CN115763614A - 基于氮化硼/氧化镓异质结深紫外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器及其制备方法。该探测器利用BN材料和Ga2O3材料在深紫外光区域的高光吸收特性和良好的能带匹配特性，可以实现高光吸收率和光生载流子的快速分离，从而实现更高性能深紫外光探测。
Description
技术领域
本发明涉及宽带隙半导体紫外光探测器件技术领域，具体涉及一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外探测器及其制备方法。
背景技术
深紫外探测技术有着广泛的应用。目前深紫外探测器的性能指标满足实际需要的主要是光电倍增管。但是这种器件提价大，寿命短，价格昂贵。基于宽带隙半导体的紫外探测器，由于其体积小，寿命长，且易于集成等优点而成为研究的热点。但是几种常见的宽带隙半导体材料的探测器件性能指标满足不了应用的要求。我们提出了氮化硼/氧化镓异质结构，利用其独特的能带结构，可以实现高性能紫外探测器件。
Ga2O3属于超宽带隙半导体材料，其禁带宽度在4.5～5.5eV，其独特的能带结构使得其具有出较高的光吸收系数，在深紫外区其光吸收系数可达105cm-1。此外，这种材料理论击穿场强可达8MV/cm，巴利加优值高达3444，其还具有良好的化学和热的稳定性。以上优点使得Ga2O3在深紫外光探测和功率器件领域表现出广阔的应用潜力。
在众多光电探测器件结构中，PN结型器件以其独特的优势，吸引了广泛的研究。由于Ga2O3材料内部存在强烈自补偿效应，导致其P型掺杂难以获得，利用其它P型宽带隙半导体材料与之形成异质结构成为目前最优的选择。但由于不同材料间存在带宽和能带位置的不匹配，导致Ga2O3 PN结光电探测器件光谱选择性和量子效率等性能不理想。
BN是一种超宽半导体材料，带宽在6.0eV左右，并且可以实现p型。BN/ Ga2O3异质结从能带的观点看，是一种理想的紫外探测结构。因此有望实现高效率紫外探测器件。
发明内容
本发明设计了一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外探测器及其制备方法，其解决的技术问题是现有异质结结构由于P型材料不合适导致器件性能不理想的缺陷。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器，其特征在于，包括PN结构，所述PN结构包括：衬底（1）、缓冲层（2）、P型BN层（3）和N型Ga2O3层（4）；所述衬底（1）、缓冲层（2）、P型BN层（3）和N型Ga2O3层（4）由下向上依次排列；所述N型Ga2O3层（4）上部有第一金属电极（5）；所述N型Ga2O3层（4）与第一金属电极（5）呈欧姆接触；所述P型BN层（3）未被N型Ga2O3层（4）覆盖区域上部有第二金属电极（6）；所述P型BN层（3）与第二金属电极（6）呈欧姆接触；
优选地，包括PIN结构，所述PIN结构是在所述PN结构的基础上，在P型BN层（3）和N型Ga2O3层（4）之间插入本征层（7），本征层（7）不与第二金属电极（6）接触。
优选地，所述衬底（1）包括蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅、氮化铝、金刚石或玻璃。
优选地，所述P型BN层（3）晶体结构有h相、r相、c相或w相，掺杂元素为Zn或Mg或Be的一种或两种或三种。
优选地，所述N型Ga2O3层（4）晶体结构有α相、β相、γ相、δ相、ε相或非晶态，掺杂元素为Si或Sn的一种或两种。
优选地，所述第一金属电极（5）和第二金属电极（6）为单层或多层金属，其对下方材料部分或全部覆盖。
优选地，所述本征层（7）的材料为BN或Ga2O3。
一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底（1）上生长缓冲层（2）；
步骤二、在步骤一所述缓冲层（2）上制备P型BN层（3）；
步骤三、在步骤二所述P型BN层（3）上生长N型Ga2O3层（4）形成PN结构；
步骤四、将步骤三所述PN结构中N型Ga2O3层（4）部分区域进行刻蚀处理，露出刻蚀部位下方P型BN层（3）；
步骤五、分别在未被刻蚀的N型Ga2O3层（4）上方区域和P型BN层（3）上方裸露区域制备不同的金属电极，金属电极与材料层呈欧姆接触；
或者，
步骤一、在衬底（1）上生长缓冲层（2）；
步骤二、在步骤一所述缓冲层（2）上制备P型BN层（3）；
