CN114709273B - 一种异质结紫外场效应光电晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异质结紫外场效应光电晶体管及制备方法，光电晶体管包括镜面反射层、4H‑SiC衬底层、4H‑SiC外延层、β‑Ga2O3外延功能层、欧姆接触电极、复合减反层、蛾眼减反阵列结构、栅氧层和透明栅电极，镜面反射层、4H‑SiC衬底层、4H‑SiC外延层和β‑Ga2O3外延功能层依次层叠；欧姆接触电极、复合减反层、栅氧层均位于β‑Ga2O3外延功能层上，欧姆接触电极位于β‑Ga2O3外延功能层的两端，栅氧层位于β‑Ga2O3外延功能层的中间位置，复合减反层位于欧姆接触电极和栅氧层之间；蛾眼减反阵列结构分布在复合减反层上；透明栅电极位于栅氧层上。该光电晶体管结合蛾眼减反阵列结构、复合减反层以及透明栅电极结构，可以最大程度的利用光，提高器件的光学利用率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件技术领域，具体涉及一种异质结紫外场效应光电晶体管及制备方法。
背景技术
光电探测器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件，可用于光探测工作、光控开关及图像传感器等。场效应晶体管结构的光电探测器，具有很好的光响应特性和电学特性，是一种新颖、潜力巨大的光电探测器件。
目前，氧化镓基紫外探测器和碳化硅基紫外探测器因其卓越的探测能力备受关注，二者在日盲波段均有响应峰值，且两者都是优秀的耐高温材料。为提升紫外探测器的性能，通常采用改变器件设计结构的方法，例如改变器件的物理尺寸、不同区域尺寸、外延参数等，或者采用光学结构设计，利用平面的减反薄膜实现减反增透、增加光学利用的效果。
然而，受制于目前器件的制备工艺限制，无法实现同时采用改变器件设计结构和光学结构设计的方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种异质结紫外场效应光电晶体管及制备方法。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异质结紫外场效应光电晶体管，包括：镜面反射层、4H-SiC衬底层、4H-SiC外延层、β-Ga2O3外延功能层、欧姆接触电极、复合减反层、蛾眼减反阵列结构、栅氧层和透明栅电极，其中，
所述镜面反射层、所述4H-SiC衬底层、所述4H-SiC外延层和所述β-Ga2O3外延功能层依次层叠；
所述欧姆接触电极、所述复合减反层、所述栅氧层均位于所述β-Ga2O3外延功能层上，且所述欧姆接触电极位于所述β-Ga2O3外延功能层的两端，所述栅氧层位于所述β-Ga2O3外延功能层的中间位置，所述复合减反层位于所述欧姆接触电极和所述栅氧层之间；
所述蛾眼减反阵列结构分布在所述复合减反层上；
所述透明栅电极位于所述栅氧层上。
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；
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；
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；
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；
所述栅氧层的材料包括HfO2，厚度为8-12nm；
所述透明栅电极的厚度小于为8-12nm。
在本发明的一个实施例中，所述复合减反层包括至少两层减反层，所述至少两层减反层层叠设置。
在本发明的一个实施例中，每层所述减反层的材料包括五氧化二钽、二氧化硅、二氧化钛或氧化锌，每层所述减反层的厚度为1-2nm。
在本发明的一个实施例中，所述复合减反层包括第一减反层和第二减反层，其中，
第一减反层位于所述β-Ga2O3外延功能层和所述第二减反层之间；
所述第一减反层的材料包括五氧化二钽，所述第二减反层的材料包括二氧化硅。
在本发明的一个实施例中，所述蛾眼减反阵列结构包括若干阵列分布的圆锥体。
在本发明的一个实施例中，还包括缓冲层，所述缓冲层位于所述4H-SiC外延层和所述β-Ga2O3外延功能层之间。
