CN113659029A - 一种氧化镓日盲紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层、氧化镓层、钝化层、铁电层和电极层，所述氧化镓层设置在所述衬底层的表面，所述钝化层设置在所述氧化镓层的表面，所述铁电层设置在所述钝化层的表面，所述铁电层覆盖部分所述钝化层，所述电极层覆盖于所述氧化镓层之上。本发明设计了一种新型氧化镓日盲紫外探测器，通过引入铁电层，利用铁电材料自发极化形成的局域场，调控铁电层覆盖下氧化镓层的能带结构，由此实现氧化镓层同质PN/NPN/PNP结的构建，提高探测器的光电增益和光生载流子的分离效率，从而获得低功耗、高可靠性、高灵敏度的日盲紫外光电探测器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种氧化镓日盲紫外探测器。
背景技术
日盲紫外探测器利用对应日盲区的特征紫外工作波段(200nm-280nm)，可以有效避免空间太阳背景辐射的影响，具有高灵敏度、保密性强、低背景干扰、虚警率低等特点，在军事预警、保密通讯以及环境监测等方面应用广泛。
氧化镓(Ga2O3)是一种新兴的超宽带隙半导体材料(Eg＝4.9eV)，其具有α，β，γ，δ，ε五种不同的结构，其中属于单斜相的β-Ga2O3最为稳定，其可以实现整个日盲区内带隙连续可调，且其高质量单晶衬底的制备工艺已相对完善，是目前国际上研发新一代日盲紫外光电探测器的重点前沿方向。在已报道的基于氧化镓材料的光电探测器中，金属-半导体-金属(MSM)结构的探测器是最简单的，但其光暗电流比，开关速度等性能参数也是相对较差的。经典的硅基PN/PIN型探测器由于其自身的整流特性，反向工作时一般具有较小的暗态电流，较大的光暗电流比，以及较快的开关速度，因此受到了广泛关注和研究。
目前，关于N型掺杂β-Ga2O3的研究已取得了显著进展，研究人员通过Si或者Sn的掺杂可以实现电子浓度从1016-1019cm-3甚至更高的范围内变化，但关于P型掺杂β-Ga2O3的研究却鲜有报道。现有技术中，为了构建PN型氧化镓日盲探测器，P型β-Ga2O3主要用其他半导体材料来代替，如SiC、GaN、Si及SnO2等。然而，这种异质结构存在一定的局限性，如晶格失配引起的缺陷和界面态，导带不匹配引起的载流子阻挡，以及异质材料引起的长波响应等。综上，氧化镓探测器研究的主要难点在于同质PN结的设计与制备，其成为了高性能日盲紫外探测器发展的重要瓶颈，严重制约着探测器光电性能进一步地优化与提升。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于优化和提升探测器光电性能，提出一种基于铁电局域场的新型氧化镓日盲紫外探测器。
为解决上述问题，本发明提供一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层、氧化镓层、钝化层、铁电层和电极层，所述氧化镓层设置在所述衬底层的表面，所述钝化层设置在所述氧化镓层的表面，所述铁电层设置在所述钝化层的表面，所述铁电层覆盖部分所述钝化层，所述电极层与所述氧化镓层接触。
相对于现有技术，本发明设计了一种新型氧化镓日盲紫外探测器，通过引入铁电层，利用铁电材料的强局域场，调控铁电层覆盖下氧化镓层的能带结构，由此实现氧化镓层同质PN/NPN/PNP结的构建，显著提高探测器的光电增益和光生载流子的分离效率，从而获得低功耗、高可靠性、高灵敏度的日盲紫外光电探测器。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层覆盖于所述钝化层的一个连续区域，所述电极层包括设置在所述钝化层两侧的电极，所述铁电层与所述一侧电极接触。由此铁电层由一连续的铁电薄膜构成，其在钝化层上覆盖一连续区域，铁电层的铁电薄膜未覆盖的区域为探测器的吸光区域，通过在铁电薄膜上施加电场可以改变铁电薄膜的极化方向，进而调控铁电层覆盖下的氧化镓层的能带结构，铁电层与一侧电极接触，实现同质PN结的构建。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层于所述钝化层的一个连续区域，所述电极层包括设置在所述钝化层两侧的电极，所述铁电层与两侧所述电极均不接触。由此铁电层由一连续的铁电薄膜构成，其在钝化层上覆盖一连续区域，铁电层的铁电薄膜未覆盖的区域为探测器的吸光区域，通过在铁电薄膜上施加电场可以改变铁电薄膜的极化方向，进而调控铁电薄膜覆盖下的氧化镓层的能带结构，铁电层与两侧电极均不接触，实现同质NPN/PNP结的构建。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层覆盖于所述钝化层的多个非连续区域。