一种具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫外探测器及其制备方法

1.本发明属于半导体器件技术领域，进一步涉及光电探测器技术，具体为一种具有缓冲层的氧化镓/氧化镍异质结日盲紫外探测器及其制备方法。可用于火灾预警、目标识别和信息通讯。


背景技术：

2.单斜相氧化镓(β-ga2o3)是一种新型的宽禁带半导体材料，具有诸多优异的物理特性(如：超宽带隙，～4.9ev；大的击穿电场强度，～8mv/cm等；对紫外光有80％以上的透光率等)。因此β-ga2o3作为一种优异的光电器件材料，在日盲紫外探测器中有着广泛的应用前景。
3.但随着紫外探测应用的不断深入，设计优化β-ga2o3日盲深紫外光电探测器结构对于改善其响应速度和响应度进而促进其应用具有重要的意义。nio作为一种本征p型半导体材料，成为了与n型材料结合成异质结用来制备紫外光电探测器的首选半导体材料之一。近年来利用nio与β-ga2o3形成异质结可以改善β-ga2o3日盲深紫外光电探测器的结构和性能，但是由于nio与β-ga2o3界面能级不匹配，界面载流子复合严重，进而制约了β-ga2o3日盲深紫外光电探测器的应用。基于原子层沉积技术(ald)调控nio载流子浓度与费米能级位置，制备载流子浓度和费米能级梯度变化的nio薄膜可以引入电场，加速载流子分子和输运；同时于nio/β-ga2o3界面处加入缓冲层形成能级结构梯度变化的异质结结构能够缓解能级匹配问题进而优化光电探测器性能。因此，设计具有缓冲层的nio/β-ga2o3梯度异质结日盲紫外光电探测器结构对于优化光电探测器性能具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫外探测器及其制备方法，以载流子浓度和费米能级梯度变化的氧化镍层材料作为空穴传输层与氧化镓构成异质结结构，并在中间加入另一层氧化物(如basno3)作为缓冲层，从而优化能级。解决了现有技术界面能级不匹配、界面载流子复合严重的问题。本发明能够有效减少界面载流子复合，降低界面接触电阻，提高探测器的响应速度与性能。
5.本发明提高氧化镓日盲紫外探测器性能的机理是：nio作为一种本征p型半导体材料，与氧化镓形成异质结能够有效抑制界面激子复合，提高转移速度。同时利用ald技术调控nio层载流子浓度与费米能级，获得载流子浓度和费米能级自下而上梯度变化的nio薄膜，使得nio薄膜内形成内建电场驱动载流子快速分离和输运；另外在nio/β-ga2o3界面处引入适当能级的氧化物(如basno3)薄层，使得nio/β-ga2o3界面能级突变程度减缓，进而减少界面载流子复合，优化能级，从而优化光电探测器性能。
6.为实现上述目的，本发明提出的具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫
外探测器，自下而上依次包括衬底1、氧化镓感光层2、缓冲层3和梯度氧化镍层4，还包括位于氧化镓感光层2上的源电极5，位于梯度氧化镍层4上表面的漏电极6；其中，位于氧化镓感光层2上表面的缓冲层3与源电极5之间存在缝隙；
7.上述氧化镓感光层2、缓冲层3和梯度氧化镍层4呈阶梯状；
8.上述缓冲层3，为能级介于氧化镓感光层2和梯度氧化镍层4两种材料能级之间用于缓冲的氧化物薄层；
9.上述梯度氧化镍层4，为通过ald沉积技术调控配方获得的不同载流子浓度与厚度的多层氧化镍薄膜；
10.上述源电极5，位于氧化镓感光层2上的一端，漏电极6位于梯度氧化镍层4)上与源电极5相对的一端。
11.进一步，上述衬底1采用厚度为100～200nm蓝宝石衬底。
12.进一步，上述氧化镓感光层2厚度为150～200nm；所述源电极5和漏电极6均采用同一种金属或合金，厚度为100～150nm；所述梯度氧化镍层4的厚度为20～30nm。
13.进一步，上述金属采用au或al，所述合金采用ti/au。
14.本发明提出的制备上述具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫外探测器的方法，包括如下步骤：
15.1)选用蓝宝石作为衬底材料，并对其进行预处理，得到预处理后的衬底；
16.2)在预处理后的蓝宝石衬底上通过金属有机化合物化学气相淀积mocvd生长厚度为150～200nm的氧化镓感光层；
17.3)采用射频磁控溅射技术在氧化镓感光层上生长得到basno3缓冲层。
18.4)采用原子层沉积ald技术在缓冲层上沉积多层的5～20nm的梯度氧化镍层；
19.5)通过掩膜版，用热蒸镀方法在氧化镓感光层上部的一端制备金属源电极，在梯度氧化镍层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极，完成整个器件的制备。
