CN112349777B - 具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器及其制备方法 - Google Patents

具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器及其制备方法，其中，GaN HEMT光电探测器包括衬底、位于衬底上的GaN缓冲层、位于GaN缓冲层上的AlGaN势垒层、位于AlGaN势垒层表面两侧的源漏电极，以及位于源漏电极之间的复合栅结构，其中，复合栅结构包括位于AlGaN势垒层上的钙钛矿以及位于钙钛矿层上的TCO层。本发明将钙钛矿图形化后，与透明导电氧化物组成复合栅结构，并将其用在氮化镓HEMT光电探测器上，以使钙钛矿材料优异的光电性能与HEMT器件的高迁移率、高开关比特性相结合，从而获得更好的光电响应，扩大了器件应用范围。

Description

具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种具有钙钛矿复合栅结构的GaNHEMT光电探测器及其制备方法。
背景技术
20世纪80年代后期，研究人员在碳化硅、蓝宝石衬底上通过插入氮化镓缓冲层的方法生长出高质量的GaN及AlGaN后，GaN高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)就进入了飞速发展的时期。GaN高电子迁移率晶体管器件拥有诸多的优势：一是具有较高的工作电压及工作频率；二是具有较低的导通电阻和较小的输入输出电容；三是具有更高的抗辐照性与更高的耐高温性。由于以上优势，GaN高电子迁移率晶体管器件经常被用于电力电子领域与微波领域。
钙钛矿作为新型的光电材料，由于其高吸收系数，高载流子迁移率和带隙可调的优点，常用于光电器件，尤其是在太阳能电池领域得到了成功的应用。此外，在光电探测器的应用方面，钙钛矿光电探测器兴起只有短短几年时间便经历了十分蓬勃的发展，迅速成为光电子领域研究的热门。研究表明，基于钙钛矿材料有望制备新一代低成本、高性能光电探测器。钙钛矿材料具有丰富的微观形貌，包括微晶/多晶薄膜、块体单晶和低维纳米单晶等，不同形貌的钙钛矿材料在性能上展示出很大的不同。
目前，虽然钙钛矿多晶薄膜较易制备，但其不易实现图形化，因此，现有的多晶薄膜探测器大多直接采用钙钛矿薄膜作为光活性层进行探测。其中，钙钛矿光暗电流比虽可达到106，但是需要电子、空穴传输层等复杂结构的支持，这大大限制了其在光电探测器件中的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，包括衬底、位于所述衬底上的GaN缓冲层、位于所述GaN缓冲层上的AlGaN势垒层、位于所述AlGaN势垒层表面两侧的源漏电极以及位于所述源漏电极之间的复合栅结构，其中，所述复合栅结构包括位于所述AlGaN势垒层上的钙钛矿层以及位于所述钙钛矿层上的TCO层。
在本发明的一个实施例中，所述钙钛矿层的厚度为200-1000nm。
在本发明的一个实施例中，所述钙钛矿层为有机无机杂化钙钛矿或者全无机钙钛矿。
在本发明的一个实施例中，所述钙钛矿层包括有机无机杂化钙钛矿MAPbI3。
在本发明的一个实施例中，所述TCO层的厚度为100nm。
在本发明的一个实施例中，所述TCO层的材料为ITO、FTO或者AZO。
在本发明的一个实施例中，所述衬底的材料为蓝宝石、硅或者碳化硅。
本发明的另一个实施例还提供了一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备方法，包括：
选取一定衬底，并依次在所述衬底上外延生长GaN缓冲层和AlGaN势垒层；
在所述AlGaN势垒层上制作源漏电极；
在所述源漏电极之间的栅极区域制备钙钛矿层，并在所述钙钛矿层上淀积TCO层，以形成复合栅结构，从而完成器件的制备。
在本发明的一个实施例中，在所述AlGaN势垒层上制作源漏电极，包括：
在所述AlGaN势垒层上光刻出源漏电极区域；
在所述源漏电极区域依次淀积22nm厚的钛金属、140nm厚的铝金属、55nm厚的镍金属以及45nm厚的金金属，以形成器件的源漏电极。
在本发明的一个实施例中，在所述源漏电极之间的栅极区域制备钙钛矿层，并在所述钙钛矿层上淀积TCO层，以形成复合栅结构，包括：
在样品表层沉积一层碘化铅；
在所述碘化铅上沉积碘化钾胺，并使所述碘化铅与所述碘化钾胺进行充分反应，生成有机无机杂化MAPbI3钙钛矿层；
刻蚀所述样品，以形成源、漏、栅极的隔离槽；
光刻所述样品表面以形成栅极区域；
在所述栅极区域淀积TCO层，以形成复合栅结构。
本发明的有益效果：
本发明通过将钙钛矿图形化后，与透明导电氧化物(TCO)组成复合栅结构，并将其用在氮化镓HEMT光电探测器上，以使钙钛矿材料优异的光电性能与HEMT器件的高迁移率、高开关比特性相结合，从而获得更好的光电响应，扩大了器件应用范围。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备方法流程图；
图3a～3l是本发明实施例提供的一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备过程示意图；
