CN114122171B - 氧化镓基日盲紫外光强度探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化镓基日盲紫外光强度探测器及其制备方法，所述探测器包括金属层a，金属层a上依次设有输运层、电荷传导层和SiO2层，电荷传导层中间设有端部为插指状的凸起，该凸起穿过SiO2层中间，SiO2层顶部设有横截面为回字形的金属层b，金属层b中间填充有光生电子积累区，电荷传导层的凸起插入光生电子积累区内；本发明的探测效率和灵敏度均良好，能够准确探测日盲紫外光的强度。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种氧化镓基日盲紫外光强度探测器及其制备方法。
背景技术
250nm～280nm波长的日盲紫外光具有很多独特性能，在自然界中干扰因素极少，从而背景噪声极低，且具有很强的杀菌效果，因此日盲紫外光在通讯及医疗等领域具有很好的应用，在这些应用中对紫外光的强度探测至关重要，新型半导体氧化镓Ga2O3材料具有4.5eV～5.0eV的宽禁带，天然地对日盲紫外光中250nm～280nm波段非常敏感，因此如何通过工作结构和器件原理，利用氧化镓日盲探测的优点来设计新的日盲紫外光强度探测器件，以提高日盲紫外光探测质量，成为一个亟待解决的技术难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化镓基日盲紫外光强度探测器，利用光生电子积累区和金属层b形成的特殊结构，将光生电子与空穴分离开来，避免光生电子与空穴复合导致的探测误差，同时使用带插指状凸起的电荷传导层及时将光生电子均匀传输至输运层，减少光生电子在光生电子积累区的滞留时间，检测光生电子形成的负电压产生的电流，减少光生电子在传输时的损失，使探测器的效率和灵敏度均有所提高。
本发明的目的还在于提供一种氧化镓基日盲紫外光强度探测器的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，氧化镓基日盲紫外光强度探测器，包括：
金属层a，以及
输运层，设置在所述金属层a顶部，以及
电荷传导层，设置在所述输运层顶部，其中电荷传导层顶部中间设有凸起，凸起的端部为插指状，以及
SiO2层，设置在所述电荷传导层顶部，其中电荷传导层的凸起穿过SiO2层中间，以及
金属层b，设置在所述SiO2层顶部，其中所述金属层b的横截面呈回字形，其内填充有光生电子积累区，所述凸起及其插指状端部伸入光生电子积累区内。
进一步的，所述光生电子积累区为Ga2O3材料制得；
所述输运层为n-Ga2O3材料制得，其中掺杂元素为Si或者Sn，掺杂浓度为1×1017~1019cm-3；
所述金属层a和金属层b的功函数均大于输运层的功函数；
所述电荷传导层的功函数小于输运层的功函数。
进一步的，所述金属层a和金属层b具体为Ni、Pt或Cu材料，所述电荷传导层具体为Ti或Au材料。
进一步的，所述光生电子积累区的厚度为50nm～300nm，所述输运层厚度为1µm～10µm，所述SiO2层的厚度为5nm～50nm。
进一步的，所述插指的数量为4，高度为40nm～290nm，横截面长宽为1µm×1µm。
氧化镓基日盲紫外光强度探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1，在金属层a上沉积形成输运层，所述沉积包括物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积；
S2，在输运层上通过电子束蒸发或物理气相沉积制备电荷传导层，通过光刻工艺在其中间形成端部为插指状的凸起，在凸起周围沉积SiO2层，所述沉积包括物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积；
S3，在延伸有插指的凸起周围包覆光刻胶，通过显影工艺将插指间裸露出来，在裸露区域沉积非故意掺杂的Ga2O3材料形成光生电子积累区，去除光生电子积累区与凸起间的光刻胶；
S4，在光生电子积累区外侧包覆光刻胶，通过电子束蒸发或物理气相沉积在光生电子积累区周围的SiO2层上沉积横截面呈回字形的金属层b，去除光生电子积累区外侧的光刻胶；
S5，在金属层a底部设置电极B，在金属层b顶部设置电极G。
本发明的有益效果是：1、本发明实施例使用Ga2O3材料产生光生电子空穴对，使用加负电压的金属层b分离光生电子和光生空穴，避免光生电子和光生空穴复合导致的探测损失，使探测结果更加准确；2、本发明实施例使用插指迅速将光生电子传输到输运层，并使其在输运层均匀分布，减小光生电子在光生电子积累区的存在时间，减少其被复合的几率，避免光生电子分布不均导致的探测误差，提高探测器的检测准确性；3、本发明实施例使用光生电子在输运层形成负电压，通过检测负电压间接影响的B端电流IB，实现日盲紫外光强度的探测，避免光生载流子在输运过程中的损失，提高了检测的灵敏度。
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是本发明实施例的结构图。