步骤三、在步骤二所述P型BN层（3）上依次生长本征层（7）、N型Ga2O3层（4）形成PIN结构；
步骤四、将步骤三所述PIN结构中N型Ga2O3层（4）和下方本征层（7）部分区域进行刻蚀处理，露出刻蚀部位下方P型BN层（3）；
步骤五、分别在未被刻蚀的N型Ga2O3层（4）上方区域和P型BN层（3）上方裸露区域制备不同的金属电极，金属电极与材料层呈欧姆接触。
该基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外探测器及其制备方法具有以下有益效果：
（1）本发明同过将P型BN与N型Ga2O3结合，制备了PN结型深紫外光电探测器件。BN属于超宽带隙半导体材料，其带隙宽度约6.0eV，其响应波长短于Ga2O3，这更有利于提高器件的光谱选择性。
（2）本发明相比常用的P型宽带隙半导体材料，P型BN可以获得更高的载流子浓度和空穴迁移率，从而实现更大的内建电场强度和更快的载流子传输速率。
（3）本发明中BN与Ga2O3异质结能带结构呈交错型，当器件工作在零偏和反偏压下时由于无势垒的阻挡，更有利于光生载流子的快速传输，降低其复合概率。
（4）本发明通过在PN结构中插入本征I层形成PIN结构，可以利用本征层提高光吸收效率，在PN结构基础上还可以提高器件的光探测性能。综合以上优势，通过将BN与Ga2O3结合，有望获得更高性能的深紫外光电探测器件。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的器件的结构示意图。
图2为本发明实施例2提供的器件的结构示意图。
附图标记说明：
1—衬底；2—缓冲层；3—P型BN层；4—N型Ga2O3层；5—第一金属电极；6—第二金属电极；7—本征层。
具体实施方式
下面结合图1至图2，对本发明做进一步说明：
实施例1：
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器结构示意图，包括：衬底1、缓冲层2、P型BN层3、N型Ga2O3层4。衬底1、缓冲层2、P型BN层3、N型Ga2O3层4由下向上依次排列。
衬底1为单面抛光α-Al2O3衬底，抛光面平行于c面。
缓冲层2材料为AlN，厚度为40nm。
P型BN层3晶体结构为六方相，表面晶向为<002>，掺杂浓度为5×1018cm-3，掺杂元素为Mg，厚度为1μm。P型BN层3上方第二金属电极6为双层堆叠结构，由下向上依次为Ni、Au，厚度分别为30nm、120nm。
N型Ga2O3层4晶体结构为单斜相，表面晶向为为<-201>，掺杂浓度为5×1017 cm-3，掺杂元素为Si，厚度为100nm。N型Ga2O3层4上方第一金属电极5为双层堆叠结构，由下向上依次为Ti、Au，厚度分别为30nm、100nm。
该实施例提供的一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底1上生长缓冲层2，具体方法为：
对直径2英寸沿c面单面抛光的α-Al2O3衬底依次利用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10分钟，用氮气吹干，形成衬底1；利用MOCVD方法在衬底1上生长厚度为40nm的AlN缓冲层。
步骤二、在步骤一所述缓冲层2上制备P型BN层3，具体方法为：
利用MOCVD方法在步骤一AlN缓冲层2上外延生长厚度为1μm的P型BN外延层3。生长完毕后对P型BN外延层2进行原位退火40分钟，退火温度1150℃。
步骤三、在步骤二所述P型BN层3上生长N型Ga2O3层4形成PN结构，具体方法为：
利用MOCVD方法在P型BN层3上外延生长厚度为100nm的N型Ga2O3层3。
步骤四、将步骤三所述PN结构中N型Ga2O3层4部分区域进行刻蚀处理，露出刻蚀部位下方P型BN层3，具体方法为：
将步骤三所得2英寸样品解离为1cm×1cm方形；随后采用等离子体刻蚀工艺将上方N型Ga2O3层3边缘部分刻蚀，刻蚀区域大小为3mm×10mm，刻蚀深度为300nm。
步骤五、分别在未被刻蚀的N型Ga2O3层4上方区域和P型BN层3上方裸露区域制备不同的金属电极，金属电极与材料层呈欧姆接触，具体方法为：采用磁控溅射工艺在未被刻蚀的N型Ga2O3层4上方区域依次溅射金属Ti和Au，厚度分别为30nm和100nm，金属面积为2mm×8mm，形成双层第一金属电极5；采用磁控溅射工艺在P型BN层3上方裸露区域依次溅射金属Ni和Au，厚度分别为30nm和120nm，金属面积为2mm×10mm，形成双层第二金属电极5。
实施例2：
