CN115732592A - 一种氧化镓光电探测器 - Google Patents

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刘宁涛
张文瑞
叶继春
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Abstract

本发明公开了一种氧化镓光电探测器。所述氧化镓光电探测器包括：第一电极层；至少一铁电层，设置在所述第一电极层上的选定区域，且与所述第一电极层电连接；氧化镓层，设置在所述第一电极层和铁电层上；第二电极层和第三电极层，间隔设置在所述氧化镓层上；所述铁电层自发极化形成的局域场能够改变覆设在铁电层上的氧化镓层的导电类型，从而在所述氧化镓层内形成同质结结构。本发明提供的氧化镓光电探测器通过在器件内部引入铁电层，利用铁电材料自发极化形成的局域场调控覆设在其上的氧化镓薄膜的能带结构，从而构建基于氧化镓薄膜的同质PN或NPN或PNP结，实现了光子捕获与载流子输运效率的同时提升。

Description

一种氧化镓光电探测器
技术领域
本发明特别涉及一种氧化镓光电探测器，属于半导体器件技术领域。
背景技术
日盲紫外光电探测器主要探测200-280nm波长的紫外线，其具有高灵敏度、保密性强、低背景干扰、虚警率低等特点，在国防和民用领域有着广泛的应用前景。目前氧化镓(Ga2O3)是一种新兴的超宽带隙半导体材料(～4.9eV)，其可以实现整个日盲区内带隙连续可调，是天然日盲探测器材料，因此是目前国际上研发新一代日盲紫外光电探测器的重点前沿方向。目前基于氧化镓材料的光电探测器中，金属-半导体-金属(MSM)结构的探测器无疑是最简单的，其具有成本低的优势，但其光暗电流比，开关速度等指标仍有待提高。典型的硅基PN/PIN型探测器由于其自身的整流特性，反向工作时一般具有低的暗电流，大光暗电流比，以及较快的响应速度，因此受到了人们广泛而深入的研究。
目前，关于掺杂β-Ga2O3的研究已取得了显著进展，研究者通过Si、Sn等元素的掺杂可以实现电子浓度从1016-1019cm-3甚至更高的范围内变化，但关于P型掺杂氧化镓的研究却鲜有报道。目前为了构建PN型氧化镓日盲探测器，P型氧化镓主要用其他半导体材料来代替(如SiC、GaN、Si及NiO等)。然而，这种异质结构存在一定的局限性，如晶格失配引起的缺陷和界面态，导带不匹配引起的载流子阻挡，以及异质材料引起的长波响应等。综上，氧化镓探测器研究的主要难点在于同质PN结的设计与制备，其是高性能日盲紫外探测器发展的重要瓶颈，严重制约着探测器光电性能进一步地优化与提升。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种氧化镓光电探测器，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明提供了一种氧化镓光电探测器，包括：
第一电极层；
至少一铁电层，设置在所述第一电极层上的选定区域，且与所述第一电极层电连接；
氧化镓层，设置在所述第一电极层和铁电层上；
第二电极层和第三电极层，间隔设置在所述氧化镓层上；
其中，所述铁电层自发极化形成的局域场能够改变覆设在铁电层上的氧化镓层的导电类型，从而在所述氧化镓层内形成同质结结构。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明提供的氧化镓光电探测器通过设计全新的器件结构，在器件内部引入铁电层，可以有效避免铁电层直接吸收日盲紫外线的弊端，进而借助铁电材料自发极化形成的局域场调控覆设在其上的氧化镓薄膜的能带结构，构建基于氧化镓薄膜的同质PN或NPN或PNP结，进而实现更高响应度和灵敏度日盲紫外光电探测器的设计和制备；
2)本发明提供的氧化镓光电探测器通过在第一电极层施加外部电场来调控铁电材料的极化方向，进而实现氧化镓同质PN结内建电场的构建及反转，这为氧化镓PN结的构建与调制提供了新的思路。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的一种氧化镓日盲紫外光电探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例2中提供的一种氧化镓日盲紫外光电探测器的结构示意图；
图3是本发明实施例3中提供的一种氧化镓日盲紫外光电探测器的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
氧化镓光电探测器氧化镓探测器设计与制备难点主要在于同质PN、NPN、PNP结的设计与制备，其是高性能日盲紫外探测器发展的重要瓶颈，严重制约着探测器光电性能进一步地优化与提升。本发明提供了一种氧化镓光电探测器，通过引入铁电材料，实现了氧化镓构建同质PN/NPN/PNP结的构建，提高了探测器光生载流子的分离效率，提高了增益；以及，本发明提供了一种氧化镓光电探测器中的铁电层置于氧化镓层之下，可以有效扩大吸光区域的面积，提高光生载流子的数量，增大器件的光电流。