本发明的另一个实施例提供了一种异质结紫外场效应光电晶体管的制备方法，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外延层的表面生长β-Ga2O3外延功能层；
S4、在所述β-Ga2O3外延功能层的表面两端生长欧姆接触金属，形成欧姆接触电极；
S5、在所述β-Ga2O3外延功能层的表面制备复合减反层，使得所述复合减反层位于所述欧姆接触电极的内侧；
S6、制备蛾眼减反阵列结构，并将其转移到所述复合减反层上；
S7、在所述β-Ga2O3外延功能层的表面制备栅氧层，使得所述栅氧层位于所述复合减反层之间；
S8、在所述栅氧层上制备透明栅电极。
在本发明的一个实施例中，步骤S1和步骤S2之间还包括步骤：
对所述4H-SiC外延层进行氧的等离子体方法预处理，形成缓冲层。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的异质结紫外场效应光电晶体管结合蛾眼减反阵列结构、复合减反层以及透明栅电极结构，可以最大程度的利用光，提高器件的光学利用率，同时氧化镓和碳化硅双功能层提升了探测器的高响应宽度，提升了器件的探测性能。
2、本发明的异质结紫外场效应光电晶体管中采用的材料均为耐高温材料，使得器件受制备过程中的高温工艺的影响较小，从而得到性能优良的器件，同时使得器件可应用于高温环境，提高器件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种异质结紫外场效应光电晶体管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种异质结紫外场效应光电晶体管的结示意图；
图3为本发明实施例提供的一种异质结紫外场效应光电晶体管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异质结紫外场效应光电晶体管的结构示意图。
该紫外场效应光电晶体管包括：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、欧姆接触电极5、复合减反层6、蛾眼减反阵列结构7、栅氧层8和透明栅电极9。其中，镜面反射层1、4H-SiC衬底层2、4H-SiC外延层3和β-Ga2O3外延功能层4依次层叠。欧姆接触电极5、复合减反层6、栅氧层8均位于β-Ga2O3外延功能层4上，且欧姆接触电极5位于β-Ga2O3外延功能层4的两端，栅氧层8位于β-Ga2O3外延功能层4的中间位置，复合减反层6位于欧姆接触电极5和栅氧层8之间。蛾眼减反阵列结构7分布在复合减反层6上。透明栅电极9位于栅氧层8上。
可以理解的是，在β-Ga2O3外延功能层4的表面上，欧姆接触电极5、复合减反层6、栅氧层8由外侧至中心依次设置，即栅氧层8位于β-Ga2O3外延功能层4的中间位置；复合减反层位于β-Ga2O3外延功能层4位于栅氧层8的两端，其端部侧面与栅氧层8的侧面相接触；欧姆接触电极5位于复合减反层6的端部，其侧面与复合减反层6的侧面相接触。
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为紫外探测功能层，其厚度为400-600nm，材料包括N型β-Ga2O3，掺杂浓度为1×1017 cm-3。栅氧层8的材料包括HfO2，厚度为8-12nm。透明栅电极9的厚度为8-12nm，本实施例不对透明栅电极的材料做进一步限制，现有的可实现透明电极的材料均可应用于本实施例。
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。
在一个具体实施例中，复合减反层6包括至少两层减反层，至少两层减反层层叠设置。
具体的，每层减反层的材料包括五氧化二钽、二氧化硅、二氧化钛或氧化锌。每层减反层的厚度为1-2nm。
优选的，复合减反层6包括第一减反层和第二减反层，第一减反层和第二减反层层叠设置，第一减反层位于β-Ga2O3外延功能层4和第二减反层之间。第一层减反层的材料可以为五氧化二钽Ta2O5，厚度为1.5nm；第二层减反层的材料可以为二氧化硅SiO2，厚度为1.5nm。
在一个具体实施例中，蛾眼减反阵列结构7包括若干阵列分布的圆锥体。