如图2所示，该实施例与实施例1器件结构不同之处在于，在实施例1器件结构的基础上添加了本征层7形成PIN结构探测器件。
该实施例提供的一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底1上生长缓冲层2；
具体的，对直径2英寸沿c面单面抛光的α-Al2O3衬底依次利用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10分钟，用氮气吹干，形成衬底1；利用MOCVD方法在衬底1上生长厚度为40nm的AlN缓冲层。
步骤二、在步骤一所述缓冲层2上制备P型BN层3，具体方法为：
利用MOCVD方法在步骤一AlN缓冲层2上外延生长厚度为1μm的P型BN外延层3。生长完毕后对P型BN外延层2进行原位退火40分钟，退火温度1150℃。
步骤三、在步骤二所述P型BN层3上依次生长本征层7、N型Ga2O3层4形成PIN结构，具体方法为：
利用MOCVD方法在P型BN层3上依次外延生长厚度为300nm的Ga2O3本征层7和厚度为100nm的N型Ga2O3层4。
步骤四、将步骤三所述PIN结构中N型Ga2O3层4和下方本征层7部分区域进行刻蚀处理，露出刻蚀部位下方P型BN层3，具体方法为：
将步骤三所得2英寸样品解离为1cm×1cm方形；随后采用等离子体刻蚀工艺将N型Ga2O3层3和正下方Ga2O3本征层7边缘部分刻蚀，刻蚀区域大小为3mm×10mm，刻蚀深度为500nm。
步骤五、分别在未被刻蚀的N型Ga2O3层4上方区域和P型BN层3上方裸露区域制备不同的金属电极，金属电极与材料层呈欧姆接触，具体方法为：
采用磁控溅射工艺在未被刻蚀的N型Ga2O3层4上方区域依次溅射金属Ti和Au，厚度分别为30nm和100nm，金属面积为2mm×8mm，形成双层第一金属电极5；采用磁控溅射工艺在P型BN层3上方裸露区域依次溅射金属Ni和Au，厚度分别为30nm和120nm，金属面积为2mm×10mm，形成双层第二金属电极6。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器，其特征在于，包括PN结构，所述PN结构包括：衬底（1）、缓冲层（2）、P型BN层（3）和N型Ga2O3层（4）；所述衬底（1）、缓冲层（2）、P型BN层（3）和N型Ga2O3层（4）由下向上依次排列；所述N型Ga2O3层（4）上部有第一金属电极（5）；所述N型Ga2O3层（4）与第一金属电极（5）呈欧姆接触；所述P型BN层（3）未被N型Ga2O3层（4）覆盖区域上部有第二金属电极（6）；所述P型BN层（3）与第二金属电极（6）呈欧姆接触。
2.根据权利要求书1所述的基于氮化硼/氧化镓异质结深紫外光探测器，其特征在于：包括PIN结构，所述PIN结构是在所述PN结构的基础上，在P型BN层（3）和N型Ga2O3层（4）之间插入本征层（7），本征层（7）不与第二金属电极（6）接触。
3.根据权利要求书1或2所述的基于氮化硼/氧化镓异质结深紫外光探测器，其特征在于：所述衬底（1）包括蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅、氮化铝、金刚石或玻璃。
4.根据权利要求书1或2所述的基于氮化硼/氧化镓异质结深紫外光探测器，其特征在于，所述P型BN层（3）晶体结构有h相、r相、c相或w相，掺杂元素为Zn或Mg或Be的一种或两种或三种。
5.根据权利要求书1或2所述的基于氮化硼/氧化镓异质结深紫外光探测器，其特征在于，所述N型Ga2O3层（4）晶体结构有α相、β相、γ相、δ相、ε相或非晶态，掺杂元素为Si或Sn的一种或两种。
6.根据权利要求书1或2所述的基于氮化硼/氧化镓异质结深紫外光探测器，其特征在于，所述第一金属电极（5）和第二金属电极（6）为单层或多层金属，其对下方材料部分或全部覆盖。
7.根据权利要求书2所述的基于氮化硼/氧化镓异质结深紫外光探测器，其特征在于，所述本征层（7）的材料为BN或Ga2O3。
8.一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底（1）上生长缓冲层（2）；
步骤二、在步骤一所述缓冲层（2）上制备P型BN层（3）；
步骤三、在步骤二所述P型BN层（3）上生长N型Ga2O3层（4）形成PN结构；
步骤四、将步骤三所述PN结构中N型Ga2O3层（4）部分区域进行刻蚀处理，露出刻蚀部位下方P型BN层（3）；
步骤五、分别在未被刻蚀的N型Ga2O3层（4）上方区域和P型BN层（3）上方裸露区域制备不同的金属电极，金属电极与材料层呈欧姆接触；
