CN114361283B - 一种深紫外探测器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深紫外探测器件，包括由下至上依次叠置的衬底、AlN成核层、n型β相Ga2O3层、β相Ga2O3/AlxInyGa1‑x‑yO活性层、p型β相Ga2O3层、p型金刚石薄膜层、碳纳米管薄膜透明导电层和氟化物保护层，在所述n型β相Ga2O3层上引出n型欧姆电极，在所述碳纳米管薄膜透明导电层上引出p型欧姆电极。本发明还公开了这种深紫外探测器件的制备方法。本发明深紫外探测器件有助于提高探测器对微弱深紫外信号的响应度，降低光子传输的能量损耗，提高器件可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光探测器件及其制备方法，特别是一种深紫外探测器件及其制备方法。
背景技术
紫外光电探测器在军用和民用方面都具有重要的应用价值和发展前景，如紫外告警与制导、碳氢化合物燃烧火焰的探测、生化基因的检测、紫外天文学的研究、短距离的通信以及皮肤病的治疗等。
现有的紫外探测器件绝大多数都是基于氮化物材料或者MgZnO氧化物体系来制备的。由于现有制备技术的限制基于氮化物材料薄膜质量还不高，p型掺杂困难，材料无论在表面还是层界面都存在大量的缺陷，引起载流子的遂穿机制明显，导致器件工作的暗电流很大，因而严重制约了此类结构探测器的探测性能的提高。因此，如何获得高增益的，特别是针对微弱深紫外信号的光电探测目前仍是一大难题。
Ga2O3是一种直接带隙宽禁带半导体材料，其室温禁带宽度为4.9eV远高于GaN和ZnO等宽禁带半导体材料。Ga2O3无论在晶格结构、晶胞参数还是在禁带宽度上都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，又具有较低的光致发光和受激辐射的阈值以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性。因而，基于Ga2O3材料的紫外光电探测方面应用潜力巨大。
另外，金刚石材料因为具有超高的导热系数(>2000W/m·K)、超高的禁带宽度(5.5eV)，通过掺杂后导电性能优良等特性。该材料在宽禁带半导体器件领域具有广泛的应用前景。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种深紫外探测器件，实现响应波长为200～300nm的深紫外探测，解决紫外光电探测器中由于电子和空穴的离化系数相近而导致的紫外探测器不灵敏问题。本发明的另一任务在于提供一种深紫外探测器件的制备方法。
本发明技术方案如下：一种深紫外探测器件，包括由下至上依次叠置的衬底、AlN成核层、n型β相Ga2O3层、β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层，0＜x＜1，0＜y＜1，x+y≤1、p型β相Ga2O3层、p型金刚石薄膜层、碳纳米管薄膜透明导电层和氟化物保护层，在所述n型β相Ga2O3层上引出n形欧姆电极，在所述碳纳米管薄膜透明导电层上引出p型欧姆电极。
进一步地，所述β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的重复周期数为1～10对，且满足y≤x。y≤x时活性层中形成更大的带隙差，具有更好的量子局域效应。
进一步地，所述AlN成核层的厚度为1～100nm，所述n型β相Ga2O3层的厚度为100～2000nm，所述β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的总厚度为10～1000nm，所述p型β相Ga2O3层的厚度为5～500nm，所述p型金刚石薄膜层的厚度为10～300nm，所述碳纳米管薄膜透明导电层的厚度为10～1000nm，所述氟化物保护层的厚度为50～200nm。
进一步地，所述衬底为氮化铝或氮化镓铝中的任意一种。
进一步地，所述n型β相Ga2O3层中，采用C、Si、Ge、Sn、F中的一种或多种元素进行n型掺杂，掺杂浓度为1×1018～5×1020cm-3。
进一步地，所述p型β相Ga2O3层中，采用Mg、Zn、Fe中的一种或者多种元素进行掺杂，掺杂浓度为1×1017～1×1020cm-3。
