CN114744059B - 基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器，包括：衬底(10)，为β相氧化镓，其(001)晶面上形成多个探测单元，探测单元成阵列布置；其中，每个探测单元包括：第一隔离层(11)，形成于衬底(10)中，其上表面与衬底(10)的表面持平；欧姆接触电极(13)、肖特基接触电极(14)，至少部分位于衬底(10)的表面上、至少部分位于第一隔离层(11)的表面上，且欧姆接触电极(13)与肖特基接触电极(14)之间形成光吸收区域。本公开还提供一种基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的制备方法。本公开的日盲偏振探测器可实现大面积探测，光电探测性能更优。
Description
技术领域
本公开涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步发展，各波段的电磁波在通讯、探测、成像、微电子等领域均得到了非常广泛的应用，其中波长小于280nm的紫外电磁波由于太阳光在穿过大气层的过程中会被臭氧层完全吸收使得地面附近几乎探测不到这一波段的电磁信号而被称作日盲紫外。因此利用日盲波段的电磁波对特定事物进行检测，不会收到太阳光的干扰，背底噪声微弱，在传感、通信、导弹预警系统等有着非常广泛的应用。
近年来，以氧化镓(Ga2O3)、金刚石为代表的超宽带隙半导体被视为第四代半导体收到了广泛研究，在深紫外波段的光电子器件及大功率器件显示出了越来越重要的先导作用，是新一代半导体技术产业发展的关键和基础。Ga2O3具有4.7～4.9eV的超宽禁带宽度，刚好对应了日盲紫外波段，是制作日盲紫外探测器的理想材料。同时Ga2O3具有单斜的晶体结构，在面内具有很强的各向异性，对不同偏振方向的光吸收有着一定差异，可以利用这一点实现对日盲波段紫外光直接的偏振探测。目前传统商用的偏振探测器鲜有对日盲紫外波段的探测，同时均需通过一些复杂结构如在探测器前插入偏振滤光片等，才可间接的进行偏振探测。通过利用各向异性晶体结构实现直接的偏振探测，为偏振探测器实现小型化、轻量化、智能化提供了一条有效的路径。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本公开提供了一种基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器及其制备方法，用于至少部分解决传统探测器难以实现对日盲紫外直接偏振探测、大范围探测等技术问题。
(二)技术方案
本公开一方面提供了一种基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器，包括：衬底，为β相氧化镓，其晶面上形成多个探测单元，探测单元成阵列布置；其中，每个探测单元包括：第一隔离层，形成于衬底中，其上表面与衬底的表面持平；欧姆接触电极、肖特基接触电极，至少部分位于衬底的表面上、至少部分位于第一隔离层的表面上，且欧姆接触电极与肖特基接触电极之间形成光吸收区域。
进一步地，欧姆接触电极的引线在第一方向上延伸，肖特基接触电极的引线在第二方向上延伸，第一方向与第二方向存在交叉，在欧姆接触电极与肖特基接触电极的交叉节点处设有第二隔离层使两者隔离。
进一步地，第一方向与第二方向垂直。
进一步地，第二隔离层的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2中的一种，厚度为30～100nm。
进一步地，探测单元的长为50～500μm，宽为50～500μm。
进一步地，第一隔离层的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2中的一种，厚度为100～1000nm。
进一步地，欧姆接触电极的材料包括Ti/Au、Ag、Cr/Au、石墨烯中的一种，厚度为20～100nm。
进一步地，肖特基接触电极的材料包括Au、Pd/Au、Pt/Ti/Au中的一种，厚度为50～200nm。
本公开另一方面提供了一种根据前述基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的制备方法，包括：S1，刻蚀衬底，在其晶面上形成凹槽阵列；其中，衬底为β相氧化镓；S2，在衬底表面沉积第一隔离层，刻蚀第一隔离层使其上表面与衬底的表面持平；S3，沉积制备欧姆接触电极，其至少部分位于衬底的表面上、至少部分位于第一隔离层的表面上；S4，沉积制备肖特基接触电极，其至少部分位于衬底的表面上、至少部分位于第一隔离层的表面上；且欧姆接触电极与肖特基接触电极之间形成光吸收区域；其中，步骤S3与步骤S4可互换。
