CN117976758A - 一种基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器，包括衬底层、缓冲层、异质结和接触电极，异质结由金刚石层和AlScN铁电材料层构造形成，本发明构造的异质结，超宽禁带的金刚石材料作为容纳二维电子气的沟道层，其另一侧的势垒层使用AlScN铁电材料，能够兼顾响应速度和可调控两个特点，一方面能够使探测器截止波长进一步减小，另一方面通过使用铁电性质更优秀的AlScN铁电材料，增强对异质结内置电场和耗尽区宽度的调控能力，促进光生载流子分离，从而提高探测器的性能。另外，由于AlScN铁电材料的禁带宽度要大于金刚石的禁带宽度，不会对紫外光波段之外的光发生响应，很好地弥补了光响应范围不精准的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器及其制备方法。
背景技术
日盲紫外探测器具有虚警率低、探测灵敏度高和背景噪声低等多优点，被广泛应用在环境监测、导弹跟踪、无线通信、生化检测和空间系统等方面。目前，主要运用宽禁带半导体材料来制备日盲紫外探测器，例如ZnMgO、AlGaN和Ga2O3等。由于禁带宽度大，截止波长较短，用超宽禁带半导体制备的探测器能够覆盖到紫外波段。另外，宽禁带半导体材料具有击穿场强高、热导率高及抗辐射能力强等优异特性，适合制备高温高频、大功率器件，拥有广阔的应用前景。然而在这些常用的宽禁带半导体材料中，ZnMgO的探测范围有限，只能对在波长为200-370nm内的紫外光进行探测。AlGaN的生长温度较高，又缺少与之相匹配的衬底，很难制备出高质量的AlGaN薄膜。Ga2O3作为一种Ⅲ-Ⅵ族半导体材料，禁带宽度为4.9eV，截至波长正好位于日盲紫外波段内，且具有击穿电场强、导电性能良好和化学性能稳定等优点，但是其能覆盖的波长还不够短。
与此同时，探测器越来越趋向于节能化、高效化、微型化。传统探测器由外部电源驱动，器件尺寸大的同时还不够环保。在能源短缺的情况下，自供电探测器无需外加电压便可自行工作，因此具有自供电性能的探测器开始崭露头角。日盲紫外探测器的性能有待进一步提高，具体而言，现有的日盲紫外探测器所使用的异质结结构需要改进。有研究人员提出了一种基于Ga2O3/ZnO异质结的自驱动日盲探测器，这种半导体/铁电材料异质结通过调节异质结中的去极化场提高探测器的性能，但是由于ZnO带隙宽度太低，对280nm以上的光波仍然会发生响应，导致探测器探测范围不精准。另外ZnO作为传统铁电材料，剩余极化强度不够高，铁电性能不够优异，也会减弱对半导体一侧的调控作用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器及其制备方法，以制备探测波长短，响应速度快，性能更加优异的日盲紫外探测器件。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的第一方面，提供了一种基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器，包括衬底层、缓冲层、异质结和接触电极，所述异质结由金刚石层和AlScN铁电材料层构造形成，所述接触电极分别设置在所述AlScN铁电材料层和所述金刚石层上。
在一个实施例中，所述金刚石层的一面设置于所述缓冲层，另一面上有氮终端表面，在所述氮终端表面外延生长所述AlScN铁电材料层，以构造形成所述异质结，所述接触电极分别设置在所述AlScN铁电材料层和所述氮终端表面上。
在一个实施例中，所述缓冲层的厚度为1-2μm，所述金刚石层的厚度为50-100μm，所述AlScN铁电材料层的厚度为200-400nm。
在一个实施例中，所述缓冲层为单晶氮化硼薄膜，所述衬底层为蓝宝石。
在一个实施例中，所述AlScN铁电材料的表达式为Al1-xScxN，x表示Sc在Al和Sc中的原子百分比，x取值为15％-25％。
本发明的第二方面，提供了所述基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，在衬底层上制备缓冲层；