由此铁电层由非连续的铁电薄膜构成，其在钝化层上覆盖多个不连续的区域，铁电层的铁电薄膜未覆盖的区域为探测器的吸光区域，通过在铁电薄膜上施加电场可以改变铁电薄膜的极化方向，进而调控铁电薄膜覆盖下的氧化镓层的能带结构，实现同质NPN/PNP结的构建。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层覆盖1/3-2/3的所述钝化层。由此保证探测器的光吸收量，提高探测器的响应度。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层的材料选自Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料或聚偏氟乙烯基聚化物等中的一种。由此选择铁电性能优异的材料，其极化强度高，有利于调节氧化镓层的能带结构。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层的厚度介于20nm-300nm。由此保证铁电薄膜具有较佳的铁电性能。
在优选或可选的实施方式中，所述钝化层的材料选自Si3N4、SiO2、Al2O3、HfO2中的一种。由此钝化层选择具有高的禁带宽度的材料，保证日盲波段的紫外线不被钝化层吸收。
在优选或可选的实施方式中，所述钝化层的厚度介于5nm-100nm。由此保证日盲波段的紫外线能有效透过钝化层，且钝化层粗糙度较小。
在优选或可选的实施方式中，所述氧化镓层的材料选自非晶氧化镓、多晶氧化镓、单晶氧化镓中的一种。
在优选或可选的实施方式中，所述衬底层的材料选自单晶Ga2O3、蓝宝石Al2O3、GaN、AlN、石英、单晶硅中的一种。
在优选或可选的实施方式中，所述电极的材料选自Ti、Al、Ni、Au、Mo、Pt中的一种或多种。
综上，相对与现有技术，本发明氧化镓日盲紫外探测器具有以下有益效果：探测器中通过引入铁电层，利用铁电材料的强局域场，调控薄膜的能带结构，构建基于氧化镓薄膜的同质PN或NPN结，实现光子捕获与载流子输运效率的同时提升，从而得到了低功耗、高可靠性、高灵敏度的日盲紫外光电探测器；氧化镓层表面引入一定厚度的界面钝化层，降低氧化镓薄膜的界面缺陷，减少光生载流子复合，提升载流子的输运效率，钝化层起到界面缓冲作用，有效地提高氧化镓层的光电响应，为高性能氧化镓探测器的实现提供了保障；钝化层的引入对氧化镓层起到保护作用，避免后续铁电薄膜制备过程中对氧化镓层产生损伤。
附图说明
图1为本发明实施例1氧化镓日盲紫外探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例2氧化镓日盲紫外探测器的结构示意图；
图3为本发明实施例3氧化镓日盲紫外探测器的结构示意图。
附图中本公开实施例主要元件符号说明：
1-衬底层，2-氧化镓层，3-钝化层，4-铁电层，5-电极层第一电极，6-电极层第二电极。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的实施例公开一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层、氧化镓层、钝化层、铁电层和电极层，氧化镓层设置在衬底层的表面，钝化层设置在氧化镓层的表面，铁电层设置在钝化层的表面，铁电层覆盖部分钝化层，电极层与氧化镓层接触，电极层包括设置在钝化层两侧的电极。通过引入铁电层，利用铁电材料自发极化形成的局域场，调控铁电层覆盖下氧化镓层的能带结构，由此就可以构建氧化镓层同质PN/NPN/PNP结，相对于现有技术中的异质结构，同质结构能提高探测器光生载流子的分离效率，提高光电增益，从而获得低功耗、高可靠性、高灵敏度的日盲紫外光电探测器。
本发明的实施例中，衬底层的材料可以选择单晶Ga2O3，蓝宝石Al2O3，GaN，AlN、石英、单晶硅等，选择适于氧化镓薄膜生长的衬底材料。氧化镓层的材料可以选择非晶氧化镓、多晶氧化镓或单晶氧化镓。钝化层的材料可以选择Si3N4，SiO2，Al2O3或HfO2等，这些材料具有较高的禁带宽度，保证日盲波段的紫外线能透过钝化层照射到氧化镓层。铁电层用于调控氧化镓层的能带结构，构建同质PN或NPN结，因此需要选择铁电性能优异、极化强度高的材料，铁电层的材料可以选择Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料或聚偏氟乙烯(PVDF)基聚化物等。电极的材料可以选择Ti、Al、Ni、Au、Mo、Pt等金属中的一种或多种组合。
本发明的实施例中，对于铁电层的空间分布进行限定，铁电层由连续的铁电薄膜或非连续的铁电薄膜构成，可以分布于钝化层的一个连续区域或多个非连续区域之上，铁电薄膜与电极之间接触或不接触，由此实现PN/NPN/PNP结的构建。为了增加光吸收量，提高探测器的响应度，铁电层不宜覆盖过多的钝化层，优选覆盖比例为1/3-2/3。另外铁电层的厚度会影响铁电材料的铁电性能，如果太薄小于20nm，铁电性能会受到抑制甚至消失，太厚超过300nm将导致铁电薄膜表面粗糙度增加，进而导致铁电薄膜漏电增加，铁电性能下降，因此为了维持较好的铁电性能，限制铁电层的厚度介于20nm-300nm，优选100nm-200nm，此范围内铁电薄膜的铁电性能更佳。