本发明提供了一种氧化镓光电探测器，图案化铁电层设置在第一电极层之上，可以通过改变外部电场方向调控铁电层的极化方向，进而实现氧化镓PN/NPN/PNP结的内建电场的构建及其方向调制。
本发明提供了一种氧化镓光电探测器，包括：
第一电极层；
至少一铁电层，设置在所述第一电极层上的选定区域，且与所述第一电极层电连接；
氧化镓层，设置在所述第一电极层和铁电层上；
第二电极层和第三电极层，间隔设置在所述氧化镓层上；
其中，所述铁电层自发极化形成的局域场能够改变覆设在铁电层上的氧化镓层的导电类型，从而在所述氧化镓层内形成同质结结构。
在一较为典型的实施方案中，所述第一电极层的第一表面具有沿选定方向依次设置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、第三区域分别为第二电极层、第三电极层的正投影区域，至少所述铁电层的部分设置在所述第一区域，且所述铁电层的一侧沿选定方向延伸至第一电极层的边缘并与所述第一电极层、氧化镓层的周向侧面齐平，
其中，设置在所述铁电层上的氧化镓层为第一导电类型，设置在所述第一电极层上的氧化镓层为第二导电类型，所述选定方向为自第二电极层指向第三电极层的方向或第三电极层指向第二电极层的方向。
进一步的，所述铁电层的部分还设置在第二区域。
在一较为典型的实施方案中，所述第一电极层的第一表面具有沿选定方向依次设置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、第三区域分别为第二电极层、第三电极层的正投影区域，所述铁电层的全部设置在所述第二区域，其中，设置在所述铁电层上的氧化镓层为第一导电类型，设置在所述第一电极层上的氧化镓层为第二导电类型，所述选定方向为自第二电极层指向第三电极层的方向或第三电极层指向第二电极层的方向。
在一较为典型的实施方案中，所述的氧化镓光电探测器包括彼此间隔设置的两个铁电层，所述第一电极层的第一表面具有沿选定方向依次设置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、第三区域分别为第二电极层、第三电极层的正投影区域，每一所述铁电层的至少一部分对应设置在所述第一区域或第三区域，
其中，设置在所述铁电层上的氧化镓层为第一导电类型，设置在所述第一电极层上的氧化镓层为第二导电类型，所述选定方向为自第二电极层指向第三电极层的方向或第三电极层指向第二电极层的方向。
进一步的，所述第一导电类型和第二导电类型中的一者为P型，另一者为N型。
进一步的，所述第一电极层包括ITO层、LaNiO3层、La1-xSrxMnO3层、SrRuO3层、Al掺杂ZnO层中的至少一者或两者以上形成的叠层结构，但不限于此。
进一步的，所述第二电极层和第三电极层均为金属电极。
进一步的，所述金属电极的材质包括Ti、Al、Ni、Au、Mo中的任意一种金属或由两种以上的金属形成的合金，但不限于此。
进一步的，所述铁电层的材质包括Pb(Zr，Ti)O3、BaTiO3、(Bi，Na)TiO3、PVDF及其聚合物中的至少一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述铁电层的厚度为20-300nm，尤其优选为100-200nm。
进一步的，所述氧化镓层的材质包括非晶氧化镓、多晶氧化镓或单晶氧化镓，但不限于此。
进一步的，所述氧化镓层的材质包括β-Ga2O3，但不限于此。
进一步的，所述氧化镓层的厚度为0.5-2μm，尤其优选为1-1.5μm。
进一步的，所述的氧化镓光电探测器还包括衬底层，所述第一电极层层叠设置在所述衬底层上。
进一步的，所述衬底层包括Ga2O3单晶衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、石英衬底、单晶硅衬底中的任意一者，但不限于此。
进一步的，所述氧化镓光电探测器包括氧化镓日盲紫外探测器。
如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
请参阅图1，一种氧化镓日盲紫外光电探测器，包括衬底层10、第一电极层20、铁电层30、氧化镓层40、第二电极层50和第三电极层60，所述第一电极层20层叠设置在所述衬底层10上，所述铁电层30层叠设置在所述第一电极层20上，所述氧化镓层40层叠设置在所述第一电极层20和铁电层30上，所述第二电极层50和第三电极层60间隔设置在所述氧化镓层40上。
在本实施例中，所述铁电层30覆盖所述第一电极层20的一部分，所述氧化镓层40的一部分设置在所述第一电极层20上且覆盖所述第一电极层20的另一部分，所述氧化镓层40的另一部分设置在所述铁电层30上且将所述铁电层30完全覆盖所述铁电层30。