步骤2，在所述缓冲层上外延生长金刚石层；
步骤3，在所述金刚石层上外延生长AlScN铁电材料层，所述金刚石层和AlScN铁电材料层构造形成异质结；
步骤4，在所述金刚石层和所述AlScN铁电材料层上制备接触电极。
在一个实施例中，所述步骤1，利用等离子体化学气相淀积工艺，以B2H6作为硼源，N2作为氮源，在工作气压下，采用300℃-600℃的衬底温度，设置衬底负偏压，获得1-2μm厚的单晶氮化硼薄膜缓冲层；所述步骤2，采用MPCVD工艺，在缓冲层表面生长厚度为50-100μm的金刚石层。
在一个实施例中，所述步骤3，对所述金刚石层采用MBE工艺进行表面氮化，形成氮终端表面，在氮终端表面上外延生长所述AlScN铁电材料层；所述步骤4，在所述氮终端表面和所述AlScN铁电材料层上制备接触电极。
在一个实施例中，所述步骤3，采用磁控溅射技术或原子层淀积工艺外延生长AlScN铁电材料层。
在一个实施例中，所述磁控溅射技术，步骤如下：
使用Sc原子百分比为15％-25％的铝钪合金作为溅射靶材，将外延生长金刚石层的样品或形成氮终端表面的样品置于磁控溅射腔室内，抽腔至腔内真空度达到1*10-5Torr以下，然后通入Ar，进行预溅射；
预溅射结束后，将衬底层升温至300℃-500℃；
衬底层升温完成后，通入高纯氮气和高纯氩气进行溅射，溅射功率为300-400W，溅射时长为30-60min；
完成溅射后对样品进行快速热退火处理，退火温度为750℃-850℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明与现有的技术相比，具有如下优点：
(1)本发明日盲紫外探测器采用了金刚石/AlScN异质结结构。金刚石属于新一代的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、载流子迁移率高、热导率高等优点，禁带宽度大使得其截止波长更短，能够对波长更短的紫外光进行响应，且响应速度较快。AlScN是一种新型铁电材料，铁电材料具有自发极化的特性，在去除电场后仍能保持去极化场，剩余极化强度可达100-150μC/cm2。通过调节去极化场来调控内置电场的强度和半导体侧的耗尽区宽度，从而对光生载流子的分离起到促进作用。金刚石/AlScN异质结兼顾了响应速度和可调控两大优点，大大提高了日盲紫外探测器的性能。
(2)由于Al1-xScxN本身的带隙宽度很大(约为6.2eV)，且会随着Sc含量的变化而变化，采用掺杂浓度为25％的Al0.75Sc0.25N既可以很好地保持薄膜的铁电特性，保留其调控作用，又能保证带隙宽度大于金刚石的带隙宽度，不会对紫外光波段之外的光发生响应，避免探测器出现探测范围不精准的问题。Al0.75Sc0.25N的禁带宽度大于金刚石的禁带宽度满足使用金刚石材料作为容纳二维电子气的沟道层的前提。同时AlScN的电导率比一般的铁电材料要高，避免了电流传输困难的问题。将AlScN与特性更加优异的金刚石材料构成新型半导体异质结材料器件，拓宽了半导体异质结器件的应用领域。
(3)由于单晶氮化硼晶格常数与金刚石相近，使用单晶氮化硼作为过渡层，能够更好地保证金刚石外延层的质量。金刚石由外延生长获得突破了金刚石衬底的尺寸限制，降低了异质结的制造成本。
(4)在金刚石层表面进行氮终端处理可以减少金刚石表面态，有利于AlScN材料与金刚石之间的原子成键，提高了AlScN层的外延质量，有助于更好地形成异质结。
(5)在本发明制备过程中涉及的磁控溅射法、等离子体化学气相淀积、MPCVD、热蒸发法等成膜方法均为半导体CMOS工艺中的常见方法，能与现有CMOS工艺有效集成，可以在保证器件优异性能的基础上有效降低生产成本，符合摩尔定律的发展规律。
附图说明
图1是本发明基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器的结构示意图。
图2是本发明基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器的制备工艺流程示意图。