进一步地，所述p型金刚石薄膜层中，采用B元素进行掺杂，掺杂浓度1×1017～1×1020cm-3。
进一步地，所述碳纳米管薄膜透明导电层的方块电阻为20～50Ω/□。
进一步地，所述氟化物保护层为MgF2、NdF3、AlF3、CeF3、Na3AlF6、LaF3、GdF3中的一种或者多种混合组成。
一种深紫外探测器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用MOCVD的方法，在衬底上依次生长AlN成核层、n型β相Ga2O3层、β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层和p型β相Ga2O3层构成外延片基片；
(2)取出外延片基片，采用热丝化学气相沉积法或者微波等离子体化学气相沉积法再结合扩散、离子注入或原位掺杂方法中的任意一种方法，在所述p型β相Ga2O3层上制备p型金刚石薄膜层；
(3)采用真空抽滤法、电沉积法、浸涂法、旋涂法、喷涂法、喷墨打印法、气溶胶直接合成法、超阵列提拉法中的任意一种方法，在所述p型金刚石薄膜层上制备碳纳米管薄膜透明导电层；
(4)采用刻蚀工艺，在所述碳纳米管薄膜透明导电层上进行台面刻蚀，露出部分所述n型β相Ga2O3层；
(5)采用热蒸发法或者脉冲激光溅射法，在所述碳纳米管薄膜透明导电层及刻蚀后露出的所述n型β相Ga2O3层上制备氟化物保护层；
(6)采用刻蚀工艺在所述氟化物保护层上形成电极窗口，分别露出所述n型β相Ga2O3层和所述碳纳米管薄膜透明导电层；
(7)在所述电极窗口露出的所述n型β相Ga2O3层上选择性蒸镀n型Ag/Ti/Al/Ag/Ti/Au电极层，再剥离后形成n型欧姆电极，并且对所述n型欧姆电极进行退火处理；在所述电极窗口露出的所述碳纳米管薄膜透明导电层上蒸镀p型Ni/Au/Ti/Ni/Au电极层，再剥离后形成p型欧姆电极，并且对所述p型欧姆电极进行退火处理，完成外延片制备；
(8)对所述外延片进行切割、分离形成分立的深紫外探测器件。
本发明与现有技术相比的优点在于：
采用禁带宽度更大的β相Ga2O3结合宽禁带氮化物材料作为本体材料，可以实现响应波长为200～300nm的深紫外探测。通过p型β相Ga2O3层及p型金刚石薄膜层的复合p型层，可以有效弥补p型β相Ga2O3层空穴浓度低的问题，提高空穴浓度、增强空穴注入效率，配合采用多周期β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO的活性层，能够有效解决紫外光电探测器中由于电子和空穴的离化系数相近而导致的紫外探测器不灵敏问题，有助于提高探测器对微弱深紫外信号的响应度。而采用碳纳米管薄膜透明导电层可以实现优异的导电性能的同时，紫外透光率高于80％。最外层采用氟化物薄膜材料的声子能量小，紫外光透过率高达90％以上，极大地提高探测器的光电转换效率，同时氟化物材料与β相Ga2O3折射率非常接近，有助于光子的传输、降低了传输的能量损耗，同时对器件起到了保护的作用，提高了器件工作的可靠性。另外，采用导热系数极高的p型金刚石薄膜层及氟化物可以极大地提高器件长期工作的散热性能。
附图说明
图1为深紫外探测器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1，请结合图1所示，本实施例的深紫外探测器件结构是这样的：包括由下至上依次叠置的氮化铝衬底1、AlN成核层2、Si掺杂的n型β相Ga2O3层3、重复周期为10对的β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层4，x＝0.4，y＝0.3、Mg掺杂的p型β相Ga2O3层5、B掺杂的p型金刚石薄膜层6、碳纳米管薄膜透明导电层7和Na3AlF6保护层8，在Si掺杂的n型β相Ga2O3层3引出n形欧姆电极9，在碳纳米管薄膜透明导电层6上引出p型欧姆电极10。
其中AlN成核层的厚度为100nm，Si掺杂的n型β相Ga2O3层的厚度为2000nm，其掺杂浓度5×1020cm-3，β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的总厚度为1000nm，Mg掺杂的p型β相Ga2O3层的厚度为500nm，其掺杂浓度1×1017cm-3，B掺杂的p型金刚石薄膜层的厚度为300nm，其掺杂浓度1×1017cm-3，碳纳米管薄膜透明导电层的厚度为1000nm，方块电阻为50Ω/□，Na3AlF6保护层的厚度为200nm。
