CN113517366B - 一种新型异质结光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型异质结光电探测器及其制备方法，由碳化硅、单层石墨烯、氧化镓和电极组成，所述单层石墨烯设置于所述碳化硅与所述氧化镓之间，所述电极为两个，两个所述电极均与所述单层石墨烯接触连接。与现有技术相比，本发明采用异质结型结构，具有高响应速度，高迁移率，高光暗电流比。本发明在该区域内设置了一层高迁移率的石墨烯，使得二维电子气层与石墨烯层重合，从而达到更高的电子迁移率。以此结构制备的光电探测器会拥有高迁移率，高响应速度，以及高光暗电流比，具有推广应用的价值。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种新型异质结光电探测器及其制备方法。
背景技术
日盲紫外探测器是指主要对日盲区紫外线敏感的探测器。当太阳辐射照射到地球上时，其波长在280nm以下的紫外线部分会被臭氧层吸收而不会到达地球表面，这一波长区域称为日盲区。设计日盲光电探测器，可以在复杂的红外线，可见光背景干扰下精确探测日盲区紫外线，该技术广泛应用于国防应用，紫外天文学，紫外光通信技术等领域。
目前市场上应用比较广泛的是以硅基电感耦合器件和微通道板器件为主的日盲光电探测器，但是其中硅基电感耦合器件本身不是日盲响应的，使用时需要配备滤光片。而微通道板器件则运行在极高的偏压下，复杂性与重量大大增加。氧化镓作为第三代半导体材料，具有易制备，透光性好，日盲区响应高等特点，是非常合适的日盲紫外探测器制备材料。目前国内外已经对氧化镓基日盲光电探测器进行了大量研究。
目前国内外对于氧化镓基日盲光电探测器已经进行了大量的研究，并进行了一系列的器件制备。日盲光电探测器主要有PN结型光电探测器，MSM型光电探测器，肖特基结型光电探测器等。工作原理与本专利最接近的为MSM型光电探测器。
在《金属氧化物半导体光电探测器新结构研究》一文中，作者制备了β-Ga2O3/Sn:β-Ga2O3/β-Ga2O3三明治结构光电探测器，该探测器具有优异的光电响应特性，具有较高的光电流，响应度和探测率，相比以往器件性能有所提高。
现有技术的缺点：
在《金属氧化物半导体光电探测器新结构研究》中，中间层的Sn:β-Ga2O3虽然提升了器件的光电流和光响应度，但是掺杂Sn引起掺杂氧化镓薄膜层的晶格常数等晶体结构发生变化，导致薄膜质量变差，器件的响应时间特性变得很差。此外掺杂Sn使得其与c面蓝宝石衬底的晶格失配度更大，需要在衬底与Sn:β-Ga2O3层中间添加一层本征氧化镓层来实现位错过滤和应力释放以解决晶格失配的问题，这使制备工艺变得更为复杂。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种新型异质结光电探测器及其制备方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明一种新型异质结光电探测器，由碳化硅、单层石墨烯、氧化镓和电极组成，所述单层石墨烯设置于所述碳化硅与所述氧化镓之间，所述电极为两个，两个所述电极均与所述单层石墨烯接触连接。
作为改进，其中一个电极与所述氧化镓接触连接，另一个电极与所述单层石墨烯接触连接。
作为改进，其中一个电极与所述单层石墨烯接触连接，另一个电极与所述碳化硅接触连接。
本发明一种新型异质结光电探测器制备方法，包括以下步骤：
S1：制备β-Ga2O3/外延生长石墨烯/高纯SiC三层式结构：
S1.1：清洗：选取高纯的4H-SiC晶体作为器件衬底，对衬底进行标准RCA清洗，以去除表面污染物；
S1.2：氢刻蚀：将流量为40L/min的氢气通入反应系统中，在1600℃，100mbar压强下持续反应20s；在氢刻蚀反应阶段结束以后将系统温度降低至1000℃，在流量为20L/min的H2氛围中持续反应6min，从而去除Si化合物；在去除Si化合物反应阶段结束以后将系统温度降低至850℃，并通入流量为6mL/min的SiH4硅烷气流和流量为20L/min的H2，该步骤可以获得缺陷极少的碳化硅表面，便于下一步外延生长石墨烯；
S1.3：外延生长石墨烯：停止通入SiH4硅烷气流和H2，将反应腔抽真空，通入2L/min的Ar气体，维持腔内5mbar的压强，升温至1650℃，热解时间为30min，获得单层外延石墨烯；
S1.4：PLD法沉积氧化镓薄膜：通过激光脉冲沉积法，在石墨烯层上面生长氧化镓；将反应腔抽真空，上一步制备的碳化硅外延生长石墨烯结构放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温。激光能量为240mJ/cm-2,脉冲频率为3Hz，靶材为氧化镓陶瓷靶，生长120nm厚度的氧化镓薄膜。完成三层异质结构制备；
S2：制备欧姆接触：