本发明的实施例中，氧化镓层表面引入一定厚度的界面钝化层，降低氧化镓薄膜的界面缺陷，减少光生载流子复合，提升载流子的输运效率；钝化层起到界面缓冲作用，有效地提高氧化镓层的光电响应，为高性能氧化镓探测器的实现提供了保障。另外钝化层的引入对氧化镓层起到保护作用，避免后续铁电薄膜制备过程中对氧化镓层产生损伤。由于材料生长过程中不可避免的缺陷问题，钝化层会吸收日盲波段的紫外线，因此钝化层不可太厚。另外由于要在钝化层之上生长铁电层，因此要保证钝化层表面的粗糙度尽可能小，薄膜厚度一般同粗糙度成正相关，基于此方面的考虑薄膜也不宜太厚，综上因素限定钝化层的厚度介于5nm-100nm，优选5nm-20nm。
以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
结合图1所示，本实施例为一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层1、氧化镓层2、钝化层3、铁电层4、电极层第一电极5和电极层第二电极6。
衬底层1材料为单晶Ga2O3；氧化镓层2设置在衬底层1的表面，氧化镓层2材料为单晶氧化镓；钝化层3设置在氧化镓层2的表面，钝化层3材料为Si3N4，钝化层3的厚度为5nm；铁电层4设置在钝化层3的表面，铁电层4材料为Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料，铁电层4的厚度为20nm；电极层第一电极5和电极层第二电极6设置在钝化层3两侧，并与氧化镓层2接触，电极层第一电极5材料为Ti/Au，电极层第二电极6材料为Ti/Au。
铁电层4由单个连续铁电薄膜构成，其分布于钝化层3的一侧，与电极层第一电极5接触。通过在铁电层4上施加电场改变铁电薄膜的极化方向，进而调控铁电层4覆盖下的氧化镓薄膜的能带结构，实现同质PN结的构建。铁电层4覆盖1/3的钝化层3，铁电层4未覆盖的另一侧区域为探测器的吸光区域。
实施例2
结合图2所示，本实施例为一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层1、氧化镓层2、钝化层3、铁电层4、电极层第一电极5和电极层第二电极6。
衬底层1材料为蓝宝石Al2O3；氧化镓层2设置在衬底层1的表面，氧化镓层2材料为单晶氧化镓；钝化层3设置在氧化镓层2的表面，钝化层3材料为SiO2，钝化层3的厚度为20nm；铁电层4设置在钝化层3的表面，铁电层4材料为BaTiO3基铁电材料，铁电层4的厚度为100nm；电极层第一电极5和电极层第二电极6设置在钝化层3两侧，并与氧化镓层2接触，电极层第一电极5材料为Ni/Au，电极层第二电极6材料为Ni/Au。
铁电层4区域由单个连续的铁电薄膜构成，其分布于钝化层3中部，与电极层第一电极5、电极层第二电极6均不接触。通过在铁电层4上施加电场改变铁电层4的极化方向，进而调控铁电层4覆盖下的氧化镓薄膜的能带结构，实现同质NPN/PNP结的构建。铁电层4覆盖1/2的钝化层3，铁电层4未覆盖的区域为探测器的吸光区域。
实施例3
结合图3所示，本实施例为一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层1、氧化镓层2、钝化层3、铁电层4、电极层第一电极5和电极层第二电极6。
衬底层1材料为GaN；氧化镓层2设置在衬底层1的表面，氧化镓层2材料为单晶氧化镓；钝化层3设置在氧化镓层2的表面，钝化层3材料为Al2O3，钝化层3的厚度为100nm；铁电层4设置在钝化层3的表面，铁电层4材料为BiFeO3基铁电材料，铁电层4的厚度为300nm；电极层第一电极5和电极层第二电极6设置在钝化层3两侧，并与氧化镓层2接触，电极层第一电极5材料为Au，电极层第二电极6材料为Au。
铁电层4由非连续的铁电薄膜构成，其分布于钝化层3的中部，覆盖两个独立的区域，铁电层4包含的铁电薄膜与电极层第一电极5、电极层第二电极6均不接触。通过在铁电层4上施加电场改变铁电层4的极化方向，进而调控铁电层4覆盖下的氧化镓薄膜的能带结构，实现同质NPN/PNP结的构建。铁电层4覆盖2/3的钝化层3，铁电层4未覆盖的区域为探测器的吸光区域。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于，衬底层1材料为AlN；钝化层3材料为HfO2，钝化层3的厚度为10nm；铁电层4材料为(Bi,Na)TiO3基铁电材料，铁电层4的厚度为50nm，铁电层4覆盖1/2的钝化层3；电极层第一电极5材料为Mo/Al/Mo，电极层第二电极6材料为Mo/Al/Mo。