具体的，蛾眼减反阵列结构7采用类蛾眼微纳结构，该类蛾眼微纳结构的特征尺寸小于可见光波长，等效于一个折射率连续变化的介质层，能有效地在可见光的波谱范围内抑制反射光的损失。该类蛾眼微纳结构为阵列排布的圆锥体。优选的，圆锥体底部直径小于二分之一的入射光波长，此时减反效果较好。
具体的，每个蛾眼的直径小于1μm，且相邻两个蛾眼之间的间距也小于1μm，例如，蛾眼直径为200 nm，相邻两个蛾眼之间的间距为150nm，或者，蛾眼直径为500 nm，相邻两个蛾眼之间的间距为300nm。
本实施例不对蛾眼减反阵列结构的排列周期和排列形状做进一步限制。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种异质结紫外场效应光电晶体管的结示意图，该紫外场效应光电晶体管还包括镜面反射层1、4H-SiC衬底层2、4H-SiC外延层3、β-Ga2O3外延功能层4、欧姆接触电极5、复合减反层6、蛾眼减反阵列结构7、栅氧层8、透明栅电极9、缓冲层10。其中，缓冲层10位于4H-SiC外延层3和β-Ga2O3外延功能层4之间。具体的，缓冲层10的材料包括高质量二氧化硅，厚度为1-3nm，例如2nm。
其余各层材料的参数请参见上述描述，此处不再赘述。
本实施例的异质结紫外场效应光电晶体管结合蛾眼减反阵列结构、复合减反层以及透明栅电极结构，可以最大程度的利用光，提高器件的光学利用率，同时氧化镓和碳化硅双功能层提升了探测器的高响应宽度，提升了器件的探测性能。
本实施例的异质结紫外场效应光电晶体管中采用的材料均为耐高温材料，使得器件受制备过程中的高温工艺的影响较小，从而得到性能优良的器件，同时使得器件可应用于高温环境，提高器件的使用寿命。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种异质结紫外场效应光电晶体管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1×1017cm-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，提升了场效应光电晶体管的性能。
S4、在β-Ga2O3外延功能层4的表面两端生长欧姆接触金属，形成欧姆接触电极5。
具体的，利用标准光刻工艺和磁控溅射工艺生长欧姆接触金属，形成欧姆接触电极5。
S5、在β-Ga2O3外延功能层4的表面制备复合减反层6，使得复合减反层6位于欧姆接触电极5的内侧。
具体的，利用离子束辅助溅射沉积工艺在β-Ga2O3外延功能层4的表面制备复合减反层6。在一个具体实施例中，所制备的复合减反层6由五氧化二钽Ta2O5减反层和二氧化硅SiO2减反层依次复合叠层形成。
S6、制备蛾眼减反阵列结构7，并将其转移到复合减反层6上。
具体的，使用纳米压印、电感耦合等离子体（Inductive Coupled PlasmaEmission Spectrometer，ICP）刻蚀和转印法制备蛾眼减反阵列结构7，并使用模板将蛾眼减反阵列结构7转印到复合减反层6上。
S7、在β-Ga2O3外延功能层4的表面制备栅氧层8，使得栅氧层8位于复合减反层6之间。
具体的，利用标准光刻工艺和等离子体增强原子层沉积（Plasma EnhancedAtomic Layer Deposition，PEALD）工艺在β-Ga2O3外延功能层4的表面生长10nm左右的HfO2，得到透明栅氧层8。
S8、在栅氧层8上制备透明栅电极9。
具体的，利用标准光刻工艺和磁控溅射工艺在栅氧层8上生长10nm的栅电极材料，形成透明栅电极9。
在一个具体实施例中，步骤S1和步骤S2之间还包括步骤：对4H-SiC外延层3进行氧的等离子体方法预处理，形成缓冲层。
具体的，采用氧的等离子体方法预处理时长功率为50W，处理时间为30min，从而在4H-SiC外延层3的表面形成高质量的SiO2缓冲层10。
本实施例中，对高质量的N-型4H-SiC外延层3进行预处理，可以进一步提高N-型4H-SiC外延层3的质量，进而进一步提高β-Ga2O3功能层4的质量，从而提高场效应光电晶体管的质量。
本实施例制备方法制备的异质结紫外场效应光电晶体管结合蛾眼减反阵列结构、复合减反层以及透明栅电极结构，可以最大程度的利用光，提高器件的光学利用率，同时氧化镓和碳化硅双功能层提升了探测器的高响应宽度，提升了器件的探测性能。