附图说明：
1-衬底，2-GaN缓冲层，21-二维电子气，3-AlGaN势垒层，4-源漏电极，5-复合栅结构，51-钙钛矿层，52-TCO层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，包括：衬底1、位于衬底1上的GaN缓冲层2、位于GaN缓冲层2上的AlGaN势垒层3、位于AlGaN势垒层3表面两侧的源漏电极4以及位于源漏电极4之间的复合栅结构5，其中，复合栅结构5包括位于AlGaN势垒层3上的钙钛矿层51以及位于钙钛矿层51上的TCO层52。
在本实施例中，衬底1的材料可以是蓝宝石、硅或者碳化硅，其厚度为400-500μm。
可选的，GaN缓冲层2的厚度为1-2μm；AlGaN势垒层3的厚度为20-30nm；源漏电极4的厚度可以为200nm。其中，AlGaN势垒层3的上层具有产生的二维电子气21。
进一步地，钙钛矿层51的厚度为200-1000nm，其可以是有机无机杂化钙钛矿，也可以是全无机钙钛矿。例如，在本实施例中，钙钛矿层51包括有机无机杂化钙钛矿MAPbI3，其是由碘化铅与碘化钾胺进行充分反应生成的。
更进一步地，TCO(透明导电氧化物)层52的厚度为100nm，其可以是氧化铟锡(ITO)、掺氟的氧化锌(FTO)、掺铝的氧化锌(AZO)等常见的导电玻璃。由钙钛矿与TCO构成的复合栅结构可外加一定的偏置电压。
本实施例将钙钛矿与透明导电氧化物(TCO)组成复合栅结构，并将其用在氮化镓HEMT光电探测器上，以使钙钛矿材料优异的光电性能与HEMT器件的高迁移率、开关比特性相结合，从而获得更好的光电响应，扩大器件应用范围。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种具有钙钛矿复合栅结构的GaNHEMT光电探测器的制备方法，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备方法流程图，包括：
S1：选取一定衬底，并依次在衬底上外延生长GaN缓冲层和AlGaN势垒层。
本实施例采用传统的HEMT制作工艺制作器件底层，例如金属有机物化学气相淀积工艺和原子层沉积工艺。
具体地，优选蓝宝石作为器件的衬底，并在衬底上外延GaN缓冲层，在GaN缓冲层上外延AlGaN势垒层，以形成AlGaN/GaN/蓝宝石衬底的器件底层。
S2：在AlGaN势垒层上制作源漏电极，包括：
S21：在AlGaN势垒层上光刻出源漏电极区域。
具体地，采用光刻与电子束蒸发工艺，将AlGaN/GaN/蓝宝石衬底基片AlGaN上的源漏区涂的光刻胶刻蚀掉，以露出源漏电极区域。
S22：在源漏电极区域依次淀积22nm厚的钛金属、140nm厚的铝金属、55nm厚的镍金属以及45nm厚的金金属，以形成器件的源漏电极。
具体地，在源漏电极区域依次淀积多层金属，形成GaN电子迁移率晶体管的源漏电极，然后在温度为875℃的氮气氛围下退火30s，使得源电极与AlGaN形成欧姆接触。
S3：在源漏电极之间的栅极区域制备钙钛矿层，并在钙钛矿层上淀积TCO层，以形成复合栅结构，从而完成器件的制备。具体包括：
S31：在样品表层沉积一层碘化铅。
S32：在碘化铅上沉积碘化钾胺，并使碘化铅与碘化钾胺进行充分反应，生成有机无机杂化MAPbI3钙钛矿层。
在本实施例中，碘化铅、碘化钾胺均采用旋涂工艺或蒸镀工艺形成。
S33：刻蚀样品，以形成源、漏、栅极的隔离槽。
具体地，首先，在进行刻蚀工艺之前，需要在在钙钛矿层上涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，以形成钙钛矿的保护层。
然后，采用旋涂工艺，在PMMA保护层上沉积一层SU-8光刻胶。
接着，采用光刻、氧离子刻蚀、离子束刻蚀工艺，在上一步所得的样品上刻蚀约200nm深的隔离槽，隔离源、漏、栅极。
最后，用氯苯溶液，洗去钙钛矿上的PMMA保护层与SU-8光刻胶层。
S34：光刻样品表面以形成栅极区域。
具体地，在步骤S33所得的样品表面旋涂一层PMMA，采用电子束光刻工艺，使用氯苯与正乙烷组成的混合溶液或氧离子刻蚀对PMMA进行显影，以暴露出栅极区域，便于后续的蒸镀。
S35：在栅极区域淀积TCO层，以形成复合栅结构。
具体地，在步骤S34所得的样品表面沉积透明导电氧化物(TCO)；然后再用氯苯溶液，洗去残留PMMA，得到复合栅结构。
至此，完成器件的制备。
实施例三
下面结合附图，对本发明提供的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备方法进行详细说明。请参见图3a～3l，图3a～3l是本发明实施例提供的一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备过程示意图，具体包括以下步骤：
步骤1：制备AlGaN/GaN/蓝宝石衬底基片。
具体地，采用金属有机物化学气相淀积和原子层沉积工艺，在蓝宝石衬底上外延GaN缓冲层；在GaN缓冲层上外延AlGaN势垒层；得到AlGaN/GaN/蓝宝石衬底基片，如图3a所示。
步骤2：采用传统的HEMT制作工艺制作器件的源、漏极。