或者，
步骤一、在衬底（1）上生长缓冲层（2）；
步骤二、在步骤一所述缓冲层（2）上制备P型BN层（3）；
步骤三、在步骤二所述P型BN层（3）上依次生长本征层（7）、N型Ga2O3层（4）形成PIN结构；
步骤四、将步骤三所述PIN结构中N型Ga2O3层（4）和下方本征层（7）部分区域进行刻蚀处理，露出刻蚀部位下方P型BN层（3）；
步骤五、分别在未被刻蚀的N型Ga2O3层（4）上方区域和P型BN层（3）上方裸露区域制备不同的金属电极，金属电极与材料层呈欧姆接触。
9.一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底（1）上生长缓冲层（2）；具体方法为：对直径2英寸沿c面单面抛光的α-Al2O3衬底依次利用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10分钟，用氮气吹干，形成衬底（1）；利用MOCVD方法在衬底（1）上生长厚度为40nm的AlN缓冲层；
步骤二、在步骤一所述缓冲层（2）上制备P型BN层（3）；具体方法为：利用MOCVD方法在步骤一AlN缓冲层（2）上外延生长厚度为1μm的P型BN外延层（3），生长完毕后对P型BN外延层（2）进行原位退火40分钟，退火温度1150℃；
步骤三、在步骤二所述P型BN层（3）上生长N型Ga2O3层（4）形成PN结构；具体方法为：利用MOCVD方法在P型BN层（3）上外延生长厚度为100nm的N型Ga2O3层（3）；
步骤四、将步骤三所述PN结构中N型Ga2O3层（4）部分区域进行刻蚀处理，露出刻蚀部位下方P型BN层（3）；
具体方法为：将步骤三所得2英寸样品解离为1cm×1cm方形；随后采用等离子体刻蚀工艺将上方N型Ga2O3层（3）边缘部分刻蚀，刻蚀区域大小为3mm×10mm，刻蚀深度为300nm；
步骤五、分别在未被刻蚀的N型Ga2O3层（4）上方区域和P型BN层（3）上方裸露区域制备不同的金属电极，金属电极与材料层呈欧姆接触，具体方法为：采用磁控溅射工艺在未被刻蚀的N型Ga2O3层（4）上方区域依次溅射金属Ti和Au，厚度分别为30nm和100nm，金属面积为2mm×8mm，形成双层第一金属电极（5）；采用磁控溅射工艺在P型BN层（3）上方裸露区域依次溅射金属Ni和Au，厚度分别为30nm和120nm，金属面积为2mm×10mm，形成双层第二金属电极（5）。
10.一种基于氮化硼/氧化镓异质结的深紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底1上生长缓冲层2；
具体方法为：对直径2英寸沿c面单面抛光的α-Al2O3衬底依次利用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10分钟，用氮气吹干，形成衬底（1）；利用MOCVD方法在衬底1上生长厚度为40nm的AlN缓冲层；
步骤二、在步骤一所述缓冲层（2）上制备P型BN层（3）；
具体方法为：利用MOCVD方法在步骤一AlN缓冲层（2）上外延生长厚度为1μm的P型BN外延层（3）；生长完毕后对P型BN外延层（2）进行原位退火40分钟，退火温度1150℃；
步骤三、在步骤二所述P型BN层（3）上依次生长本征层（7）、N型Ga2O3层（4）形成PIN结构；
具体方法为：利用MOCVD方法在P型BN层（3）上依次外延生长厚度为300nm的Ga2O3本征层（7）和厚度为100nm的N型Ga2O3层（4）；
步骤四、将步骤三所述PIN结构中N型Ga2O3层（4）和下方本征层（7）部分区域进行刻蚀处理，露出刻蚀部位下方P型BN层（3）；
具体方法为：将步骤三所得2英寸样品解离为1cm×1cm方形；随后采用等离子体刻蚀工艺将N型Ga2O3层（3）和正下方Ga2O3本征层（7）边缘部分刻蚀，刻蚀区域大小为3mm×10mm，刻蚀深度为500nm；
步骤五、分别在未被刻蚀的N型Ga2O3层（4）上方区域和P型BN层（3）上方裸露区域制备不同的金属电极，金属电极与材料层呈欧姆接触；
具体方法为：采用磁控溅射工艺在未被刻蚀的N型Ga2O3层（4）上方区域依次溅射金属Ti和Au，厚度分别为30nm和100nm，金属面积为2mm×8mm，形成双层第一金属电极（5）；采用磁控溅射工艺在P型BN层（3）上方裸露区域依次溅射金属Ni和Au，厚度分别为30nm和120nm，金属面积为2mm×10mm，形成双层第二金属电极（6）。
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