进一步地，S4之前还包括：沉积第二隔离层，第二隔离层设于欧姆接触电极与肖特基接触电极引线延伸的交叉节点处。
(三)有益效果
本公开提供的基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器及其制备方法，通过在β相氧化镓的(001)晶面上形成多个探测单元，探测单元成阵列布置，欧姆接触电极与肖特基接触电极之间形成光吸收区域，可以实现偏振光的直接探测，并能实现大面积的日盲紫外探测；同时，基于氧化镓的肖特基光电二极管结构的探测器极大的抑制了暗电流，具有更好的光电探测性能。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例中基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例中基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的截面结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例中基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器交叉节点处的截面结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例中基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的制备方法的流程图；
图5示意性示出了根据本公开实施例中基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的制备方法中的结构示意变化图；
图6示意性示出了根据本公开实施例中氧化镓单晶的角分辨拉曼测试的结果图；
图7示意性示出了根据本公开实施例中氧化镓偏振探测器在254nm偏振光入射时的偏振光探测性能的结果图；
附图标记说明：
10、衬底；11、第一隔离层；12、第二隔离层；13、欧姆接触电极；14、肖特基接触电极。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本公开的实施例提供了一种基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器，请参见图1，包括：衬底10，为β相氧化镓，其001晶面上形成多个探测单元，探测单元成阵列布置；其中，每个探测单元包括：第一隔离层11，形成于衬底10中，其上表面与衬底10的表面持平；欧姆接触电极13、肖特基接触电极14，至少部分位于衬底10的表面上、至少部分位于第一隔离层11的表面上，且欧姆接触电极13与肖特基接触电极14之间形成光吸收区域。
本公开采用氧化镓单晶衬底，其表面包括(001)晶面、(010)晶面、(100)晶面、(-201)晶面，本公开中特别选用了(001)晶面，是因为该晶面下，晶体结构具有更强的各向异性，对不同方向偏振光的响应差异更大。利用氧化镓高度各向异性的晶体结构为实现偏振光的直接探测提拱了有利的理论基础，本公开使用了水平结构的二极管构型，对实现大面积日盲偏振探测提出了具体的解决办法。且氧化镓单晶衬底还具有结构稳定，适合大尺寸制备，与硅基工艺兼容的优点。
氧化镓衬底上形成有多个周期性排布的阵列结构，图2示意性示出了日盲偏振探测器的截面结构示意图，欧姆接触电极13、肖特基接触电极14依次交替设置于衬底10、第一隔离层11的表面上，欧姆接触电极13、肖特基接触电极14均部分与衬底10接触、部分与第一隔离层11接触，且，欧姆接触电极13与肖特基接触电极14之间隔离开来，在两者之间露出的衬底10部分形成光吸收区域，保证了光敏面暴露不受阻挡，可以实现偏振光的直接探测。另一方面，基于氧化镓的肖特基光电二极管结构的探测器极大的抑制了暗电流，具有更好的光电探测性能。
其工作原理为：紫外光照射在光吸收区域上，裸露出的衬底10材料价带上的电子吸收日盲波段电磁波的能量跃迁至导带形成光生载流子，使得载流子浓度增加，增强了导电性即在两端电极的电压作用下电流增大，从而实现光电探测。而当偏振光入射时，由于氧化镓各向异性的晶体结构其对不同方向的偏振光的吸收率不同，进而产生的光生载流子的浓度也不同，表现为探测器对不同方向的偏振光的产生的电流增量具有差异，利用这个差异即可实现对日盲偏振光的探测。