实施例5
本实施例与实施例2不同之处在于，衬底层1材料为石英；氧化镓层为非晶或多晶氧化镓，钝化层3材料为Si3N4，钝化层3的厚度为30nm；铁电层4材料为聚偏氟乙烯(PVDF)基聚化物，铁电层4的厚度为200nm，铁电层4覆盖2/5的钝化层3；电极层第一电极5材料为Ti/Al/Ti，电极层第二电极6材料为Ti/Al/Ti。
实施例6
本实施例与实施例3不同之处在于，衬底层1材料为单晶硅；氧化镓层为非晶或多晶氧化镓，钝化层3材料为SiO2，钝化层3的厚度为50nm；铁电层4材料为Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料，铁电层4的厚度为150nm，铁电层4包括三个独立的铁电薄膜覆盖区域，铁电层4覆盖1/3的钝化层3；电极层第一电极5材料为Ti/Al/Ni/Au，电极层第二电极6材料为Ti/Al/Ni/Au。
实施例7
本实施例与实施例4不同之处在于，衬底层1材料为单晶Ga2O3；钝化层3材料为Al2O3，钝化层3的厚度为15nm；铁电层4材料为BiFeO3基铁电材料，铁电层4的厚度为30nm，铁电层4覆盖1/3的钝化层3；电极层第一电极5材料为Ni/Au，电极层第二电极6材料为Ti/Au。
实施例8
本实施例与实施例5不同之处在于，衬底层1材料为GaN；钝化层3材料为SiO2，钝化层3的厚度为60nm；铁电层4材料为BaTiO3基铁电材料，铁电层4的厚度为120nm，铁电层4覆盖2/3的钝化层3；电极层第一电极5材料为Ti/Al/Ti，电极层第二电极6材料为Mo/Al/Mo。
实施例9
本实施例与实施例6不同之处在于，衬底层1材料为石英；钝化层3材料为HfO2，钝化层3的厚度为8nm；铁电层4材料为(Bi,Na)TiO3基铁电材料，铁电层4的厚度为80nm，铁电层4包括四个独立的铁电薄膜覆盖区域，铁电层4覆盖3/5的钝化层3；电极层第一电极5材料为Pt，电极层第二电极6材料为Ti/Au。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，包括衬底层、氧化镓层、钝化层、铁电层和电极层，所述氧化镓层设置在所述衬底层的表面，所述钝化层设置在所述氧化镓层的表面，所述铁电层设置在所述钝化层的表面，所述铁电层覆盖部分所述钝化层，所述电极层与所述氧化镓层接触。
2.根据权利要求1所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述铁电层覆盖于所述钝化层的一个连续区域，所述电极层包括设置在所述钝化层两侧的电极，所述铁电层与一侧所述电极接触。
3.根据权利要求1所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述铁电层覆盖于所述钝化层的一个连续区域，所述电极层包括设置在所述钝化层两侧的电极，所述铁电层与两侧所述电极均不接触。
4.根据权利要求1所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述铁电层覆盖于所述钝化层的多个非连续区域。
5.根据权利要求1-4任一所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述铁电层覆盖1/3-2/3的所述钝化层。
6.根据权利要求1-4任一所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述铁电层的材料选自Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料或聚偏氟乙烯基聚化物中的一种。
7.根据权利要求6所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述铁电层的厚度介于20nm-300nm。
8.根据权利要求1-4任一所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述钝化层的材料选自Si3N4、SiO2、Al2O3、HfO2中的一种。
9.根据权利要求8所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述钝化层的厚度介于5nm-100nm。
10.根据权利要求1-4任一所述的氧化镓日盲紫外探测器，其特征在于，所述氧化镓层的材料选自非晶氧化镓、多晶氧化镓、单晶氧化镓中的一种，所述衬底层的材料选自单晶Ga2O3、蓝宝石Al2O3、GaN、AlN、石英、单晶硅中的一种，所述电极的材料选自Ti、Al、Ni、Au、Mo、Pt中的一种或多种。
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