S2.1：光刻设置欧姆接触窗口图形；通过光刻向氧化镓层上转移欧姆接触窗口图案，两个欧姆接触窗口，大小均为300μm*300μm；
S2.2：刻蚀氧化镓层：将样品放入反应炉后，抽真空并充入反应气体，反应气体比例BCl3/Ar为35/5,气体总通量为40Sccm。反应腔内压力为5mTorr；通过ICP/RIE联合蚀刻，功率比为900W/90W，对欧姆接触窗口内的氧化镓层进行刻蚀。刻蚀时间为45s；
S2.3：热退火：对器件进行450℃热退火。退火过程中以Ar气体保护；退火时间30min；
S2.4：制备欧姆接触：通过磁控溅射法，在上述欧姆接触孔内淀积一层100nm厚的Au作为欧姆接触电极，电极大小100um×100um；在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种新型异质结光电探测器及其制备方法，与现有技术相比，本发明采用异质结型结构，具有高响应速度，高迁移率，高光暗电流比。
1：采用氧化镓作为日盲光电探测器材料。氧化镓对于波长高于日盲区辐射的光照不敏感，但当日盲区辐射波长照射到氧化镓层时，会产生大量光生载流子，光生载流子会在电场作用下向电极移动形成电流，从而达到探测目的。2；采用异质结结构，在两种材料界面处会存在一层二维电子气，该区域内电子迁移率极大。本发明在该区域内设置了一层高迁移率的石墨烯，使得二维电子气层与石墨烯层重合，从而达到更高的电子迁移率。以此结构制备的光电探测器会拥有高迁移率，高响应速度，以及高光暗电流比。
附图说明
图1是本发明的β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构一；
图2是本发明的β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构二；
图3是本发明的β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构三。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明对“β-Ga2O3-石墨烯-碳化硅”异质结构日盲光电探测器进行了实现，并给出了制备方法。
在半导体异质结构中，在两种半导体材料的接触界面会形成一层极薄的二维电子气区域。在该区域内，电子在与界面垂直方向上有量子化的能级，同时也可以向其它两个方向自由移动，且在其它两个方向的电子迁移率远远大于同质结中的电子迁移率。本方案中在氧化镓-碳化硅结构中间，还加入了一层单层石墨烯。当二维电子气界面与本身电子迁移率就很高的石墨烯层重合时，该层的电子迁移率将会达到一个新高度。利用该结构制备的日盲紫外光电探测器，具有高瞬态响应速度，高光暗电流比，高电子迁移率等优势。
本发明制备了多种不同的器件原材料结构，包括：
β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(高纯)
β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)
β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(掺钒)
β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(掺钒)
以上四种材料结构，根据欧姆接触电极制备区域不同，每种有三种探测器结构。
如图1所示：本发明一种新型异质结光电探测器，由碳化硅1、单层石墨烯2、氧化镓3和电极4组成，所述单层石墨烯2设置于所述碳化硅1与所述氧化镓3之间，所述电极4为两个，两个所述电极4均与所述单层石墨烯2接触连接。
如图2所示：其中一个电极4与所述氧化镓3接触连接，另一个电极4与所述单层石墨烯2接触连接。
如图3所示：其中一个电极4与所述单层石墨烯2接触连接，另一个电极4与所述碳化硅1接触连接。
选取最佳结构提供实施例，制备过程中同种工艺步骤在本专利中通用。
根据SiC衬底晶向的差异，优选SiC-Si面进行欧姆接触制备；
设置欧姆接触电极大小为100um×100um，电极材料为Au。
实施例一：
以β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(高纯)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构一器件：
(1)制备β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(高纯)三层式结构
(1.1)清洗：选取高纯的4H-SiC晶体作为器件衬底，对衬底进行标准RCA清洗，以去除表面污染物。