在上述实施例的基础上，欧姆接触电极13的引线在第一方向上延伸，肖特基接触电极14的引线在第二方向上延伸，第一方向与第二方向存在交叉，在欧姆接触电极13与肖特基接触电极14的交叉节点处设有第二隔离层12使两者隔离。
为了实现大面积、多像素、高精度的日盲偏振探测，将多个探测单元以每行共输入每列共输出的形式制作为阵列结构，具体地，在第一方向上的欧姆接触电极13相连接，在第二方向上的肖特基接触电极14相连接，由于结构的设置，欧姆接触电极13的引线可能与肖特基接触电极14的引线存在交叉，如图3所示，则在两电极节点处设置第二隔离层12使两者隔离，第二隔离层12为绝缘体氧化物隔离层。
在上述实施例的基础上，第一方向与第二方向垂直。
欧姆接触电极13的引线的延伸方向与肖特基接触电极14的延伸方向相互垂直，以实现每行共输入每列共输出，使每个单元能够相对独立的探测及后续数据处理。
在上述实施例的基础上，第二隔离层12的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2中的一种，厚度为30～100nm。
第二隔离层12用于隔离欧姆接触电极13与肖特基接触电极14的引线，第二隔离层12的材料并不限定于以上三种，只要具备高绝缘性、不吸收日盲紫外波段电磁波性能的介质材料都可适用于本公开的日盲偏振探测器中。第二隔离层12的厚度不宜过厚，若过厚工艺制备难度会增加、成本也会增加。
在上述实施例的基础上，探测单元的长为50～500μm，宽为50～500μm。
探测单元的尺寸需与衬底10的尺寸相适应，以保证在相同面积的衬底10上能够制作尽量多的单元数量，同时又有着较好的响应度和偏振探测效果。
在上述实施例的基础上，第一隔离层11的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2中的一种，厚度为100～1000nm。
第一隔离层11的材料与第二隔离层12的材料可以相同也可以不同，第一隔离层11的厚度要尽可能大是为了尽可能的隔绝每个单元器件之间的影响。
在上述实施例的基础上，欧姆接触电极13的材料包括Ti/Au、Ag、Cr/Au、石墨烯中的一种，厚度为20～100nm。
欧姆接触电极13的材料为常见欧姆接触电极材料，不限于以上四种，其它可与氧化镓衬底形成良好欧姆接触的材料也可适用于本公开的方案中。
在上述实施例的基础上，肖特基接触电极14的材料包括Au、Pd/Au、Ni/Au、Pt/Ti/Au中的一种，厚度为50～200nm。
肖特基接触电极14的材料为常见肖特基接触电极材料，也不限于以上四种，其它可与氧化镓衬底形成良好肖特基接触的材料也可适用于本公开的方案中。
本公开还提供了一种根据前述基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的制备方法，请参见图4，包括：S1，刻蚀衬底10，在其001晶面上形成凹槽阵列；其中，衬底10为β相氧化镓；S2，在衬底10表面沉积第一隔离层11，刻蚀第一隔离层11使其上表面与衬底10的表面持平；S3，沉积制备欧姆接触电极13，其至少部分位于衬底10的表面上、至少部分位于第一隔离层11的表面上；S4，沉积制备肖特基接触电极14，其至少部分位于衬底10的表面上、至少部分位于第一隔离层11的表面上；且欧姆接触电极13与肖特基接触电极14之间形成光吸收区域；其中，步骤S3与步骤S4可互换。
本公开中日盲偏振探测器的制备流程示意图如图5所示，S1，使用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀氧化镓衬底10，形成凹槽阵列，如图5(a)所示；S2，使用原子层沉积的方法在氧化镓衬底10的表面沉积第一隔离层11，材料例如为Al2O3，如图5(b)所示；使用光刻及等离子体刻蚀刻蚀位于衬底10表面之上的第一隔离层11，暴露感光区，如图5(c)所示；S3，使用光刻以及电子束蒸发沉积Ti/Au合金，制作欧姆接触电极13，如图5(d)所示，并进行快速热退火，提高接触质量；S4，使用光刻以及电子束蒸发沉积Ni/Au合金，制作肖特基接触电极14，如图5(e)所示；其中，步骤S3与步骤S4可互换，即也可以先制作肖特基接触电极14再制作欧姆接触电极13。
在上述实施例的基础上，S4之前还包括：沉积第二隔离层12，第二隔离层12设于欧姆接触电极13与肖特基接触电极14引线延伸的交叉节点处。
在欧姆接触电极13与肖特基接触电极14引线延伸的交叉节点处使用原子层沉积第二隔离层12，材料例如为Al2O3，再使用光刻及等离子体刻蚀刻蚀第二隔离层12，在两电极节点处形成隔离。