在本实施例中，所述铁电层30自发极化形成的局域场能够改变覆设在铁电层上的氧化镓层的导电类型，从而在所述氧化镓层内形成同质结结构，其中，所述铁电层30的极化方向是借助第一电极层施加的电场进行调控的。
在本实施例中，所述第一电极层20具有背对衬底层10的第一表面，所述第一电极层20的第一表面具有沿选定方向依次设置的第一区域21、第二区域22和第三区域23，所述第一区域21、第三区域23分别为第二电极层50、第三电极层60于第一表面上的正投影区域，所述铁电层30的一部分设置在所述第一区域21，且所述铁电层30具有沿选定方向相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧沿选定方向延伸至第一电极层20的边缘且与所述第一电极层20、氧化镓层40的周向侧面齐平，所述铁电层30的第二侧沿选定方向延伸至第二区域，所述氧化镓层40的一部分覆设在第一电极层未被铁电层覆盖的其余区域，另一部分覆设在所述铁电层30上，其中，设置在所述铁电层上的氧化镓层的导电类型为P型，设置在所述第一电极层上的氧化镓层的导电类型为N型，所述选定方向为自第二电极层指向第三电极层的方向或第三电极层指向第二电极层的方向。
应当理解的，所述第一区域、第二区域和第三区域仅是第一表面的第一部分，即所述第一区域、第二区域和第三区域的面积之和小于所述第一表面的面积。
在本实施例中，所述氧化镓日盲紫外光电探测器靠近第三电极层60的一侧侧面具有由衬底层10、第一电极层20、氧化镓层40层叠设置而形成的台阶结构。
在本实施例中，所述衬底层10可以是Ga2O3单晶衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、A1N衬底、石英衬底、单晶硅衬底等，所述第一电极层20又可称之为底电极层，所述第一电极层20可以是ITO层、LaNiO3层、Lal-xSrxMnO3层、SrRuO3层、Al掺杂ZnO层中的至少一者或两者以上形成的叠层结构。
在本实施例中，所述第二电极层50和第三电极层60均为金属电极。示例性的，所述金属电极的材质包括Ti、Al、Ni、Au、Mo中的任意一种金属或由两种以上的金属形成的合金等
在本实施例中，所述铁电层30为连续的结构，其材质可以是Pb(Zr，Ti)O3、BaTiO3、(Bi，Na)TiO3、PVDF(聚偏氟乙烯)及其聚合物中的至少一种或两种以上的组合等，所述铁电层的厚度为20-300nm，尤其优选为100-200nm。
在本实施例中，所述氧化镓层的材质包括非晶氧化镓、多晶氧化镓或单晶氧化镓，所述氧化镓层的材质包括β-Ga2O3，所述氧化镓层的厚度为0.5-2μm，尤其优选为1-1.5μm。
在本实施例中，所述氧化镓层位于第二电极层和第三电极层之间的区域为吸光区域，本发明通过第一电极层在铁电层上施加外电场，从而改变铁电层的极化方向，进而调控位于铁电层之上的氧化镓层的能带结构，进而实现同质PN结的构建和调控。
在本实施例中，所述铁电层材料的禁带宽度一般在3eV左右，因此其可以吸收日盲波段的紫外线，故铁电层在器件结构中的位置影响重大，本发明实施例将铁电层置于氧化镓层之下，可以有效避免对氧化镓层的吸光区域的遮挡，从而有效扩大氧化镓层的光吸收区域的面积。
实施例2
请参阅图2，本实施例中的一种氧化镓日盲紫外光电探测器的结构与实施例1中的器件结构基本相同，在此不再对两者相同的部分进行赘述，两者的不同之处在于：本实施例中的所述铁电层30的全部设置在所述第二区域，从而在所述氧化镓层内实现同质NPN/PNP结的构建和调控。
实施例3
请参阅图3，本实施例中的一种氧化镓日盲紫外光电探测器的结构与实施例1中的器件结构基本相同，在此不再对两者相同的部分进行赘述，两者的不同之处在于：本实施例中的所述的氧化镓光电探测器包括彼此间隔设置第一铁电层31和第二铁电层32，所述第一铁电层31的至少一部分对应设置在所述第一区域，所述第二铁电层32的至少一部分对应设置在所述第三区域，从而在所述氧化镓层内实现同质NPN/PNP结的构建和调控。
可以理解的，所述第一铁电层31、第二铁电层32可以是全部分别对应设置在所述第一区域、第三区域，也可以是所述第一铁电层31的一部分对应设置在所述第一区域，另一部分设置在所述第二区域，所述第二铁电层32的一部分对应设置在所述第三区域，另一部分设置在第二区域，即所述第一铁电层31于选定方向上的宽度可以小于或大于或等于第一区域于选定方向上的宽度，第二铁电层32于选定方向上的宽度可以小于或大于或等于第三区域于选定方向上的宽度。
对比例1
对比例1为CN 113659029 A中公开的氧化镓日盲紫外探测器。
