CN118073459A - 一种光电晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种光电晶体管及其制备方法，其中，所述光电晶体管包括：衬底，所述衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述衬底为集电区；第一接触层，位于所述衬底的第一表面上，所述第一接触层为基区；第二接触层，位于所述第一接触层上，所述第二接触层为发射区；其中，所述第二接触层为梳齿状结构，以暴露部分所述第一接触层。本公开的光电晶体管具有响应度高和外量子效率高的优点，其制备方法工艺简单、可操作性强和适用广泛，在光电探测领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光电晶体管及其制备方法。
背景技术
宽禁带半导体日盲紫外探测器作为一种先进的探测技术，具有全固态、小型化、低功耗、强抗干扰及优异稳定性等多项优势。这些特质使其能够有效抵御太阳辐射的干扰，实现高信噪比和出色灵敏度，为导弹预警、保密通讯、火焰探测以及医学检测等军事和民用领域带来巨大应用前景。以氧化镓（Ga2O3）、镓酸锌（ZnGa2O4）、镓酸镁（MgGa2O4）为代表的镓系超宽禁带氧化物半导体由于其合适的禁带宽度，良好的热稳定性和化学稳定性，被广泛视为制备日盲紫外探测器的理想材料。
PN结是构建光电探测器的关键结构之一，然而，由于目前缺乏高效且高质量的P型掺杂技术，镓系超宽禁带氧化物半导体难以通过自身形成PN结，因而主要通过与其他P型材料形成异质结来构建日盲紫外探测器。其中P型硅衬底是成熟的半导体材料，具有成本低廉的优势，且更便于与现在CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺集成。因此，研究者们开展了一系列的硅基镓系超宽禁带氧化物半导体的研究。
然而，传统的硅基镓系超宽禁带氧化物半导体PN结器件普遍存在响应度低和外量子效率低的问题，无法满足对高性能器件的需求。为此，需要设计新的器件结构和制备方法，以期实现高性能器件的需求。
发明内容
本公开提供了一种光电晶体管及其制备方法，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
根据本公开的第一方面，提供了一种光电晶体管，所述光电晶体管包括：
衬底，所述衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述衬底为集电区；
第一接触层，位于所述衬底的第一表面上，所述第一接触层为基区；
第二接触层，位于所述第一接触层上，所述第二接触层为发射区；其中，所述第二接触层为梳齿状结构，以暴露部分所述第一接触层。
在一可实施方式中，所述梳齿状结构包括多个梳齿，相邻两个梳齿之间的间距为0.5μm~50μm，每个梳齿的宽度为1μm~100μm。
在一可实施方式中，还包括：
第一电极，位于所述衬底的第二表面上；
第二电极，位于所述第二接触层上，所述第二电极的形状与所述第二接触层相同。
在一可实施方式中，所述第一接触层的材料包括氧化镓、镓酸锌和镓酸镁中的至少一种，所述第二接触层的材料包括氧化铜、氧化镍、氧化锡和铝酸铜中的至少一种。
在一可实施方式中，所述衬底具有第一导电类型，所述第一接触层具有第二导电类型，所述第二接触层具有第一导电类型。
在一可实施方式中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
根据本公开的第二方面，提供了一种光电晶体管的制备方法，所述方法包括：
提供衬底，所述衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述衬底为集电区；
在所述衬底的第一表面上形成第一接触层，所述第一接触层为基区；
在所述第一接触层上形成第二接触层，所述第二接触层为发射区；其中，所述第二接触层为梳齿状结构，以暴露部分所述第一接触层。
在一可实施方式中，所述形成第二接触层，包括：
在所述第一接触层上形成光刻胶层；
采用光刻工艺光刻所述光刻胶层，以使去除的光刻胶层形成为梳齿状结构；
在所述梳齿状结构暴露的第一接触层上形成第二接触层，以使所述第二接触层形成为梳齿状结构。
在一可实施方式中，还包括：
在形成所述第二接触层之后，在所述第二接触层上形成第二电极，所述第二电极的形状与所述第二接触层相同；
在所述衬底的第二表面上形成第一电极。
在一可实施方式中，所述梳齿状结构包括多个梳齿，相邻两个梳齿之间的间距为0.5μm~50μm，每个梳齿的宽度为1μm~100μm。