(1.2)氢刻蚀：将流量为40L/min的氢气通入反应系统中，在1600℃，100mbar压强下持续反应20s；在氢刻蚀反应阶段结束以后将系统温度降低至1000℃，在流量为20L/min的H2氛围中持续反应6min，从而去除Si化合物。在去除Si化合物反应阶段结束以后将系统温度降低至850℃，并通入流量为6mL/min的SiH4硅烷气流和流量为20L/min的H2，该步骤可以获得缺陷极少的碳化硅表面，便于下一步外延生长石墨烯。
(1.3)外延生长石墨烯：停止通入SiH4硅烷气流和H2，将反应腔抽真空，通入2L/min的Ar气体，维持腔内5mbar的压强，升温至1650℃，热解时间为30min，获得单层外延石墨烯。
(1.4)PLD法沉积氧化镓薄膜：通过激光脉冲沉积法，在石墨烯层上面生长氧化镓。将反应腔抽真空，上一步制备的碳化硅外延生长石墨烯结构放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温。激光能量为240mJ/cm-2,脉冲频率为3Hz,靶材为氧化镓陶瓷靶，生长120nm厚度的氧化镓薄膜。完成三层异质结构制备。
(2)制备欧姆接触
(2.1)光刻设置欧姆接触窗口图形；通过光刻向氧化镓层上转移欧姆接触窗口图案。两个欧姆接触窗口，大小均为300μm*300μm，
(2.2)刻蚀氧化镓层：将样品放入反应炉后，抽真空并充入反应气体，反应气体比例BCl3/Ar为35/5,气体总通量为40Sccm。反应腔内压力为5mTorr。通过ICP/RIE联合蚀刻，功率比为900W/90W，对欧姆接触窗口内的氧化镓层进行刻蚀。刻蚀时间为45s。
(2.3)热退火：对器件进行450℃热退火。退火过程中以Ar气体保护。退火时间30min。
(2.4)制备欧姆接触：通过磁控溅射法，在上述欧姆接触孔内淀积一层100nm厚的Au作为欧姆接触电极。电极大小100um×100um。在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。至此该实施例制备完成。
实施例二：
以β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(掺钒)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构一器件
与实施例一步骤相同，区别在于，衬底采用的是掺杂钒的碳化硅。钒离子注入剂量为1.4×10e13/cm3。
实施例三：
以β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(高纯)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构二器件
(1)通过实施例一中(1.1)～(1.4)步骤制备制备β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(高纯)三层式结构
(2)制备欧姆接触
(2.1)光刻设置欧姆接触窗口图形；通过光刻向氧化镓层上转移欧姆接触窗口图案。一个欧姆接触窗口，大小为300μm*300μm
(2.2)刻蚀氧化镓层：将样品放入反应炉后，抽真空并充入反应气体，反应气体比例BCl3/Ar为35/5,气体总通量为40Sccm。反应腔内压力为5mTorr。通过ICP/RIE联合蚀刻，功率比为900W/90W，对欧姆接触窗口内的氧化镓层进行刻蚀。刻蚀时间为45s。
(2.3)热退火：对器件进行450℃热退火。退火过程中以Ar气体保护。退火时间30min。
(2.4)制备欧姆接触：通过磁控溅射法，在上述欧姆接触孔内淀积一层100nm厚的Au作为欧姆接触电极。电极大小100um×100um。此外在氧化镓层表面实施例一对应位置淀积一个100nm厚Au电极，大小100um×100um。在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。至此该实施例制备完成。
实施例四：
以β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(掺钒)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构二器件
与实施例三步骤相同，区别在于，衬底采用的是掺杂钒的碳化硅。钒离子注入剂量为1.4×10e13/cm3。
实施例五：
以β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(高纯)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构三器件
(1)通过实施例一中(1.1)～(1.4)步骤制备制备β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(高纯)三层式结构
(2)制备欧姆接触
(2.1)光刻设置欧姆接触窗口图形；通过光刻向氧化镓层上转移欧姆接触窗口图案。两个欧姆接触窗口，大小为300μm*300μm