本发明实施例提供的氧化镓光电探测器通过设计全新的器件结构，相比于对比例1，本发明略去钝化层，将氧化镓薄膜直接淀积于图案化的铁电层之上，从而简化了器件结构，降低了器件膜层数量和制备成本；其次，本发明实施例将铁电层置于器件内部，有效避免了对比例1中存在的铁电层吸收日盲紫外线的弊端；因此，相比于对比例1，本发明实施例通过优化铁电层位置有效扩大了氧化镓层的光吸收区域，进而可以获得更高响应和更高灵敏度的日盲紫外光电探测器。
本发明提供的氧化镓光电探测器通过在第一电极层施加外部电场来调控铁电材料的极化方向，进而实现氧化镓同质PN结内建电场的构建及反转，这为氧化镓PN结的构建与调制提供了新的思路。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧化镓光电探测器，其特征在于，包括：
第一电极层；
至少一铁电层，设置在所述第一电极层上的选定区域，且与所述第一电极层电连接；
氧化镓层，设置在所述第一电极层和铁电层上；
第二电极层和第三电极层，间隔设置在所述氧化镓层上；
所述铁电层自发极化形成的局域场能够改变覆设在铁电层上的氧化镓层的导电类型，从而在所述氧化镓层内形成同质结结构。
2.根据权利要求1所述的氧化镓光电探测器，其特征在于：所述第一电极层的第一表面具有沿选定方向依次设置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、第三区域分别为第二电极层、第三电极层的正投影区域，所述铁电层的部分设置在所述第一区域，且所述铁电层的一侧沿选定方向延伸至第一电极层的边缘并与所述第一电极层、氧化镓层的周向侧面齐平，
其中，设置在所述铁电层上的氧化镓层为第一导电类型，设置在所述第一电极层上的氧化镓层为第二导电类型，所述选定方向为自第二电极层指向第三电极层的方向或第三电极层指向第二电极层的方向；
优选的，所述铁电层的部分还设置在第二区域。
3.根据权利要求1所述的氧化镓光电探测器，其特征在于：所述第一电极层的第一表面具有沿选定方向依次设置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、第三区域分别为第二电极层、第三电极层的正投影区域，所述铁电层的全部设置在所述第二区域，其中，设置在所述铁电层上的氧化镓层为第一导电类型，设置在所述第一电极层上的氧化镓层为第二导电类型，所述选定方向为自第二电极层指向第三电极层的方向或第三电极层指向第二电极层的方向。
4.根据权利要求1所述的氧化镓光电探测器，其特征在于，包括：彼此间隔设置的两个铁电层，所述第一电极层的第一表面具有沿选定方向依次设置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、第三区域分别为第二电极层、第三电极层的正投影区域，每一所述铁电层的至少一部分对应设置在所述第一区域或第三区域，
其中，设置在所述铁电层上的氧化镓层为第一导电类型，设置在所述第一电极层上的氧化镓层为第二导电类型，所述选定方向为自第二电极层指向第三电极层的方向或第三电极层指向第二电极层的方向。
5.根据权利要求2或3或4所述的氧化镓光电探测器，其特征在于：所述第一导电类型和第二导电类型中的一者为P型，另一者为N型。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的氧化镓光电探测器，其特征在于：所述第一电极层包括ITO层、LaNiO3层、Lal-xSrxMnO3层、SrRuO3层、Al掺杂ZnO层中的至少一者或两者以上形成的叠层结构；
和/或，所述第二电极层和第三电极层均为金属电极；优选的，所述金属电极的材质包括Ti、Al、Ni、Au、Mo中的任意一种金属或由两种以上的金属形成的合金。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的氧化镓光电探测器，其特征在于：所述铁电层的材质包括Pb(Zr，Ti)O3、BaTiO3、(Bi，Na)TiO3、PVDF及其聚合物中的至少一种或两种以上的组合；
优选的，所述铁电层的厚度为20-300nm，尤其优选为100-200nm。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的氧化镓光电探测器，其特征在于：所述氧化镓层的材质包括非晶氧化镓、多晶氧化镓或单晶氧化镓；
优选的，所述氧化镓层的材质包括β-Ga2O3；
优选的，所述氧化镓层的厚度为0.5-2μm，尤其优选为1-1.5μm。
9.根据权利要求1所述的氧化镓光电探测器，其特征在于，还包括衬底层，所述第一电极层层叠设置在所述衬底层上；优选的，所述衬底层包括Ga2O3单晶衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、A1N衬底、石英衬底、单晶硅衬底中的任意一者。
10.根据权利要求1所述的氧化镓光电探测器，其特征在于：所述氧化镓光电探测器包括氧化镓日盲紫外探测器。
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