本公开的光电晶体管及其制备方法，通过引入一层第二接触层作为发射区，构建PNP异质结双极型光电晶体管，有效提升光照下空穴的注入效率，在基区-集电区异质结电场的作用下将发射区注入的空穴迁移到集电区，大幅度增强了器件的光响应能力；第二接触层设计成梳齿状结构，紫外光可以从梳齿之间的空隙穿过，而不会被吸收，使紫外光可以直接到达基区-集电区异质结界面，结合晶体管的放大作用，显著提高器件对日盲紫外光的响应度和外量子效率。本公开的光电晶体管具有响应度高和外量子效率高的优点，其制备方法工艺简单、可操作性强和适用广泛，在光电探测领域具有广阔的应用前景。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
图1为本公开实施例提供的光电晶体管的立体图；
图2为沿图1中虚线A-A’方向的剖视图；
图3为本公开实施例提供的光电晶体管的制备方法的流程图；
图4a至图4e为本公开实施例提供的光电晶体管在制备过程中的示意图。
附图标记：
10、衬底；
20、第一接触层；
30、第二接触层；
41、第一电极；42、第二电极；
50、光刻胶层。
具体实施方式
为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
基于此，本公开实施例提供了一种光电晶体管，图1为本公开实施例提供的光电晶体管的立体图，图2为沿图1中虚线A-A’方向的剖视图。
如图1和图2所示，光电晶体管包括：
衬底10，衬底10包括相对的第一表面和第二表面，衬底10为集电区；
第一接触层20，位于衬底10的第一表面上，第一接触层20为基区；
第二接触层30，位于第一接触层20上，第二接触层30为发射区；其中，第二接触层30为梳齿状结构，以暴露部分第一接触层20。
在一实施例中，衬底10可以为单质半导体材料衬底（例如为硅衬底、锗衬底等）、复合半导体材料衬底（例如为锗硅衬底、碳化硅衬底等），或绝缘体上硅衬底（Silicon onInsulator，SOI）、绝缘体上锗（Germanium on Insulator，GOI）衬底等。
在一优选实施例中，衬底10为硅衬底。选用硅作为衬底，具备成本低廉、兼容性好的优势，同时可与现有的CMOS工艺兼容，便于集成，有利于大规模生产和应用。
在一实施例中，第一接触层20为镓系超宽禁带氧化物半导体薄膜。第一接触层20的材料包括但不限于氧化镓（Ga2O3）、镓酸锌（ZnGa2O4）和镓酸镁（MgGa2O4）中的至少一种。
在一实施例中，第二接触层30为P型氧化物半导体薄膜。第二接触层30的材料包括但不限于氧化铜（Cu2O）或氧化镍（NiO）或氧化锡（SnO）或铝酸铜（CuAlO2）中的至少一种。
如图1所示，第二接触层30为梳齿状结构。第二接触层30设计成梳齿状结构，紫外光可以从梳齿之间的空隙穿过，而不会被吸收，使紫外光可以直接到达基区-集电区异质结界面，结合晶体管的放大作用，显著提高器件对日盲紫外光的响应度和外量子效率。
在一实施例中，梳齿状结构包括多个梳齿，相邻两个梳齿之间的间距为0.5μm~50μm，每个梳齿的宽度为1μm~100μm。在一具体实施例中，每个梳齿之间的间距可以为1μm~50μm。
相邻两个梳齿之间的间距和每个梳齿的宽度设置在此范围内，既能避免间距过大，导致梳齿的宽度过小，而影响第二接触层30的性能，又能避免梳齿的宽度过大，导致间距过小，而使得没有足够的紫外光从梳齿之间的空隙穿过，影响器件的响应度和外量子效率。
在一实施例中，衬底10具有第一导电类型，第一接触层20具有第二导电类型，第二接触层30具有第一导电类型。
在一具体实施例中，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。因此衬底10为P型半导体，第一接触层20为N型半导体，第二接触层30为P型半导体。
在一实施例中，光电晶体管还包括：第一电极41，位于衬底10的第二表面上；第二电极42，位于第二接触层30上，第二电极42的形状与第二接触层30相同。
第一电极41和第二电极42的材料包括但不限于金、铂、镍等金属的至少一种。
第二电极42的形状与第二接触层30相同，为梳齿状结构，如此，第二电极42不会遮挡紫外光，紫外光能够从梳齿之间的空隙穿过。
第一电极41与衬底10的接触类型为欧姆接触，第二电极42与第二接触层30的接触类型为欧姆接触。
本公开实施例中的光电晶体管的工作原理如下：
衬底10作为集电区，第一接触层20作为基区和第二接触层30作为发射区构成PNP型异质结双极型晶体管。
梳齿状结构的第二接触层30和第二电极42的透光性设计使日盲紫外光可以直接辐射到下层的第一接触层20上，从而使得紫外光可以到达集电结（集电区-基区异质结）界面，产生光生电子和光生空穴。光生电子在基区内漂移到发射结（发射区-基区异质结），而光生空穴在基区内漂移到集电极。发射结的导带阶阻挡光生电子越过势垒，光生电子在基区积累，基区电势降低。发射区的空穴大量注入到基区，扩散到集电结后，在内建电场作用下漂移到集电极，外电路收集到大量的光生载流子，从而实现器件的高响应度和高外量子效率。
本公开实施例还提供了一种光电晶体管的制备方法，图3为本公开实施例提供的光电晶体管的制备方法的流程图，如图3所示，光电晶体管的制备方法包括：
