整个肖特基背栅MOSFEPT的制作。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种太阳光盲区肖特基背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体管,包括：多晶硅栅(1)、SiO2介质层(2)、Ga2O3薄膜沟道层(3)、源极(4)和漏极(5)，所述Ga2O3薄膜沟道层(3)印制在SiO2介质层(2)上面的源极(4)与漏极(5)之间，所述源极(4)采用欧姆接触，其特征在于：所述漏极(5)采用肖特基接触，形成肖特基背栅复合结构。
2.根据权利要求1所述的晶体管,其特征在于：多晶硅栅(1)作为晶体管的背栅，厚度为10-1000nm；SiO2介质层(2)作为晶体管的氧化层介质，厚度为10-600nm，两部分自下而上构成背栅氧化层。
3.根据权利要求1所述的晶体管,其特征在于：所述转印Ga2O3薄膜沟道层(3)的厚度为100-400nm。
4.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：所述源极和漏极淀积的金属为Ti、Au、Cr、Pt、Ag中的任意一种或两种以上形成的合金，其厚度为10-1000nm。
5.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：所述源极与漏极之间的电极间距为4-20μm。
6.一种太阳光盲区肖特基背栅金属氧化物半导体场效应光电晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取上下分别为SiO2层和多晶硅栅这两部分的背栅氧化层基片，其中SiO2层作为晶体管的氧化层介质，即衬底，厚度为10-600nm；多晶硅栅作为背栅，厚度10-1000nm；
(2)将Ga2O3材料沿100晶向剥离到蓝胶上，并通过反复撕拉减小Ga2O3的厚度，使留在蓝胶上的Ga2O3薄膜印到所选的衬底上，形成沟道层；
(3)将转印后的材料依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗10min，再用氮气枪吹干；
(4)采用光刻和电子束蒸发工艺，在清洗后的材料表面做出带有数字的十字金属标记，用于标记转印薄膜的位置；
(5)利用显微镜记录薄膜所在位置，并利用台阶仪测出薄膜的厚度，选出厚度为100-400nm的均匀的Ga2O3薄膜；
(6)采用光刻技术，在选取的Ga2O3薄膜一侧开出2×2μm的窗口，采用电子束蒸发工艺，在开出的窗口处淀积厚度为10-1000nm的金属，形成源极，并用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干；
(7)利用快速退火技术，在温度为500℃的氮气氛围下退火60s，使得源电极与Ga2O3形成欧姆接触；
(8)采用套刻技术，通过版图控制源漏间距在4-30μm，即在Ga2O3薄膜另一侧距离源极4-20μm处开出2×2μm的窗口，采用电子束蒸发工艺，在开出的窗口处淀积厚度为10-1000nm的金属，形成漏极，并用丙酮将其他部位的金属和光刻胶清洗掉，再用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干,完成器件制作。
7.根据权利要求书6所述的制作方法，其特征在于，步骤(4)中在清洗后的材料表面做出带有数字的十字金属标记，是采用光刻技术将版图上的数字标记转移到材料表面上，后用电子束蒸发工艺在材料上淀积金属，形成带有数字的金属标记，其淀积的金属为Ti、Au、Cr、Pt、Ag中的任意一种或两种以上形成的合金，厚度为20-500nm。
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