本实施例的深紫外探测器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用MOCVD的方法，在衬底上依次生长AlN成核层、Si掺杂的n型β相Ga2O3层、β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层和Mg掺杂的p型β相Ga2O3层构成外延片基片；
(2)取出外延片基片，采用热丝化学气相沉积法再结合离子注入，在Zn掺杂的p型β相Ga2O3层上制备B掺杂的p型金刚石薄膜层；
(3)采用喷涂法在B掺杂的p型金刚石薄膜层上制备碳纳米管薄膜透明导电层；
(4)采用刻蚀工艺，在碳纳米管薄膜透明导电层上进行台面刻蚀，露出部分Si掺杂的n型β相Ga2O3层；
(5)采用脉冲激光溅射法，在碳纳米管薄膜透明导电层及刻蚀后露出的Si掺杂的n型β相Ga2O3层上制备Na3AlF6保护层；
(6)采用刻蚀工艺在Na3AlF6保护层上形成电极窗口，分别露出Si掺杂的n型β相Ga2O3层和碳纳米管薄膜透明导电层；
(7)在电极窗口露出的Si掺杂的n型β相Ga2O3层上选择性蒸镀n型Ag/Ti/Al/Ag/Ti/Au电极层，再剥离后形成n型欧姆电极，并且对n型欧姆电极在850℃的N2环境下退火1.5分钟处理；在电极窗口露出的碳纳米管薄膜透明导电层上蒸镀p型Ni/Au/Ti/Ni/Au电极层，再剥离后形成p型欧姆电极，并且对p型欧姆电极在650℃的N2环境下退火1.5分钟，完成外延片制备；
(8)对外延片进行切割、分离形成分立的深紫外探测器件。
本实施例1的紫外探测器对260nm附近紫外光具有较高的响应，器件的光电仿真计算结果表明：本实施例器件的响应度可达13A/W，探测率可达4.3×1012Jones。
实施例2，本实施例的深紫外探测器件结构是这样的：包括由下至上依次叠置的氮化铝衬底、AlN成核层、Si掺杂的n型β相Ga2O3层、重复周期为6对的β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层，x＝0.4，y＝0.3、Mg掺杂的p型β相Ga2O3层、B掺杂的p型金刚石薄膜层、碳纳米管薄膜透明导电层和Na3AlF6保护层，在Si掺杂的n型β相Ga2O3层上引出n型欧姆电极，在碳纳米管薄膜透明导电层上引出p型欧姆电极。
其中AlN成核层的厚度为70nm，Si掺杂的n型β相Ga2O3层的厚度为1200nm，其掺杂浓度5×1020cm-3，β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的总厚度为600nm，Mg掺杂的p型β相Ga2O3层的厚度为400nm，其掺杂浓度1×1018cm-3，B掺杂的p型金刚石薄膜层的厚度为200nm，其掺杂浓度1×1018cm-3，碳纳米管薄膜透明导电层的厚度为600nm，方块电阻为36Ω/□，Na3AlF6保护层的厚度为150nm。本实施例的制备过程同实施例1。
本实施例2的紫外探测器对260nm附近紫外光具有较高的响应，器件的光电仿真计算结果表明：本实施例器件的响应度可达12A/W，探测率可达4×1012Jones。
实施例3，本实施例的深紫外探测器件结构是这样的：包括由下至上依次叠置的氮化镓铝衬底、AlN成核层、Sn掺杂的n型β相Ga2O3层、重复周期为3对的β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层，x＝0.4，y＝0.1、Zn掺杂的p型β相Ga2O3层、B掺杂的p型金刚石薄膜层、碳纳米管薄膜透明导电层和NdF3保护层，在Sn掺杂的n型β相Ga2O3层上引出n型欧姆电极，在碳纳米管薄膜透明导电层上引出p型欧姆电极。
其中AlN成核层的厚度为35nm，Sn掺杂的n型β相Ga2O3层的厚度为600nm，其掺杂浓度1×1019cm-3，β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的总厚度为250nm，Zn掺杂的p型β相Ga2O3层的厚度为200nm，其掺杂浓度1×1018cm-3，B掺杂的p型金刚石薄膜层的厚度为100nm，其掺杂浓度1×1018cm-3，碳纳米管薄膜透明导电层的厚度为250nm，方块电阻为36Ω/□，NdF3保护层的厚度为100nm。