具体地，采用光刻与电子束蒸发工艺，刻蚀掉AlGaN/GaN/蓝宝石衬底基片AlGaN上的源漏区涂的光刻胶；在此区域上依次淀积22nm厚的钛金属、140nm厚的铝金属、55nm厚的镍金属、45nm厚的金金属，形成GaN电子迁移率晶体管的源漏电极；在温度为875℃的氮气氛围下退火30s，使得源电极与AlGaN形成欧姆接触，如图3b所示。
步骤3：采用旋涂工艺或蒸镀工艺，在表层沉积一层碘化铅，如图3c所示。
步骤4：采用旋涂工艺或蒸镀工艺，在碘化铅上沉积碘化钾胺(MAI)；使碘化铅与MAI进行充分反应，生成有机无机杂化钙钛矿MAPbI3，如图3d所示。
步骤5：采用旋涂工艺，在钙钛矿层上涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，制作钙钛矿的保护层；并进一步在PMMA保护层上沉积一层SU-8光刻胶，如图3e所示。
步骤6：采用光刻工艺与离子束刻蚀，使得在步骤5得到的样品中SU-8光刻胶暴露部分全部去除，控制刻蚀时间，刻蚀到钙钛矿层之上，且使源漏两极不受刻蚀影响，如图3f所示。
步骤7：采用离子束刻蚀，刻蚀钙钛矿层，注意刻蚀时间，尽量使得源、漏极不受影响，以形成隔离槽，如图3g所示。
步骤8：使用氯苯溶解PMMA，同时去除SU-8层，以形成隔离槽，如图3h所示。
步骤9：在步骤8所得的器件基础上涂一层PMMA，如图3i所示。
步骤10：采用电子束光刻工艺，并使用氯苯与正乙烷组成的混合溶液或氧离子刻蚀对PMMA进行显影，以露出栅极区域，如图3j所示。
步骤11：进行透明导电氧化物(TCO)的蒸镀，其中，TCO可以是氧化铟锡(ITO)、掺氟的氧化锌(FTO)等透明导电材料,如图3k所示。
步骤12：使用氯苯溶解PMMA，去除多余的TCO电极，得到所需器件，如图3l所示。
至此，完成具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，其特征在于，包括衬底(1)、位于所述衬底(1)上的GaN缓冲层(2)、位于所述GaN缓冲层(2)上的AlGaN势垒层(3)、位于所述AlGaN势垒层(3)表面两侧的源漏电极(4)以及位于所述源漏电极(4)之间的复合栅结构(5)，其中，所述复合栅结构(5)包括位于所述AlGaN势垒层(3)上的钙钛矿层(51)以及位于所述钙钛矿层(51)上的TCO层(52)。
2.根据权利要求1所述的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，其特征在于，所述钙钛矿层(51)的厚度为200-1000nm。
3.根据权利要求1所述的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，其特征在于，所述钙钛矿层(51)为有机无机杂化钙钛矿或者全无机钙钛矿。
4.根据权利要求1所述的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，其特征在于，所述钙钛矿层(51)包括有机无机杂化钙钛矿MAPbI3。
5.根据权利要求1所述的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，其特征在于，所述TCO层(52)的厚度为100nm。
6.根据权利要求1所述的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，其特征在于，所述TCO层(52)的材料为ITO、FTO或者AZO。
7.根据权利要求1所述的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器，其特征在于，所述衬底(1)的材料为蓝宝石、硅或者碳化硅。
8.一种具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次外延生长GaN缓冲层和AlGaN势垒层；
在所述AlGaN势垒层上制作源漏电极；
在所述源漏电极之间的栅极区域制备钙钛矿层，并在所述钙钛矿层上淀积TCO层，以形成复合栅结构，从而完成器件的制备。
9.根据权利要求8所述的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备方法，其特征在于，在所述AlGaN势垒层上制作源漏电极，包括：
在所述AlGaN势垒层上光刻出源漏电极区域；
在所述源漏电极区域依次淀积22nm厚的钛金属、140nm厚的铝金属、55nm厚的镍金属以及45nm厚的金金属，以形成器件的源漏电极。
10.根据权利要求8所述的具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器的制备方法，其特征在于，在所述源漏电极之间的栅极区域制备钙钛矿层，并在所述钙钛矿层上淀积TCO层，以形成复合栅结构，包括：
在样品表层沉积一层碘化铅；
在所述碘化铅上沉积碘化钾胺，并使所述碘化铅与所述碘化钾胺进行充分反应，生成有机无机杂化MAPbI3钙钛矿层；
刻蚀所述样品，以形成源、漏、栅极的隔离槽；
光刻所述样品表面以形成栅极区域；
在所述栅极区域淀积TCO层，以形成复合栅结构。
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