CN114695582A - 一种双峰值异质结紫外探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双峰值异质结紫外探测器及制备方法，探测器包括镜面反射层、4H‑SiC衬底层、4H‑SiC外延层、β‑Ga2O3外延功能层、第一界面缓冲层、第二界面缓冲层和透明电极，镜面反射层、4H‑SiC衬底层和4H‑SiC外延层依次层叠；β‑Ga2O3外延功能层位于4H‑SiC外延层的部分表面上；第二界面缓冲层位于4H‑SiC外延层的另一部分表面上，且其侧面与β‑Ga2O3外延功能层的侧面相接触；第一界面缓冲层位于β‑Ga2O3外延功能层上；透明电极位于第一界面缓冲层和第二界面缓冲层上，且位于第二界面缓冲层上的透明电极的侧面与β‑Ga2O3外延功能层的侧面相接触。该紫外探测器通过设置4H‑SiC外延层和β‑Ga2O3外延功能层，拓宽了探测器的响应范围，提升了探测器在日盲波段的响应度。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种双峰值异质结紫外探测器及制备方法。
背景技术
紫外探测器是一种能够将紫外光信号转换成电信号的器件，紫外光电探测器在国防、紫外天文学、环境监测、火灾探测、涡轮引擎燃烧效率监测、可燃气体成分分析和生物细胞癌变检测等方面有着广阔的前景，是近年来国际上光电探测领域的热点。随着第三代宽带隙半导体材料的出现，特别是4H-SiC材料，由于其具有宽带隙、高临界击穿电场和高热导率等特点，因此利用其制备的紫外光电探测器的出现推动了紫外探测技术的发展。
传统紫外半导体器件往往在某一小范围波段才有足够的响应，通过对器件的设计调整能提升峰值响应。但在实际应用中往往要求的是范围波段的探测能力，而现有探测器响应峰值单一，总体大范围响应较小，不仅如此，再结合高温等恶劣的工作环境，能够满足多响应峰需求的器件少之又少。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种双峰值异质结紫外探测器及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种双峰值异质结紫外探测器，包括：镜面反射层、4H-SiC衬底层、4H-SiC外延层、β-Ga2O3外延功能层、第一界面缓冲层、第二界面缓冲层和透明电极，其中，
所述镜面反射层、所述4H-SiC衬底层和所述4H-SiC外延层依次层叠；
所述β-Ga2O3外延功能层位于所述4H-SiC外延层的部分表面上；
所述第二界面缓冲层位于所述4H-SiC外延层的另一部分表面上，且其侧面与所述β-Ga2O3外延功能层的侧面相接触；
所述第一界面缓冲层位于所述β-Ga2O3外延功能层上；
所述透明电极位于所述第一界面缓冲层和所述第二界面缓冲层上，且位于第二界面缓冲层上的所述透明电极的侧面与所述β-Ga2O3外延功能层的侧面相接触。
在本发明的一个实施例中，所述镜面反射层的材料包括银，厚度为150-250nm。
在本发明的一个实施例中，所述4H-SiC衬底层的厚度为300-500μm，材料包括N+SiC，掺杂元素包括氮离子，掺杂浓度为5×1019 cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述4H-SiC外延层的厚度为6-14μm，材料包括N-SiC，掺杂元素包括氮离子，掺杂浓度为2×1016 cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述β-Ga2O3外延功能层的厚度为400-600nm，材料包括N型β-Ga2O3，掺杂浓度为1×1017 cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述第一界面缓冲层的材料为Ga2O3，厚度为2-10nm。
在本发明的一个实施例中，所述第二界面缓冲层的材料为SiO2，厚度为2-10nm。