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 (5)
1.一种异质结紫外场效应光电晶体管，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)、欧姆接触电极(5)、复合减反层(6)、蛾眼减反阵列结构(7)、栅氧层(8)、透明栅电极(9)和缓冲层(10)，其中，
所述镜面反射层(1)、所述4H-SiC衬底层(2)、所述4H-SiC外延层(3)和所述β-Ga2O3外延功能层(4)依次层叠，所述4H-SiC外延层(3)的材料包括N-SiC，所述β-Ga2O3外延功能层(4)的材料包括N型β-Ga2O3；所述4H-SiC外延层(3)和所述β-Ga2O3外延功能层(4)之间形成n-n异质结，所述缓冲层(10)位于所述4H-SiC外延层(3)和所述β-Ga2O3外延功能层(4)之间；所述缓冲层(10)为对4H-SiC外延层(3)进行氧的等离子体方法预处理形成的SiO2缓冲层；
所述欧姆接触电极(5)、所述复合减反层(6)、所述栅氧层(8)均位于所述β-Ga2O3外延功能层(4)上，且所述欧姆接触电极(5)位于所述β-Ga2O3外延功能层(4)的两端，所述栅氧层(8)位于所述β-Ga2O3外延功能层(4)的中间位置，所述复合减反层(6)位于所述欧姆接触电极(5)和所述栅氧层(8)之间；所述复合减反层(6)包括至少两层减反层，所述至少两层减反层层叠设置，每层所述减反层的材料包括五氧化二钽、二氧化硅、二氧化钛或氧化锌；
所述蛾眼减反阵列结构(7)分布在所述复合减反层(6)上，且所述蛾眼减反阵列结构(7)采用类蛾眼微纳结构，所述蛾眼减反阵列结构(7)包括若干阵列分布的圆锥体；
所述透明栅电极(9)位于所述栅氧层(8)上。
2.根据权利要求1所述的异质结紫外场效应光电晶体管，其特征在于，
所述镜面反射层(1)的材料包括银，厚度为150-250nm；
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；
所述4H-SiC外延层(3)的厚度为6-14μm，掺杂元素包括氮离子，掺杂浓度为2 × 1016 cm-3；
所述β-Ga2O3外延功能层(4)的厚度为400-600nm，掺杂浓度为1×1017 cm-3；
所述栅氧层(8)的材料包括HfO2，厚度为8-12nm；
所述透明栅电极(9)的厚度为8-12nm。
3.根据权利要求1所述的异质结紫外场效应光电晶体管，其特征在于，每层所述减反层的厚度为1-2nm。
4.根据权利要求1所述的异质结紫外场效应光电晶体管，其特征在于，所述复合减反层(6)包括第一减反层和第二减反层，其中，
第一减反层位于所述β-Ga2O3外延功能层(4)和所述第二减反层之间；
所述第一减反层的材料包括五氧化二钽，所述第二减反层的材料包括二氧化硅。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种异质结紫外场效应光电晶体管的制备方法，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)；对所述4H-SiC外延层(3)进行氧的等离子体方法预处理，形成缓冲层(10)；
S2、在所述4H-SiC衬底层(2)背面生长镜面反射层(1)；
S3、在所述缓冲层(10)的表面生长β-Ga2O3外延功能层(4)，所述4H-SiC外延层(3)和所述β-Ga2O3外延功能层(4)之间形成n-n异质结；
S4、在所述β-Ga2O3外延功能层(4)的表面两端生长欧姆接触金属，形成欧姆接触电极(5)；
S5、在所述β-Ga2O3外延功能层(4)的表面制备复合减反层(6)，使得所述复合减反层(6)位于所述欧姆接触电极(5)的内侧；所述复合减反层(6)包括至少两层减反层，所述至少两层减反层层叠设置；
S6、制备蛾眼减反阵列结构(7)，并将其转移到所述复合减反层(6)上；
S7、在所述β-Ga2O3外延功能层(4)的表面制备栅氧层(8)，使得所述栅氧层(8)位于所述复合减反层(6)之间；
S8、在所述栅氧层(8)上制备透明栅电极(9)。
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