(2.2)刻蚀氧化镓层：将样品放入反应炉后，抽真空并充入反应气体，反应气体比例BCl3/Ar为35/5,气体总通量为40Sccm。反应腔内压力为5mTorr。通过ICP/RIE联合蚀刻，功率比为900W/90W，对欧姆接触窗口内的氧化镓层进行刻蚀。刻蚀时间为45s。
(2.3)热退火：对器件进行450℃热退火。退火过程中以Ar气体保护。退火时间30min。
(2.4)刻蚀石墨烯层；利用掩膜保护左边的欧姆接触窗口，同时使右边的欧姆接触窗口内的石墨烯暴露出来进行RIE离子蚀刻。,氧流量为10sccm,腔压313mTorr,射频功率为70W,刻蚀时间为17s。
(2.5)制备欧姆接触：通过磁控溅射法在上述两个欧姆接触孔内淀积一层100nm厚的Au作为欧姆接触电极。电极大小100um×100um。在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。至此该实施例制备完成。
实施例六：
以β-Ga2O3/外延生长石墨烯/SiC(掺钒)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构三器件
与实施例五相同，区别在于衬底采用的是掺杂钒的碳化硅。钒离子注入剂量为1.4×10e13/cm3。
实施例七：
以β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构一器件
(1)制备β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)三层式结构
(1.1)清洗：选取高纯的4H-SiC晶体作为器件衬底，对衬底进行标准RCA清洗，以去除表面污染物。
(1.2)CVD法生长石墨烯：选用高纯度铜箔，厚度为25um，并进行标准RCA清洗；将铜箔置于反应室内，通入1000sccm氩气作为保护气，并以200℃/min升温至1000℃；关闭氩气，通入1000sccm氢气，维持5min，后逐渐地将气体改为960sccm氩气，40sccm氢气；通入10sccm甲烷气体，保持10min后，关闭甲烷气源，以200℃/min降温至300℃，温度自然降温至150℃时，关闭所有气源，抽真空至0.1mbar
(1.3)转移石墨烯：将铜箔不带有石墨烯的一面粘贴在热释放胶带上，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液(即PMMA，溶剂为乳酸乙酯，960k，4wt％)，设定匀胶转速为3000转，旋涂1min，设置热板温度160℃，烘干样品，保持10min,此时铜箔与热释放胶带分离；将铜箔置于0.5mol/L氯化铁溶液中，由于水的张力作用，铜箔漂浮在溶液表面，腐蚀4小时，去除Cu箔，腐蚀完毕后，PMMA/石墨烯漂浮在溶液上方。
(1.4)使用经过标准清洗后的SiC衬底将石墨烯薄膜捞出，用镊子将衬底倾斜一定角度，置于石墨烯正下方，将衬底轻轻抬起。并置于H2O：H202：HCI＝20:1:1溶液中30min，以去除离子和重金属原子；后置于H2O：H202：NH4OH＝5:1:1溶液中30min，以去除难溶有机污染物。反复置于去离子水中清洗后使用氮气枪吹干石墨烯薄膜与衬底之间的水分，或用滤纸轻轻接触石墨烯边缘，将薄膜下的水分吸干；
(1.5)将转移后的PMMA/石墨烯/衬底放置在通风处晾干，石墨烯薄膜完全贴在目标衬底上后，热板烘烤，温度150～200℃，烘烤时间约10min(烘烤可以除水，同时使PMMA膜软化，具有柔性，使石墨烯与基片空隙减少，贴合得更好)
(1.6)使用热丙酮去除PMMA，并用乙醇溶液清洗2遍以上，去离子水反复清洗。低真空退火，在氢气和氩气的混合气氛下，200℃-400℃退3h。实现PMMA去除。
(1.7)PLD法沉积氧化镓薄膜：通过激光脉冲沉积法，在石墨烯层上面生长氧化镓。将反应腔抽真空，上一步制备的碳化硅外延生长石墨烯结构放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温。激光能量为240mJ/cm-2,脉冲频率为3Hz,靶材为氧化镓陶瓷靶，生长120nm厚度的氧化镓薄膜。完成β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)三层异质结构制备。
(2)制备欧姆接触
重复实施例一中(2.1)～(2.4)步骤，完成欧姆接触制备。
实施例八：
以β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(掺钒)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构一器件
与实施例七步骤相同，区别在于衬底采用的是掺杂钒的碳化硅。钒离子注入剂量为1.4×10e13/cm3。
实施例九：
以β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构二器件