本实施例的深紫外探测器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用MOCVD的方法，在衬底上依次生长AlN成核层、Sn掺杂的n型β相Ga2O3层、β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层和Zn掺杂的p型β相Ga2O3层构成外延片基片；
(2)取出外延片基片，采用微波等离子体化学气相沉积法再结合原位掺杂，在Zn掺杂的p型β相Ga2O3层上制备B掺杂的p型金刚石薄膜层；
(3)采用电沉积法在B掺杂的p型金刚石薄膜层上制备碳纳米管薄膜透明导电层；
(4)采用刻蚀工艺，在碳纳米管薄膜透明导电层上进行台面刻蚀，露出部分Sn掺杂的n型β相Ga2O3层；
(5)采用热蒸发法，在碳纳米管薄膜透明导电层及刻蚀后露出的Sn掺杂的n型β相Ga2O3层上制备NdF3保护层；
(6)采用刻蚀工艺在NdF3保护层上形成电极窗口，分别露出Sn掺杂的n型β相Ga2O3层和碳纳米管薄膜透明导电层；
(7)在电极窗口露出的Sn掺杂的n型β相Ga2O3层上选择性蒸镀n型Ag/Ti/Al/Ag/Ti/Au电极层，再剥离后形成n型欧姆电极，并且对n型欧姆电极在850℃的N2环境下退火1.5分钟处理；在电极窗口露出的碳纳米管薄膜透明导电层上蒸镀p型Ni/Au/Ti/Ni/Au电极层，再剥离后形成p型欧姆电极，并且对p型欧姆电极在650℃的N2环境下退火1.5分钟，完成外延片制备；
(8)对外延片进行切割、分离形成分立的深紫外探测器件。
本实施例3的紫外探测器对260nm附近紫外光具有较高的响应，器件的光电仿真计算结果表明：本实施例器件的响应度可达14A/W，探测率可达5.7×1012Jones。
实施例4，本实施例的深紫外探测器件结构是这样的：包括由下至上依次叠置的氮化镓铝衬底、AlN成核层、Sn掺杂的n型β相Ga2O3层、重复周期为1对的β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层，x＝0.5，y＝0.2、Zn掺杂的p型β相Ga2O3层、B掺杂的p型金刚石薄膜层、碳纳米管薄膜透明导电层和NdF3保护层，在Sn掺杂的n型β相Ga2O3层上引出n型欧姆电极，在碳纳米管薄膜透明导电层上引出p型欧姆电极。
其中AlN成核层的厚度为5nm，Sn掺杂的n型β相Ga2O3层的厚度为100nm，其掺杂浓度1×1018cm-3，β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的总厚度为10nm，Zn掺杂的p型β相Ga2O3层的厚度为5nm，其掺杂浓度1×1020cm-3，B掺杂的p型金刚石薄膜层的厚度为10nm，其掺杂浓度1×1020cm-3，碳纳米管薄膜透明导电层的厚度为10nm，方块电阻为20Ω/□，NdF3保护层的厚度为50nm。本实施例的制备过程同实施例3。
本实施例4的紫外探测器对260nm附近紫外光具有较高的响应，器件的光电仿真计算结果表明：本实施例器件的响应度可达17A/W，探测率可达6.3×1012Jones。
上述各实施例中p型金刚石薄膜层的制备可采用热丝化学气相沉积法或者微波等离子体化学气相沉积法再结合扩散、离子注入或原位掺杂方法中的任意一种方法，碳纳米管薄膜透明导电层的制备可采用真空抽滤法、电沉积法、浸涂法、旋涂法、喷涂法、喷墨打印法、气溶胶直接合成法、超阵列提拉法中的任意一种方法。n型β相Ga2O3层的掺杂采用C、Si、Ge、Sn、F中的一种或多种元素进行，p型β相Ga2O3的掺杂可采用Mg、Zn、Fe中的一种或者多种元素进行，保护层材料除了Na3AlF6和NdF3外还可以采用MgF2、AlF3、CeF3、LaF3、GdF3或者这些材料中的多种混合组成。氟化物保护层在280nm及以下的紫外平均透过率≥90％，光子在其中传输损耗极低，从而有助于探测器对弱信号的传输和探测。如采用ITO等作为保护层，280nm附近的紫外光的透光率仅有40％或者更低，绝大部分被ITO保护层吸收，从而无法形成紫外光，尤其是深紫外光的探测。
Claims (7)