本公开采用氧化镓单晶衬底，通过两次隔离层及两种金属电极的沉积，提供了一种肖特基光电二极管结构的基于氧化镓单晶的大面积日盲偏振探测器阵列及其制备方法，实现了直接的偏振探测，为偏振探测器实现小型化、轻量化、智能化提供了一条有效的路径。
下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。在以下实施例中对上述基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器及其制备方法进行具体说明。但是，下述实施例仅用于对本公开进行例示，本公开的范围不限于此。
本实施例中基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器，其结构如图1所示，探测单元的长为200μm，宽为200μm；第一隔离层11的材料为SiO2，厚度为500nm；第二隔离层12的材料为Al2O3，厚度为50nm；欧姆接触电极13的材料为Ti/Au，厚度为80nm；肖特基接触电极14的材料为Pt/Ti/Au，厚度为150nm。
图6为本实施例中氧化镓单晶的角分辨拉曼测试，表示了氧化镓晶体的各向异性性能；图7为本实施例中的氧化镓偏振探测器在254nm偏振光入射时的偏振光探测性能，显示了氧化镓偏振探测器对不同方向偏振光响应的高选择性效果。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器，其特征在于，包括：
衬底(10)，为β相氧化镓，其(001)晶面上形成多个探测单元，所述探测单元成阵列布置；其中，每个探测单元包括：
第一隔离层(11)，形成于所述衬底(10)中，其上表面与所述衬底(10)的表面持平；
欧姆接触电极(13)、肖特基接触电极(14)，至少部分位于所述衬底(10)的表面上、至少部分位于所述第一隔离层(11)的表面上，且所述欧姆接触电极(13)与肖特基接触电极(14)之间形成光吸收区域；所述欧姆接触电极(13)的引线在第一方向上延伸，所述肖特基接触电极(14)的引线在第二方向上延伸，所述第一方向与所述第二方向存在交叉，在所述欧姆接触电极(13)与所述肖特基接触电极(14)的交叉节点处设有第二隔离层(12)使两者隔离；
其中，所述探测单元的长为50～500μm，宽为50～500μm；所述第一隔离层(11)的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2中的一种，厚度为100～1000nm；所述欧姆接触电极(13)的材料包括Ti/Au、Ag、Cr/Au、石墨烯中的一种，厚度为20～100nm；所述肖特基接触电极(14)的材料包括Au、Pd/Au、Pt/Ti/Au中的一种，厚度为50～200nm。
2.根据权利要求1所述的基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直。
3.根据权利要求1所述的基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器，其特征在于，所述第二隔离层(12)的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2中的一种，厚度为30～100nm。
4.一种根据权利要求1～3中任意一项所述的基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的制备方法，其特征在于，包括：
S1，刻蚀衬底(10)，在其(001)晶面上形成凹槽阵列；其中，所述衬底(10)为β相氧化镓；
S2，在所述衬底(10)表面沉积第一隔离层(11)，刻蚀所述第一隔离层(11)使其上表面与所述衬底(10)的表面持平；
S3，沉积制备欧姆接触电极(13)，其至少部分位于所述衬底(10)的表面上、至少部分位于所述第一隔离层(11)的表面上；
S4，沉积制备所述肖特基接触电极(14)，其至少部分位于所述衬底(10)的表面上、至少部分位于所述第一隔离层(11)的表面上；且所述欧姆接触电极(13)与肖特基接触电极(14)之间形成光吸收区域；
其中，所述步骤S3与所述步骤S4可互换。
5.根据权利要求4所述的基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器的制备方法，其特征在于，所述S4之前还包括：
沉积第二隔离层(12)，所述第二隔离层(12)设于所述欧姆接触电极(13)与肖特基接触电极(14)引线延伸的交叉节点处。
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