(1)制备β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)三层式结构
重复实施例七中的(1.1)～(1.7)步骤，制备β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)三层结构
(2)制备欧姆接触
重复实施例三中的(2.1)～(2.4)步骤，制备探测器结构二对应位置欧姆接触
实施例十
以β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(掺钒)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构二器件
与实施例九步骤相同，区别在于衬底采用的是掺杂钒的碳化硅。钒离子注入剂量为1.4×10e13/cm3。
实施例十一
以β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构三器件
(1)制备β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)三层式结构
重复实施例七中的(1.1)～(1.7)步骤，制备β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(高纯)三层结构
(2)制备欧姆接触
重复实施例五中的(2.1)～(2.5)步骤，制备探测器结构三对应位置欧姆接触
实施例十二
以β-Ga2O3/单层转移石墨烯/SiC(掺钒)材料制备β-Ga2O3/石墨烯/SiC探测器结构三器件
与实施例十一步骤相同，区别在于衬底采用的是掺杂钒的碳化硅。钒离子注入剂量为1.4×10e13/cm3。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种异质结光电探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备β-Ga2O3/外延生长石墨烯/高纯SiC三层式结构：
S1.1：清洗：选取高纯的4H-SiC晶体作为器件衬底，对衬底进行标准RCA清洗，以去除表面污染物；
S1.2：氢刻蚀：将流量为 40 L/min 的氢气通入反应系统中，在1600 ℃，100 mbar压强下持续反应20s；在氢刻蚀反应阶段结束以后将系统温度降低至 1000 ℃，在流量为 20 L/min 的 H2 氛围中持续反应 6 min，从而去除 Si化合物；在去除 Si 化合物反应阶段结束以后将系统温度降低至 850 ℃，并通入流量为 6 mL/min 的 SiH4 硅烷气流和流量为 20L/min 的 H2，该步骤可以获得缺陷极少的碳化硅表面，便于下一步外延生长石墨烯；
S1.3：外延生长石墨烯：停止通入SiH4 硅烷气流和H2，将反应腔抽真空，通入2L/min的Ar气体，维持腔内5mbar的压强，升温至1650℃，热解时间为30min，获得单层外延石墨烯；
S1.4：PLD法沉积氧化镓薄膜：通过激光脉冲沉积法，在石墨烯层上面生长氧化镓；将反应腔抽真空，上一步制备的碳化硅外延生长石墨烯结构放入反应腔，加热系统将衬底加热到100℃恒温；激光能量为240mJ/cm-2,脉冲频率为3Hz，靶材为氧化镓陶瓷靶，生长120nm厚度的氧化镓薄膜；完成三层异质结构制备；
S2：制备欧姆接触：
S2.1：光刻设置欧姆接触窗口图形；通过光刻向氧化镓层上转移欧姆接触窗口图案，两个欧姆接触窗口，大小均为300μm*300μm；
S2.2：刻蚀氧化镓层：将样品放入反应炉后，抽真空并充入反应气体，反应气体比例BCl3/Ar为35/5,气体总通量为40 Sccm；反应腔内压力为5mTorr；通过ICP/RIE联合蚀刻，功率比为900W/90W，对欧姆接触窗口内的氧化镓层进行刻蚀；刻蚀时间为45s；
S2.3：热退火：对器件进行450℃热退火；退火过程中以Ar气体保护；退火时间30min；
S2.4：制备欧姆接触：通过磁控溅射法，在上述欧姆接触孔内淀积一层100nm厚的Au 作为欧姆接触电极，电极大小100um×100um；在500℃氮气气氛下RTA处理三分钟，完成欧姆接触的制备。
2.一种如权利要求1所述制备方法制备的异质结光电探测器，其特征在于：由碳化硅、单层石墨烯、氧化镓和电极组成，所述单层石墨烯设置于所述碳化硅与所述氧化镓之间，所述电极为两个，两个所述电极均与所述单层石墨烯接触连接。
3.根据权利要求2所述的异质结光电探测器，其特征在于：其中一个电极与所述氧化镓接触连接，另一个电极与所述单层石墨烯接触连接。
4.根据权利要求2所述的异质结光电探测器，其特征在于：其中一个电极与所述单层石墨烯接触连接，另一个电极与所述碳化硅接触连接。
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