步骤301：提供衬底，衬底包括相对的第一表面和第二表面，衬底为集电区；
步骤302：在衬底的第一表面上形成第一接触层，第一接触层为基区；
步骤303：在第一接触层上形成第二接触层，第二接触层为发射区；其中，第二接触层为梳齿状结构，以暴露部分第一接触层。
下面结合具体实施例对本公开实施例提供的光电晶体管的制备方法作进一步详细的说明。图4a至图4e为本公开实施例提供的光电晶体管在制备过程中的示意图。
首先，参见图4a，执行步骤301，提供衬底10，衬底10包括相对的第一表面和第二表面，衬底为集电区。
在一实施例中，衬底10可以为单质半导体材料衬底（例如为硅衬底、锗衬底等）、复合半导体材料衬底（例如为锗硅衬底、碳化硅衬底等），或绝缘体上硅衬底（Silicon onInsulator，SOI）、绝缘体上锗（Germanium on Insulator，GOI）衬底等。
在一优选实施例中，衬底10为硅衬底。选用硅作为衬底，具备成本低廉、兼容性好的优势，同时可与现有的CMOS工艺兼容，便于集成，有利于大规模生产和应用。
继续参见图4a，执行步骤302，在衬底10的第一表面上形成第一接触层20，第一接触层20为基区。
在实际操作中，第一接触层20可以通过分子束外延、金属有机化合物气相沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射或其他沉积方法形成。
第一接触层20为镓系超宽禁带氧化物半导体薄膜。第一接触层20的材料包括但不限于氧化镓（Ga2O3）、镓酸锌（ZnGa2O4）和镓酸镁（MgGa2O4）中的至少一种。
接着，参见图4b至图4d，执行步骤303，在第一接触层20上形成第二接触层30，第二接触层30为发射区；其中，第二接触层30为梳齿状结构，以暴露部分第一接触层20。
具体地，先参见图4b，在第一接触层20上形成光刻胶层50。
在实际操作中，光刻胶层50可以通过凝胶-溶胶法（Sol-Gel Process）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）、物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、原子层沉积（Atomic Vapor Deposition，ALD）或其他沉积方法形成。
接着，参见图4c，图4c中的（a）图为剖视图，图4c中的（b）图为俯视图。采用光刻工艺光刻光刻胶层50，以使去除的光刻胶层50形成为梳齿状结构。
如图4c所示，利用光刻技术在第一接触层20上光刻出梳齿状结构，其中，去除的光刻胶层50形成为梳齿状结构，剩余的光刻胶层50覆盖梳齿之间的空隙处，以便后续形成第二接触层。
接着，参见图4d，在梳齿状结构暴露的第一接触层20上形成第二接触层30，以使第二接触层30形成为梳齿状结构。
在实际操作中，第二接触层30可以通过分子束外延、金属有机化合物气相沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射或其他沉积方法形成。
在一实施例中，第二接触层30为P型氧化物半导体薄膜。第二接触层30的材料包括但不限于氧化铜（Cu2O）或氧化镍（NiO）或氧化锡（SnO）或铝酸铜（CuAlO2）中的至少一种。
在一实施例中，梳齿状结构包括多个梳齿，相邻两个梳齿之间的间距为0.5μm~50μm，相邻两个梳齿的宽度为1μm~100μm。在一具体实施例中，每个梳齿之间的间距可以为1μm~50μm。
相邻两个梳齿之间的间距和每个梳齿的宽度设置在此范围内，既能避免间距过大，导致梳齿的宽度过小，而影响第二接触层的性能，又能避免梳齿的宽度过大，导致间距过小，而使得没有足够的紫外光从梳齿之间的空隙穿过，影响器件的响应度和外量子效率。
在一实施例中，衬底10具有第一导电类型，第一接触层20具有第二导电类型，第二接触层30具有第一导电类型。
在一具体实施例中，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。因此衬底10为P型半导体，第一接触层20为N型半导体，第二接触层30为P型半导体。
接着，参见图4e，在形成第二接触层30之后，在第二接触层30上形成第二电极42，第二电极42的形状与第二接触层30相同。
在实际操作中，采用磁控溅射技术或蒸发技术形成第二电极42。
第二电极42的材料包括但不限于金、铂、镍等金属的至少一种。
第二电极42的形状与第二接触层30相同，为梳齿状结构，如此，第二电极42不会遮挡紫外光，紫外光能够从梳齿之间的空隙穿过。
第二电极42与第二接触层30的接触类型为欧姆接触。
方法还包括：在形成第二电极42后，去除剩余的光刻胶层50。
接着，继续参见图4e，在衬底10的第二表面上形成第一电极41。
在实际操作中，采用磁控溅射技术或蒸发技术形成第一电极41。
第一电极41的材料包括但不限于金、铂、镍等金属的至少一种。