1.一种深紫外探测器件，其特征在于，包括由下至上依次叠置的衬底、AlN成核层、n型β相Ga2O3层、β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层、p型β相Ga2O3层、p型金刚石薄膜层、碳纳米管薄膜透明导电层和氟化物保护层，在所述n型β相Ga2O3层上引出n形欧姆电极，在所述碳纳米管薄膜透明导电层上引出p型欧姆电极；所述p型β相Ga2O3层中，采用Mg、Zn、Fe中的一种或者多种元素进行掺杂，掺杂浓度为1×1017～1×1020cm-3；所述p型金刚石薄膜层中，采用B元素进行掺杂，掺杂浓度1×1017～1×1020cm-3，所述β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的重复周期数为1～10对，0<x<1，0<y<1，x+y≤1，y≤x。
2.根据权利要求1所述的深紫外探测器件，其特征在于，所述AlN成核层的厚度为1～100nm，所述n型β相Ga2O3层的厚度为100～2000nm，所述β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的总厚度为10～1000nm，所述p型β相Ga2O3层的厚度为5～500nm，所述p型金刚石薄膜层的厚度为10～300nm，所述碳纳米管薄膜透明导电层的厚度为10～1000nm，所述氟化物保护层的厚度为50～200nm。
3.根据权利要求1所述的深紫外探测器件，其特征在于，所述衬底为氮化铝或氮化镓铝中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的深紫外探测器件，其特征在于，所述n型β相Ga2O3层中，采用C、Si、Ge、Sn、F中的一种或多种元素进行n型掺杂，掺杂浓度为1×1018～5×1020cm-3。
5.根据权利要求1所述的深紫外探测器件，其特征在于，所述碳纳米管薄膜透明导电层的方块电阻为20～50Ω/□。
6.根据权利要求1所述的深紫外探测器件，其特征在于，所述氟化物保护层为MgF2、NdF3、AlF3、CeF3、Na3AlF6、LaF3、GdF3中的一种或者多种混合组成。
7.一种深紫外探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用MOCVD的方法，在衬底上依次生长AlN成核层、n型β相Ga2O3层、β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层和p型β相Ga2O3层构成外延片基片；所述β相Ga2O3/AlxInyGa1-x-yO活性层的重复周期数为1～10对，0<x<1，0<y<1，x+y≤1，y≤x；所述p型β相Ga2O3层中，采用Mg、Zn、Fe中的一种或者多种元素进行掺杂，掺杂浓度为1×1017～1×1020cm-3；
(2)取出外延片基片，采用热丝化学气相沉积法或者微波等离子体化学气相沉积法再结合扩散、离子注入或原位掺杂方法中的任意一种方法，在所述p型β相Ga2O3层上制备p型金刚石薄膜层；所述p型金刚石薄膜层中，采用B元素进行掺杂，掺杂浓度1×1017～1×1020cm-3；
(3)采用真空抽滤法、电沉积法、浸涂法、旋涂法、喷涂法、喷墨打印法、气溶胶直接合成法、超阵列提拉法中的任意一种方法，在所述p型金刚石薄膜层上制备碳纳米管薄膜透明导电层；
(4)采用刻蚀工艺，在所述碳纳米管薄膜透明导电层上进行台面刻蚀，露出部分所述n型β相Ga2O3层；
(5)采用热蒸发法或者脉冲激光溅射法，在所述碳纳米管薄膜透明导电层及刻蚀后露出的所述n型β相Ga2O3层上制备氟化物保护层；
(6)采用刻蚀工艺在所述氟化物保护层上形成电极窗口，分别露出所述n型β相Ga2O3层和所述碳纳米管薄膜透明导电层；
(7)在所述电极窗口露出的所述n型β相Ga2O3层上选择性蒸镀n型Ag/Ti/Al/Ag/Ti/Au电极层，再剥离后形成n型欧姆电极，并且对所述n型欧姆电极进行退火处理；在所述电极窗口露出的所述碳纳米管薄膜透明导电层上蒸镀p型Ni/Au/Ti/Ni/Au电极层，再剥离后形成p型欧姆电极，并且对所述p型欧姆电极进行退火处理，完成外延片制备；
(8)对所述外延片进行切割、分离形成分立的深紫外探测器件。
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