20.与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
21.第一、由于本发明采用的空穴传输层为本征p型半导体材料氧化镍，克服了传统的金属与氧化镓感光层直接接触影响接触特性且接触电阻较大的问题，使得本发明的日盲紫外探测器具有较低的电极接触电阻，从而有效提高了载流子的注入效率。
22.第二、由于本发明采用原子层沉积ald技术，对于沉积的氧化镍薄膜的性能参数(包括厚度、成分、结构等)具有高度可控性，从而改变费米能级位置与载流子浓度，根据不同参数从而形成具有梯度的氧化镍层，并且具有优异的沉积均匀性和一致性，薄膜质量更高。
23.第三、由于本发明器件中加入了缓冲层，优化能级减少了界面载流子的复合，从而提升了光电探测器性能。
附图说明
24.图1为本发明中探测器的结构示意图；
25.图2为本发明中器件制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
26.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
27.实施例一：参照图1，本发明提出的具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫外探测器，整体结构具体如下：
28.自下而上依次包括衬底1、氧化镓感光层2、缓冲层3和梯度氧化镍层4，还包括位于氧化镓感光层2上的源电极5，位于梯度氧化镍层4上表面的漏电极6；其中，位于氧化镓感光层2上表面的缓冲层3与源电极5之间存在缝隙；
29.上述氧化镓感光层2、缓冲层3和梯度氧化镍层4呈阶梯状；
30.上述缓冲层3，为能级介于氧化镓感光层2和梯度氧化镍层4两种材料能级之间用于缓冲的氧化物薄层，是在氧化镓感光层2和梯度氧化镍层4之间生长的适当能级的氧化物缓冲层，用于优化界面能级不匹配、界面载流子复合严重问题。
31.上述梯度氧化镍层4，为通过ald沉积技术调控配方获得的不同载流子浓度与厚度的多层氧化镍薄膜，该梯度氧化镍层4为双层、三层或者其它多层氧化镍薄膜，通过其本征p型材料特性与氧化镓形成异质结结构促进界面载流子传输和分离，提高探测器响应速度。
32.上述源电极5，位于氧化镓感光层2上的一端，漏电极6位于梯度氧化镍层4上与源电极5相对的一端。
33.在本实施例中优选采用厚度为100～200nm蓝宝石衬底，所述氧化镓感光层厚度均为150～200nm；所述源电极5和漏电极6均采用同一种金属或合金，厚度为100～150nm；所述梯度氧化镍层4的厚度为20～30nm；上述金属采用au或al，金采用ti/au。
34.实施例二：参照图2，本发明提出的制备上述具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫外探测器的方法，具体包括如下步骤：
35.步骤1.选用蓝宝石作为衬底材料，并对其进行预处理，得到预处理后的衬底；
36.所述预处理，是首先将选取的衬底材料放入丙酮溶液超声震荡清洗20min，再换取干净的无水乙醇震荡清洗20min，在确保表面油污与灰尘除净后，使用n2烘干，得到预处理后的衬底。
37.步骤2.制备氧化镓感光层：
38.在预处理后的蓝宝石衬底上通过金属有机化合物化学气相淀积mocvd生长厚度为150～200nm的氧化镓感光层；
39.所述的金属有机化合物化学气相淀积，其工艺条件如下：反应温度为500～700℃，有机源的流量为15～25sccm，载气的流量为10～20sccm。
40.步骤3.制备氧化物缓冲层：
41.采用射频磁控溅射技术在氧化镓感光层上生长得到basno3缓冲层；
42.所述的射频磁控溅射，其工艺条件如下：使用纯度为99.99％的basno3陶瓷靶材，使用纯度大于99.999％的高纯度ar2作为溅射气体，设置溅射功率为50w，控制压强为0.5pa。之后使用真空泵将生长室内的真空度抽至为8
×
10-4
pa以下后预溅射5min，去除靶材表面的杂质；本实施例在预溅射结束后，再正式溅射10min，获得20nm的basno3缓冲层。
43.步骤4.制备双层氧化镍组成的梯度氧化镍层：
44.采用原子层沉积ald技术在缓冲层上沉积多层的5～20nm的梯度氧化镍层。