第一电极41与衬底10的接触类型为欧姆接触。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光电晶体管，其特征在于，所述光电晶体管包括：
衬底，所述衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述衬底为集电区；
第一接触层，位于所述衬底的第一表面上，所述第一接触层为基区；
第二接触层，位于所述第一接触层上，所述第二接触层为发射区；其中，所述第二接触层为梳齿状结构，以暴露部分所述第一接触层。
2.根据权利要求1所述的光电晶体管，其特征在于，
所述梳齿状结构包括多个梳齿，相邻两个梳齿之间的间距为0.5μm~50μm，每个梳齿的宽度为1μm~100μm。
3.根据权利要求1所述的光电晶体管，其特征在于，还包括：
第一电极，位于所述衬底的第二表面上；
第二电极，位于所述第二接触层上，所述第二电极的形状与所述第二接触层相同。
4.根据权利要求1所述的光电晶体管，其特征在于，
所述第一接触层的材料包括氧化镓、镓酸锌和镓酸镁中的至少一种，所述第二接触层的材料包括氧化铜、氧化镍、氧化锡和铝酸铜中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的光电晶体管，其特征在于，
所述衬底具有第一导电类型，所述第一接触层具有第二导电类型，所述第二接触层具有第一导电类型。
6.根据权利要求5所述的光电晶体管，其特征在于，
所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
7.一种光电晶体管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底，所述衬底包括相对的第一表面和第二表面，所述衬底为集电区；
在所述衬底的第一表面上形成第一接触层，所述第一接触层为基区；
在所述第一接触层上形成第二接触层，所述第二接触层为发射区；其中，所述第二接触层为梳齿状结构，以暴露部分所述第一接触层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述形成第二接触层，包括：
在所述第一接触层上形成光刻胶层；
采用光刻工艺光刻所述光刻胶层，以使去除的光刻胶层形成为梳齿状结构；
在所述梳齿状结构暴露的第一接触层上形成第二接触层，以使所述第二接触层形成为梳齿状结构。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
在形成所述第二接触层之后，在所述第二接触层上形成第二电极，所述第二电极的形状与所述第二接触层相同；
在所述衬底的第二表面上形成第一电极。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述梳齿状结构包括多个梳齿，相邻两个梳齿之间的间距为0.5μm~50μm，每个梳齿的宽度为1μm~100μm。
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|---|---|---|---|
| CN202410469407.2A CN118073459A (zh) | 2024-04-18 | 2024-04-18 | 一种光电晶体管及其制备方法 |
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| CN202410469407.2A CN118073459A (zh) | 2024-04-18 | 2024-04-18 | 一种光电晶体管及其制备方法 |
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|---|---|
| CN118073459A true CN118073459A (zh) | 2024-05-24 |
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| CN202410469407.2A Pending CN118073459A (zh) | 2024-04-18 | 2024-04-18 | 一种光电晶体管及其制备方法 |
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| CN (1) | CN118073459A (zh) |
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2024
- 2024-04-18 CN CN202410469407.2A patent/CN118073459A/zh active Pending
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