在本发明的一个实施例中，所述透明电极的材料包括FTO，厚度为10~15nm。
本发明的另一个实施例提供了一种双峰值异质结紫外探测器的制备方法，包括步骤：
S1、在4H-SiC衬底层表面生长4H-SiC外延层；
S2、在所述4H-SiC衬底层背面生长镜面反射层；
S3、在所述4H-SiC外延层的一部分表面生长β-Ga2O3外延功能层；
S4、对所述β-Ga2O3外延功能层和所述4H-SiC外延层进行预处理，在所述β-Ga2O3外延功能层表面氧化形成第一界面缓冲层，在所述4H-SiC外延层表面氧化形成第二界面缓冲层，且使得所述第二界面缓冲层的侧面与所述β-Ga2O3外延功能层的侧面相接触；
S5、在所述第一界面缓冲层和所述第二界面缓冲层上制备透明电极，使得位于第二界面缓冲层上的所述透明电极的侧面与所述β-Ga2O3外延功能层的侧面相接触。
在本发明的一个实施例中，对所述β-Ga2O3外延功能层和所述4H-SiC外延层进行预处理，包括：
利用氧的等离子体方法对所述β-Ga2O3外延功能层和所述4H-SiC外延层进行预处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的紫外探测器通过设置4H-SiC外延层和β-Ga2O3外延功能层，不同材料对应不同波段的紫外响应峰值，两者结合拓宽了探测器的响应范围，使得探测器出现双峰拉宽高响应度范围，提升了探测器在日盲波段的响应度。
2、本发明的紫外探测器中设置4H-SiC外延层、β-Ga2O3外延功能层和FTO透明电极，这些材料是面对高温的优秀半导体材料，使得探测器可应用于高温条件。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种双峰值异质结紫外探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种双峰值异质结紫外探测器的制备方法的流程示意图。
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为本发明实施例提供的一种双峰值异质结紫外探测器的结构示意图。该紫外探测器包括镜面反射层1、4H-SiC衬底层2、4H-SiC外延层3、β-Ga2O3外延功能层4、第一界面缓冲层5、第二界面缓冲层6和透明电极7。
具体的，镜面反射层1、4H-SiC衬底层2和4H-SiC外延层3外延层依次层叠。β-Ga2O3外延功能层4位于4H-SiC外延层3的部分表面上。第二界面缓冲层6位于4H-SiC外延层3的另一部分表面上，且其侧面与β-Ga2O3外延功能层4的侧面相接触。第一界面缓冲层5位于β-Ga2O3外延功能层4上。透明电极7位于第一界面缓冲层5和第二界面缓冲层6上，且位于第二界面缓冲层6上的透明电极7的侧面与β-Ga2O3外延功能层4的侧面相接触。
可以理解的是，β-Ga2O3外延功能层4的厚度大于第二界面缓冲层6和透明电极7的厚度之和，从而使得第二界面缓冲层6的侧面和透明电极7的侧面均与β-Ga2O3外延功能层4的侧面相接触，形成台阶状结构。
在一个具体实施例中，镜面反射层1的材料包括银，厚度为150-250nm。4H-SiC衬底层2的厚度为300-500μm，材料包括N+SiC，掺杂元素包括氮离子，掺杂浓度为5×1019 cm-3。4H-SiC外延层3的厚度为6-14μm，材料包括N-SiC，掺杂元素包括氮离子，掺杂浓度为2×1016 cm-3。β-Ga2O3外延功能层4的厚度为400-600nm，材料包括N型β-Ga2O3，掺杂浓度为1×1017 cm-3。第一界面缓冲层5的材料为高质量Ga2O3，厚度为2-10nm。第二界面缓冲层6的材料为高质量SiO2，厚度与第一界面缓冲层5的厚度相同，均为2-10nm。透明电极7的材料包括FTO，厚度为10~15nm。
优选的，镜面反射层1的厚度为200nm，4H-SiC衬底层2的厚度为400μm，4H-SiC外延层3的厚度为10μm，β-Ga2O3外延功能层4的厚度为500nm。