图2是图1中a-a′处的剖面图。
图3是日盲紫外光强度与电流IB的关系图。
图中：1.金属层a，2.输运层，3.电荷传导层，4.SiO2层，5.金属层b，6.光生电子积累区。
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清楚、完整地描述，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。
氧化镓基日盲紫外光强度探测器，其结构如图1、图2所示，包括金属层a1，金属层a1顶部沉积有输运层2，输运层2上依次沉积有电荷传导层3和SiO2层4，电荷传导层3顶部中间设有凸起，凸起的端部为插指状，SiO2层4上设有横截面呈回字形的金属层b5，金属层b5内填充有Ga2O3形成的光生电子积累区6，凸起及其插指状端部穿过SiO2层4的中间插入光生电子积累区6内，所述SiO2层4用于分隔金属层a1和电荷传导层3，防止其发生短接。
光生电子积累区6为Ga2O3材料，输运层2为n-Ga2O3材料，其中的掺杂元素为Si或Sn，掺杂浓度为1×1017~1019cm-3，掺杂浓度低于1017cm-3时，会使输运层2的电阻较大，不利于电流输运，B端电极检测到的电流IB偏小，探测灵敏度降低；掺杂浓度高于1019cm-3时，会在输运层2中引入大量的陷阱，这些陷阱会增加输运层2中的载流子复合几率，降低B端电极检测到的电流IB，降低探测灵敏度；金属层a1和金属层b5的功函数均大于输运层2中n-Ga2O3的功函数，以便形成良好的肖特基接触，方便电流传输，具体为Ni、Pt或Cu材料，电荷传导层3的功函数小于输运层2中n-Ga2O3的功函数，具体为Ti或Au材料。
金属层b5和光生电子积累区6的厚度均为50nm～300nm，其厚度太薄时，光生电子积累区6不能对紫外光进行有效吸收，基于此检测的紫外光强度较实际强度小，检测结果不准确；厚度太厚时紫外光产生的光生电子在光生电子积累区6中的漂移时间延长，光生电子与空穴的复合几率增加，进而增大了光生电子的复合损失，使探测效率降低。
输运层2的厚度为1µm～10µm，其厚度太薄时，耐高压特性差，当紫外光强度很大时，光生电子积累区6和电荷传导层3中聚集了大量的电子，这些电子产生的强大电压施加在薄的输运层2上，容易将其击穿，致使探测器失效；输运层2的厚度太厚时，输运层2将会承担光生电子积累区6和电荷传导层3聚集电子产生的大部分电压降，使金属层a1与输运层2界面处的有效压降减小，使相同紫外光强度下测得的电流IB相应减小，探测器的灵敏度降低。
插指的数量为4，高度为40nm～290nm，横截面长宽为1µm×1µm，插指的数量越多、尺寸越大，其与光生电子积累区6的接触越多，收集光生电子的能力越强，探测器的探测效率增加；但插指的数量太多会恶化其与Ga2O3材料之间的匹配性，容易在光生电子积累区6形成大量空隙，使得探测器性能恶化。
氧化镓基日盲紫外光强度探测器的制备方法如下：
步骤S1，在金属层a1上沉积一层掺杂有Si或Sn的Ga2O3材料形成输运层2，所述沉积为物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积；
沉积过程中通过控制沉积时间和沉积功率来调节输运层2的厚度，其中沉积功率影响最为重要，当沉积功率太小时，制备得到的输运层2成膜质量较好，膜层中缺陷较少，制成的探测器灵敏度较高，但是沉积速率慢，耗时较长；当沉积速率太大时，制备得到的输运层2成膜质量较差，膜层中缺陷增多，制成的探测器灵敏度差；
因此使用物理气相沉积法进行输运层2制备时，用掺杂Sn或Si的氧化镓靶材，在氩气氛围保护下，设置溅射沉积功率为180W，经过1h～10h后可以在金属层a1上制得厚度为1µm～10µm的n型Ga2O3材料，该材料的成膜质量良好，厚度可通过调节沉积时间进行调整，作为输运层2能增大探测电流IB，提高了探测日盲紫外光的灵敏度；
步骤S2，在输运层2上通过电子束蒸发或物理气相沉积制备电荷传导层3，在通过光刻工艺在其中间形成端部为插指状的凸起，使用物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积在电荷传导层3的凸起周围沉积SiO2层4，使电荷传导层3的凸起穿过SiO2层4中间，SiO2层4的厚度为5nm～50nm，其厚度太薄，容易被电荷传导层3中形成的大电压击穿导致探测器失效；厚度太大时会相应增加电荷传导层3的凸起高度，从而增加其电阻，影响光生电子的分布；
步骤S3，将正胶光刻胶涂敷在延伸有插指的凸起周围形成保护膜，通过掩模板曝光，之后经过烘胶、显影工艺，将插指间的区域裸露出来，在该区域通过物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积制备非故意掺杂的Ga2O3材料形成光生电子积累区6，非故意掺杂的Ga2O3材料具有更小的缺陷，能避免光生电子的复合损失；
之后通过去胶工艺除去凸起与光生电子积累区6间的光刻胶保护膜，该保护膜是为了限制光生电子积累区6的Ga2O3沉积范围；