45.所述的原子层沉积ald，其工艺条件如下：(a)第一种氧化镍层：镍源保存温度设置为120℃，管道温度设置为120℃，加热温度设置为250℃，腔壁温度设置为70℃，氩气流量设置为15sccm，温度补偿设置为0.10torr，沉积配方设置为ni脉冲0.02s、purge吹扫1s、臭氧脉冲1s、reaction3s、purge吹扫5s，反应1000cycle，随后在空气氛围、温度为500℃的条件下进行退火20min，得到的氧化镍薄膜为5～10nm；(b)第二种氧化镍层：将(a)中沉积配方更改为ni脉冲0.02s、purge吹扫1s、臭氧脉冲1.5s、reacton3s、purge吹扫5s，反应1000cycle，其余工艺条件与(a)相同；(c)第三种氧化镍层：工艺条件与(a)相同，仅不进行退火；将(a)～(c)中得到的氧化镍层进行组合，获取双层或三层梯度氧化镍层。
46.步骤5.制备源电极、漏电极：
47.通过掩膜版，用热蒸镀方法在氧化镓感光层上部的一端制备金属源电极5，在梯度氧化镍层上部与金属源电极5相对的一端制备金属漏电极6，本实施例制备的源电极5和漏电极6优选采用同一种金属或合金，厚度为100～150nm；所述金属采用au或al，合金采用ti/au。完成整个器件的制备。
48.实施例三：参照图2，本实施例提出的氧化镓日盲紫外探测器的制备方法整体步骤同实施例二，现对其中部分参数及工艺条件进行具体设定，进一步详细描述本发明方法的工艺步骤：
49.制备蓝宝石衬底厚度为100nm；β-ga2o3层厚度为150nm；梯度氧化镍层为三层氧化镍，总厚度为30nm；电极采用au金属，厚度为100nm的具有缓冲层的nio/β-ga2o3梯度异质结日盲紫外光电探测器。实现如下：
50.步骤a：预处理衬底。
51.选用厚度为100nm、大小为15mm
×
15mm的蓝宝石衬底，将其依次放入丙酮溶液超声震荡清洗20min，再换取干净的无水乙醇震荡清洗20min，确保表面油污与灰尘除净后用n2烘干；
52.步骤b：制备氧化镓感光层。
53.b1)以第一步蓝宝石作为衬底，使用纯度为99.99％的ga2o3陶瓷靶材，使用纯度大于99.999％的高纯度ar2作为溅射气体；
54.b2)设置溅射的工作功率为150w，控制压强为0.5pa。之后使用真空泵将生长室内的真空度抽至为8
×
10-4
pa以下后预溅射5min，去除靶材表面的杂质；
55.b3)预溅射结束后，再正式溅射50min，获得150nm的氧化镓β-ga2o3感光层。
56.步骤c：制备氧化物缓冲层。
57.采用射频磁控溅射的方法，使用纯度为99.99％的znsno3靶材，溅射气氛为纯o2，真空度为6.7pa，溅射电压设置为700v，靶距为15mm，溅射20h，获得20nm的znsno3缓冲层。
58.步骤d：制备梯度氧化镍层。
59.d1)使用二甲基二茂镍与臭氧作为反应前驱体，镍源保存温度设置为120℃，管道温度设置为120℃，加热温度设置为250℃，腔壁温度设置为70℃，氩气流量设置为15sccm，温度补偿设置为0.10torr，沉积配方设置为ni脉冲0.02s、purge吹扫1s、臭氧脉冲1s、reaction3s、purge吹扫5s，反应1000cycle，随后在空气氛围、温度为500℃的条件下进行退火20min，得到的氧化镍薄膜为10nm；
60.d2)重复d1)步骤，沉积配方更改为ni脉冲0.02s、purge吹扫1s、臭氧脉冲1.5s、
reacton3s、purge吹扫5s，反应1000cycle，得到的氧化镍薄膜为10nm，组合得到双层的梯度氧化镍层；
61.d3)重复d1)步骤，不进行退火，得到的氧化镍薄膜为10nm，组合得到三层的梯度氧化镍层。
62.步骤e：制备源电极、漏电极。
63.通过掩膜版，用热蒸镀方法在氧化镓感光层上部的一端制备金属au源电极，在梯度氧化镍层上部与金属源电极相对的一端制备金属au漏电极，完成整个器件的制备。
64.本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
65.以上所述仅为本发明的几个较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫外探测器，其特征在于：自下而上依次包括衬底(1)、氧化镓感光层(2)、缓冲层(3)和梯度氧化镍层(4)，还包括位于氧化镓感光层(2)上的源电极(5)，位于梯度氧化镍层(4)上表面的漏电极(6)；其中，位于氧化镓感光层(2)上表面的缓冲层(3)与源电极(5)之间存在缝隙；所述氧化镓感光层(2)、缓冲层(3)和梯度氧化镍层(4)呈阶梯状；所述缓冲层(3)，为能级介于氧化镓感光层(2)和梯度氧化镍层(4)两种材料能级之间用于缓冲的氧化物薄层；所述梯度氧化镍层(4)，为通过ald沉积技术调控配方获得的不同载流子浓度与厚度的多层氧化镍薄膜；所述源电极(5)，位于氧化镓感光层(2)上的一端，漏电极(6)位于梯度氧化镍层(4)上与源电极(5)相对的一端。