具体实施方式
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
根据现有技术存在的问题，本发明具体涉及一种基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器及其制备方法。在本发明中，通过使用金刚石/AlScN异质结结构，显著提高了日盲紫外探测器件的性能。金刚石探测器具有噪声低、漏电流小、抗辐射能力强、时间响应快等优点。AlScN铁电材料铁电性能优异，使探测器具有自驱动能力的同时，还能通过调节去极化场影响异质结的工作效果，获得更优异的性能。本发明提出的日盲紫外探测器件方法操作简单，能与现有CMOS工艺兼容，在提升性能的同时兼顾环境友好性，具有较高的可操作性与可实施性。
本发明基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器具体可参考图1所示，主要包括衬底层1、缓冲层2、异质结和接触电极6，这些结构可参考常规器件的任意布置形式。异质结的具体构造是本发明的主要特征之一，在本发明中，所述异质结由金刚石层3和AlScN铁电材料层5构造形成，相应地，接触电极6分别设置在所述AlScN铁电材料层5和所述金刚石层3上。
金刚石截止波长短，响应速度快，对紫外光具有良好的响应特性。而AlScN具有自发极化的特性，本发明结合二者构造的异质结，超宽禁带的金刚石材料(禁带宽度为5.5eV)作为容纳二维电子气的沟道层，其另一侧的势垒层使用AlScN铁电材料(禁带宽度约为6.2eV，且随Sc浓度变化而变化)，能够兼顾响应速度和可调控两个特点，能够提高日盲紫外探测器的性能。具体而言，一方面能够使探测器截止波长进一步减小，另一方面通过使用铁电性质更优秀的AlScN铁电材料，增强对异质结内置电场和耗尽区宽度的调控能力，促进光生载流子分离，从而提高探测器的性能。另外，由于AlScN铁电材料的禁带宽度要大于金刚石的禁带宽度，不会对紫外光波段之外的光发生响应，很好地弥补了光响应范围不精准的缺陷。
在本发明的一些实施例中，金刚石层3的一面设置于所述缓冲层2，另一面上有氮终端表面4，在所述氮终端表面4，外延生长所述AlScN铁电材料层5，以构造形成所述异质结，此时，接触电极6分别设置在所述AlScN铁电材料层5和所述氮终端表面4上。
本实施例中，衬底层1、缓冲层2、金刚石层3、氮终端表面4、AlScN铁电材料层5和接触电极6可自下而上依次布置，金刚石层3淀积于缓冲层2。
本实施例通过在金刚石层3的表面形成氮终端表面4，能够减少金刚石表面态，更利于AlScN材料与金刚石之间的原子成键，提高AlScN铁电材料层5的外延质量，从而更利于形成金刚石/AlScN异质结。
在本发明的一些实施例中，所述缓冲层2的厚度为1-2μm，所述金刚石层3的厚度为50μm-100μm，所述AlScN铁电材料层5的厚度为200-400nm。该实施例中，金刚石薄膜生长得较厚，上层晶粒尺寸大，金刚石膜整体的质量更好。而AlScN铁电材料层不宜太薄，太薄结晶度不够高使铁电性能降低，会大大减弱其铁电调控的能力。
在本发明的一些实施例中，所述缓冲层2为单晶氮化硼薄膜，单晶氮化硼晶格常数与金刚石相近，以单晶氮化硼薄膜进行缓冲过渡，能够更好地保证金刚石层3的生长质量。
在本发明的一些实施例中，所述衬底层1为蓝宝石，蓝宝石是常规衬底，结合成本、质量等因素，也可选择其他常规的衬底。
在本发明的一些实施例中，所述AlScN铁电材料的表达式为Al1-xScxN，其中x表示Sc在Al和Sc中的原子百分比。AlScN铁电材料的带隙宽度较大，为了保持其基于铁电特性的调控功能，同时保证其带隙宽度大于金刚石的带隙宽度，从而对紫外光波段之外的光不发生响应，以确保探测器具有精确的探测范围，本发明实施例中，将x取值优选为15％-25％
本发明金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器的制备方法，参考图2所示，包括如下步骤：
步骤1，在衬底层1上制备缓冲层2。