步骤S4，在光生电子积累区6外侧涂敷光刻胶，通过光刻胶将光生电子积累区6保护起来，通过电子束蒸发或物理气相沉积在光生电子积累区6周围的SiO2层4上沉积横截面呈回字形的金属层b5，最后，通过去胶工艺除去光生电子积累区6与金属层b5之间的光刻胶保护膜；
步骤S5，在金属层a1底部设置电极B，在金属层b5顶部设置电极G。
使用本发明实施例对日盲紫外光进行强度检测时，将电极B接地，电极G施加负电压VG，当250nm～280nm波长的日盲紫外光照射时，在光生电子积累区6内产生光生电子空穴对，在负电压VG的作用下，回字形的金属层b5形成一个光生电子深能级的势阱，在其作用下光生空穴流入G端，而光生电子则在光生电子积累区6内积累，避免了光生电子与空穴复合导致的电子损失，可以非常高效的积累光生电子；这些光生电子在光生电子积累区6内向下扩散，插接在其内的插指状凸起增加了光生电子积累区6与电荷传导层3的接触面积，使光生电子积累区6与其形成良好的均匀分布，更有利于迅速收集光生电子积累区6内的光生电子，避免光生电子与空穴复合造成的损失，电荷传导层3将光生电子传导至输运层2表面并迅速均匀分布，均匀分布的电子形成负电压U，在其作用下B端收集到电流IB，避免了由光生电子分布不均匀而产生的探测误差，探测结果更加准确。
如图3所示，电流IB的大小与日盲紫外光强度的对数成正增长关系，据此可获得日盲紫外光的强度，电流IB的大小与日盲紫外光强度的对数存在以下关系：I ph =A(kT/q) 2 lnI B ，其中I ph 为日盲紫外光的强度，A为与输运层2掺杂浓度正相关的参数，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量。
本发明在日盲紫外光强度探测时，光生电子积累区6并未直接参与电流IB的形成，而是通过电荷传导层3将光生电子均匀分布在输运层2上形成负电压，通过负电压间接影响B端的电流IB，避免了光生电子在输运过程中的损失，提高了探测器的灵敏度。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.氧化镓基日盲紫外光强度探测器，其特征在于，包括：
金属层a（1），以及
输运层（2），设置在所述金属层a（1）顶部，以及
电荷传导层（3），设置在所述输运层（2）顶部，其中电荷传导层（3）顶部中间设有凸起，凸起的端部为插指状，以及
SiO2层（4），设置在所述电荷传导层（3）顶部，其中电荷传导层（3）的凸起穿过SiO2层（4）中间，以及
金属层b（5），设置在所述SiO2层（4）顶部，其中所述金属层b（5）的横截面呈回字形，其内填充有光生电子积累区（6），所述凸起及其插指状端部伸入光生电子积累区（6）内。
2.根据权利要求1所述的氧化镓基日盲紫外光强度探测器，其特征在于，所述光生电子积累区（6）为Ga2O3材料制得；
所述输运层（2）为n-Ga2O3材料制得，其中掺杂元素为Si或者Sn，掺杂浓度为1×1017~1019cm-3；
所述金属层a（1）和金属层b（5）的功函数均大于输运层（2）的功函数；
所述电荷传导层（3）的功函数小于输运层（2）的功函数。
3.根据权利要求1所述的氧化镓基日盲紫外光强度探测器，其特征在于，所述金属层a（1）和金属层b（5）具体为Ni、Pt或Cu材料，所述电荷传导层（3）具体为Ti或Au材料。
4.根据权利要求1所述的氧化镓基日盲紫外光强度探测器，其特征在于，所述光生电子积累区（6）的厚度为50nm～300nm，所述输运层（2）厚度为1µm～10µm，所述SiO2层（4）的厚度为5nm～50nm。
5.根据权利要求1所述的氧化镓基日盲紫外光强度探测器，其特征在于，所述插指的数量为4，高度为40nm～290nm，横截面长宽为1µm×1µm。
6.如权利要求1～5任一项所述的氧化镓基日盲紫外光强度探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在金属层a（1）上沉积形成输运层（2），所述沉积包括物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积；
S2，在输运层（2）上通过电子束蒸发或物理气相沉积制备电荷传导层（3），通过光刻工艺在其中间形成端部为插指状的凸起，在凸起周围沉积SiO2层（4），所述沉积包括物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积；
S3，在延伸有插指的凸起周围包覆光刻胶，通过显影工艺将插指间裸露出来，在裸露区域沉积非故意掺杂的Ga2O3材料形成光生电子积累区（6），去除光生电子积累区（6）与凸起间的光刻胶；
S4，在光生电子积累区（6）外侧包覆光刻胶，通过电子束蒸发或物理气相沉积在光生电子积累区（6）周围的SiO2层（4）上沉积横截面呈回字形的金属层b（5），去除光生电子积累区（6）外侧的光刻胶；
S5，在金属层a（1）底部设置电极B，在金属层b（5）顶部设置电极G。
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