具体的，该紫外探测器中，镜面反射层1作为底反射层，可以重复利用透过光；β-Ga2O3外延功能层4主要用于实现250-nm左右光响应，4H-SiC外延层3主要探测275-nm左右光响应光，从而实现了双峰值紫外探测器；透明电极7可以增加器件的受光面积，从而提升器件的进光度。因此，该紫外探测器通过设置4H-SiC外延层和β-Ga2O3外延功能层，不同材料对应不同波段的紫外响应峰值，两者结合拓宽了探测器的响应范围，使得探测器出现双峰拉宽高响应度范围，提升了探测器在日盲波段的响应度。
本实施例中，N型4H-SiC外延层3和N性β-Ga2O3外延功能层4之间形成 n-n异质结，n-n异质结同样可以实现p-n型异质结的作用，从而形成结型探测器，与传统的金属-半导体-金属（MSM）结构相比，结型探测器的响应度大、响应速度快。同时，N型4H-SiC的制备工艺更成熟，制备成本更低，降低了器件的制作成本。
本实施例的紫外探测器中设置4H-SiC外延层、β-Ga2O3外延功能层和FTO透明电极，这些材料是面对高温的优秀半导体材料，使得探测器可应用于高温条件。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种双峰值异质结紫外探测器的制备方法的流程示意图。该制备方法包括步骤：
S1、在4H-SiC衬底层2表面生长4H-SiC外延层3。
具体的，首先对厚度为400μm、氮掺杂浓度为5×1019 cm-3的N+ 4H-SiC衬底进行RCA标准清洗。然后在清洗后的4H-SiC衬底层2表面通过化学气相沉积（Chemical VaporDeposition，CVD）方法生长掺杂浓度为2×1016 cm-3的N- 4H-SiC外延层3，生长厚度为10μm，生长温度为1600ºC~1900 ºC。
S2、在4H-SiC衬底层2背面生长镜面反射层1。
具体的，使用磁控溅射方法在4H-SiC衬底层2背面生长200nm厚的Ag，形成镜面反射层1。
S3、在4H-SiC外延层3的一部分表面生长β-Ga2O3外延功能层4。
具体的，使用雾化化学气相沉积(Mist Chemical Vapor Deposition，MIS-CVD)方法在4H-SiC外延层3的表面上生长β-Ga2O3外延功能层4，使得β-Ga2O3外延功能层4位于4H-SiC外延层3的部分表面上，其中，β-Ga2O3外延功能层4的厚度为500nm，材料包括N型β-Ga2O3，掺杂浓度为1×1017 cm-3。
本实施例中，N-型4H-SiC外延层3的缺陷低，质量佳，外延层制备方法简单，大幅降低了制备成本。同时，在高质量的N-型4H-SiC外延层3上生长得到的β-Ga2O3功能层4的质量也更佳，提升了探测器的性能。
S4、对β-Ga2O3外延功能层4和4H-SiC外延层3进行预处理，在β-Ga2O3外延功能层4表面形成第一界面缓冲层5，在4H-SiC外延层3表面形成第二界面缓冲层6，且使得第二界面缓冲层6的侧面与β-Ga2O3外延功能层4的侧面相接触。
具体的，利用氧的等离子体方法预处理β-Ga2O3外延功能层4和4H-SiC外延层3，预处理时长功率为50W，处理时间为30min，从而在β-Ga2O3外延功能层4的表面形成第一缓冲层5，在4H-SiC外延层3的表面形成第二缓冲层6；经过预处理，第一缓冲层5的材料为高质量Ga2O3，第二缓冲层6的材料为高质量SiO2，第一缓冲层5和第二缓冲层6的厚度均为2-10nm。
本实施例中，通过对β-Ga2O3外延功能层4进行预处理，可以显著降低β-Ga2O3外延功能层4对表面亚稳态Ga-O键的含量，所形成的第一缓冲层5对材料质量比β-Ga2O3外延功能层4对材料质量更高，有利于优化器件的光电性能。
S5、在第一界面缓冲层5和第二界面缓冲层6上制备透明电极7，使得位于第二界面缓冲层6上的透明电极7的侧面与β-Ga2O3外延功能层4的侧面相接触。
具体的，采用标准光刻工艺和磁控溅射工艺在器件的表面上生长10-15nm的FTO，形成透明电极7。