步骤2，在所述缓冲层2上外延生长金刚石层3。金刚石由外延生长获得，能够突破异质结中金刚石衬底的尺寸限制，降低异质结制造成本。
步骤3，在所述金刚石层3上外延生长AlScN铁电材料层5，所述金刚石层3和AlScN铁电材料层5构造形成异质结。
步骤4，在所述金刚石层3和所述AlScN铁电材料层5上制备接触电极6。
在本发明的一些实施例中，所述步骤1，可将对衬底层1的表面进行预处理，工艺描述如下：
将蓝宝石等材质的衬底固定在清洗架中进行清洗。清洗时分为四步：首先将衬底样品置于去离子水中超声清洗10min；其次将经过去离子水超声清洗后的衬底样品置于丙酮中清洗5-10min；之后将丙酮清洗过的衬底样品置于乙醇中超声清洗5-10min；最后将衬底样品置于去离子水中超声清洗10-15min，超声频率设置为80-100w。经过上述步骤清洗，样品表面的灰尘、有机物杂质等均可被去除。最后将经过表面超声清洗处理后的蓝宝石衬底用氮气枪吹干。
在本发明的一些实施例中，所述步骤1，缓冲层2可采用任何可用的现有技术进行制备，典型例如可用等离子体化学气相淀积工艺外延生长，当缓冲层2为单晶氮化硼薄膜时，该工艺描述如下：
以B2H6作为硼源，N2作为氮源，在工作气压下，采用300℃-600℃的衬底温度，设置合适的衬底负偏压，获得1-2μm厚的单晶氮化硼薄膜缓冲层。
在本发明的一些实施例中，所述步骤2，金刚石层3的外延生长可采用MPCVD等其他合适工艺实现，MPCVD工艺描述如下：
以3μm/h的生长速率在缓冲层2表面生长厚度为50-100μm的金刚石层3。其中衬底温度为800-1000℃，微波功率为3.9kW，压强320mbar，氢气流量200sccm，CH4浓度为6％。
在本发明的一些实施例中，所述步骤3，对所述金刚石层3采用MBE工艺等方式进行表面氮化，形成氮终端表面4，并在氮终端表面4上外延生长所述AlScN铁电材料层5。此时，步骤4中在所述氮终端表面4和所述AlScN铁电材料层5上制备接触电极6。示例地，MBE工艺中，N-Plasma的输出功率设置为150W，衬底温度为500℃左右，N2流量为1sccm，在上述条件下对样品表面氮化60分钟。
在本发明的一些实施例中，所述步骤3，可采用磁控溅射技术或原子层淀积工艺等具体工艺外延生长AlScN铁电材料层5。以磁控溅射技术为例，其主要步骤如下：
使用Sc原子百分比为15％-25％的铝钪合金作为溅射靶材，并进一步优选Sc浓度25％的Al0.75Sc0.25N，将外延生长金刚石层3的样品或形成氮终端表面4的样品置于磁控溅射腔室内，抽腔至腔内真空度达到1*10-5Torr以下，然后通入Ar，设置腔室压强为10mTorr左右，确保能够启辉，设置溅射功率进行预溅射，时长为3-5min。
观察到启辉正常后，预溅射结束，将衬底层升温至300℃-500℃，调节压强范围为0.53Pa-0.85Pa；
衬底层升温完成后，通入气体流量比为1：1或2：1或3：1等比例的高纯氮气和高纯氩气进行溅射，设置合金靶的溅射功率进行材料的生长制备，示例地，溅射功率为300-400W，溅射时长为30-60min。
完成溅射后对样品进行快速热退火处理，示例地，退火温度为750℃-850℃。
在本发明的一些实施例中，所述步骤4，对于接触电极6，其中源漏极的制备均采用热蒸发技术完成。采用金作为蒸发源，金能与半导体形成良好的欧姆接触，减少电极对晶体管性能的影响，源漏金属电极厚度为100nm左右。
在本发明制备过程中涉及的磁控溅射法、等离子体化学气相淀积、MPCVD、热蒸发法等成膜方法均为半导体CMOS工艺中的常见方法，能与现有CMOS工艺有效集成，可以在保证器件优异性能的基础上有效降低生产成本。
Claims (10)
1.一种基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器，包括衬底层、缓冲层、异质结和接触电极，其特征在于，所述异质结由金刚石层和AlScN铁电材料层构造形成，所述接触电极分别设置在所述AlScN铁电材料层和所述金刚石层上。