2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于：所述衬底(1)采用厚度为100～200nm蓝宝石衬底。3.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于：所述氧化镓感光层(2)厚度为150～200nm；所述源电极(5)和漏电极(6)均采用同一种金属或合金，厚度为100～150nm；所述梯度氧化镍层(4)的厚度为20～30nm。4.根据权利要求3所述的探测器，其特征在于：所述金属采用au或al，所述合金采用ti/au。5.制备权利要求1所述具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫外探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选用蓝宝石作为衬底材料，并对其进行预处理，得到预处理后的衬底；2)在预处理后的蓝宝石衬底上通过金属有机化合物化学气相淀积mocvd生长厚度为150～200nm的氧化镓感光层；3)采用射频磁控溅射技术在氧化镓感光层上生长得到basno3缓冲层。4)采用原子层沉积ald技术在缓冲层上沉积多层的5～20nm的梯度氧化镍层；5)通过掩膜版，用热蒸镀方法在氧化镓感光层上部的一端制备金属源电极，在梯度氧化镍层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极，完成整个器件的制备。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述预处理，是首先将选取的衬底材料放入丙酮溶液超声震荡清洗20min，再换取干净的无水乙醇震荡清洗20min，在确保表面油污与灰尘除净后，使用n2烘干，得到预处理后的衬底。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤2)中所述的化学气相淀积，其工艺条件如下：反应温度为500～700℃，有机源的流量为15～25sccm，载气的流量为10～20sccm。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述的射频磁控溅射，其工艺条件如下：使用纯度为99.99％的basno3陶瓷靶材，使用纯度大于99.999％的高纯度ar2作为溅射气体，设置溅射功率为50w，控制压强为0.5pa。之后使用真空泵将生长室内的真空度抽至为8
×
10-4
pa以下后预溅射5min，去除靶材表面的杂质；预溅射结束后，再正式溅射10min。9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤4)中所述的原子层沉积ald，其工艺条件如下：(a)第一种氧化镍层：镍源保存温度设置为120℃，管道温度设置为120℃，加热温度设置为250℃，腔壁温度设置为70℃，氩气流量设置为15sccm，温度补偿设置为0.10torr，沉
积配方设置为ni脉冲0.02s、purge吹扫1s、臭氧脉冲1s、reaction3s、purge吹扫5s，反应1000cycle，随后在空气氛围、温度为500℃的条件下进行退火20min；(b)第二种氧化镍层：将(a)中沉积配方更改为ni脉冲0.02s、purge吹扫1s、臭氧脉冲1.5s、reacton3s、purge吹扫5s，反应1000cycle，其余工艺条件与(a)相同；(c)第三种氧化镍层：工艺条件与(a)相同，仅不进行退火；将(a)～(c)中得到的氧化镍层进行组合，获取双层或三层梯度氧化镍层。

技术总结
本发明公开了一种具有缓冲层的氧化镓/氧化镍梯度异质结日盲紫外探测器及其制备方法，主要解决现有技术中界面能级不匹配、界面载流子复合严重的问题。包括：1)选用衬底并对其进行预处理；2)在预处理后的衬底上通过MOCVD生长氧化镓感光层；3)采用射频磁控溅射技术在氧化镓感光层上生长得到BaSnO3缓冲层；4)采用ALD技术在缓冲层上沉积多层的梯度氧化镍层；5)在氧化镓感光层上部的一端制备源电极，在梯度氧化镍层上部与金属源电极相对的一端制备漏电极，得到自下而上包括衬底、氧化镓感光层、缓冲层、梯度氧化镍层及源漏电极的探测器。本发明能够有效减少界面载流子复合，降低界面接触电阻，提高探测器的响应速度与性能。提高探测器的响应速度与性能。提高探测器的响应速度与性能。


技术研发人员：苏杰 陈子龙 张孜鑫 常晶晶 林珍华 张进成 郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/9/20