本实施例中，在紫外探测器中设置4H-SiC外延层和β-Ga2O3外延功能层，不同材料对应不同波段的紫外响应峰值，两者结合拓宽了探测器的响应范围，使得探测器出现双峰拉宽高响应度范围，提升了探测器在日盲波段的响应度。
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)
1.一种双峰值异质结紫外探测器，其特征在于，包括：镜面反射层(1)、4H-SiC衬底层(2)、4H-SiC外延层(3)、β-Ga2O3外延功能层(4)、第一界面缓冲层(5)、第二界面缓冲层(6)和透明电极(7)，其中，
所述镜面反射层(1)、所述4H-SiC衬底层(2)和所述4H-SiC外延层(3)依次层叠；
所述β-Ga2O3外延功能层(4)位于所述4H-SiC外延层(3)的部分表面上；
所述第二界面缓冲层(6)位于所述4H-SiC外延层(3)的另一部分表面上，且其侧面与所述β-Ga2O3外延功能层(4)的侧面相接触；
所述第一界面缓冲层(5)位于所述β-Ga2O3外延功能层(4)上；
所述透明电极(7)位于所述第一界面缓冲层(5)和所述第二界面缓冲层(6)上，且位于第二界面缓冲层(6)上的所述透明电极(7)的侧面与所述β-Ga2O3外延功能层(4)的侧面相接触。
2.根据权利要求1所述的双峰值异质结紫外探测器，其特征在于，所述镜面反射层(1)的材料包括银，厚度为150-250nm。
3.根据权利要求1所述的双峰值异质结紫外探测器，其特征在于，所述4H-SiC衬底层(2)的厚度为300-500μm，材料包括N+SiC，掺杂元素包括氮离子，掺杂浓度为5×1019 cm-3。
4.根据权利要求1所述的双峰值异质结紫外探测器，其特征在于，所述4H-SiC外延层(3)的厚度为6-14μm，材料包括N-SiC，掺杂元素包括氮离子，掺杂浓度为2×1016 cm-3。
5.根据权利要求1所述的双峰值异质结紫外探测器，其特征在于，所述β-Ga2O3外延功能层(4)的厚度为400-600nm，材料包括N型β-Ga2O3，掺杂浓度为1×1017 cm-3。
6.根据权利要求1所述的双峰值异质结紫外探测器，其特征在于，所述第一界面缓冲层(5)的材料为Ga2O3，厚度为2-10nm。
7.根据权利要求1所述的双峰值异质结紫外探测器，其特征在于，所述第二界面缓冲层(6)的材料为SiO2，厚度为2-10nm。
8.根据权利要求1所述的双峰值异质结紫外探测器，其特征在于，所述透明电极(7)的材料包括FTO，厚度为10~15nm。
9.一种双峰值异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在4H-SiC衬底层(2)表面生长4H-SiC外延层(3)；
S2、在所述4H-SiC衬底层(2)背面生长镜面反射层(1)；
S3、在所述4H-SiC外延层(3)的一部分表面生长β-Ga2O3外延功能层(4)；
S4、对所述β-Ga2O3外延功能层(4)和所述4H-SiC外延层(3)进行预处理，在所述β-Ga2O3外延功能层(4)表面氧化形成第一界面缓冲层(5)，在所述4H-SiC外延层(3)表面氧化形成第二界面缓冲层(6)，且使得所述第二界面缓冲层(6)的侧面与所述β-Ga2O3外延功能层(4)的侧面相接触；
S5、在所述第一界面缓冲层(5)和所述第二界面缓冲层(6)上制备透明电极(7)，使得位于第二界面缓冲层(6)上的所述透明电极(7)的侧面与所述β-Ga2O3外延功能层(4)的侧面相接触。
10.根据权利要求9所述的双峰值异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于，对所述β-Ga2O3外延功能层(4)和所述4H-SiC外延层(3)进行预处理，包括：
利用氧的等离子体方法对所述β-Ga2O3外延功能层(4)和所述4H-SiC外延层(3)进行预处理。
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