2.根据权利要求1所述基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器，其特征在于，所述金刚石层的一面设置于所述缓冲层，另一面上有氮终端表面，在所述氮终端表面外延生长所述AlScN铁电材料层，以构造形成所述异质结，所述接触电极分别设置在所述AlScN铁电材料层和所述氮终端表面上。
3.根据权利要求2所述基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器，其特征在于，所述缓冲层的厚度为1-2μm，所述金刚石层的厚度为50-100μm，所述AlScN铁电材料层的厚度为200-400nm。
4.根据权利要求1所述基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器，其特征在于，所述缓冲层为单晶氮化硼薄膜，所述衬底层为蓝宝石。
5.根据权利要求1至4任一项所述基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器，其特征在于，所述AlScN铁电材料的表达式为Al1-xScxN，x表示Sc在Al和Sc中的原子百分比，x取值为15％-25％。
6.权利要求1至5任一项所述基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在衬底层上制备缓冲层；
步骤2，在所述缓冲层上外延生长金刚石层；
步骤3，在所述金刚石层上外延生长AlScN铁电材料层，所述金刚石层和AlScN铁电材料层构造形成异质结；
步骤4，在所述金刚石层和所述AlScN铁电材料层上制备接触电极。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1，利用等离子体化学气相淀积工艺，以B2H6作为硼源，N2作为氮源，在工作气压下，采用300℃-600℃的衬底温度，设置衬底负偏压，获得1-2μm厚的单晶氮化硼薄膜缓冲层；所述步骤2，采用MPCVD工艺，在缓冲层表面生长厚度为50-100μm的金刚石层。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3，对所述金刚石层采用MBE工艺进行表面氮化，形成氮终端表面，在氮终端表面上外延生长所述AlScN铁电材料层；所述步骤4，在所述氮终端表面和所述AlScN铁电材料层上制备接触电极。
9.根据权利要求6、7或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3，采用磁控溅射技术或原子层淀积工艺外延生长AlScN铁电材料层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射技术，步骤如下：
使用Sc原子百分比为15％-25％的铝钪合金作为溅射靶材，将外延生长金刚石层的样品或形成氮终端表面的样品置于磁控溅射腔室内，抽腔至腔内真空度达到1*10-5Torr以下，然后通入Ar，进行预溅射；
预溅射结束后，将衬底层升温至300℃-500℃；
衬底层升温完成后，通入高纯氮气和高纯氩气进行溅射，溅射功率为300-400W，溅射时长为30-60min；
完成溅射后对样品进行快速热退火处理，退火温度为750℃-850℃。
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|---|---|---|---|
| CN202410136631.XA CN117976758A (zh) | 2024-01-31 | 2024-01-31 | 一种基于金刚石/AlScN异质结的日盲紫外探测器及其制备方法 |
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- 2024-01-31 CN CN202410136631.XA patent/CN117976758A/zh active Pending
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