一种光敏场效应晶体管
阅读说明：本技术 一种光敏场效应晶体管 (Photosensitive field effect transistor ) 是由 黄永 汪琼 芦雪 陈兴 王东 吴勇 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光敏场效应晶体管,包括：衬底；高阻层,设置于衬底上；光敏层和晶体管结构层,均设置于高阻层上,且光敏层和晶体管结构层之间具有间隙；晶体管结构层包括二维材料层以及与二维材料层相接触的源极、漏极和栅极,且二维材料层、源极、漏极和栅极均具有紧邻间隙的壁面；第一电极和第二电极,第一电极和第二电极分别设置于光敏层上相对应的两个端部,且第二电极设置于光敏层靠近晶体管结构层的端部,第二电极与栅极电连接；第一电极用于连接电信号。该发明中的器件通过较为简单的结构实现了光敏结构和晶体管结构的集成,结构简单,成本较低,稳定性较高,性能优异,适于控制高频信号。(The invention discloses a photosensitive field effect transistor, comprising: a substrate; the high-resistance layer is arranged on the substrate; the photosensitive layer and the transistor structure layer are arranged on the high-resistance layer, and a gap is formed between the photosensitive layer and the transistor structure layer; the transistor structure layer comprises a two-dimensional material layer, and a source electrode, a drain electrode and a grid electrode which are in contact with the two-dimensional material layer, wherein the two-dimensional material layer, the source electrode, the drain electrode and the grid electrode are provided with wall surfaces close to gaps; the first electrode and the second electrode are respectively arranged at two corresponding end parts on the photosensitive layer, the second electrode is arranged at the end part of the photosensitive layer close to the transistor structure layer, and the second electrode is electrically connected with the grid; the first electrode is used for connecting an electric signal. The device in the invention realizes the integration of the photosensitive structure and the transistor structure through a simpler structure, has the advantages of simple structure, lower cost, higher stability and excellent performance, and is suitable for controlling high-frequency signals.)
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及到一种光敏场效应晶体管。
背景技术
高电子迁移率晶体管(High electron mobility transistor，HEMT)是基于半导体化合物异质结制作的电压控制电子导电型器件，为高频、毫米波或超高速领域服务。将HEMT与光敏材料集成，可以扩展其应用领域覆盖光纤通信系统、红外光通信、紫外光通信、光电探测、辐照探测、火焰探测、激光雷达、工业温度控制、火灾预警和辐射预警等。目前，存在实现上述集成的技术方案，其一般采用在现有HEMT上叠设光敏结构的方式，但是为了调整不同层结构之间的匹配度以及集成了光敏结构和HEMT结构的器件的性能，集成器件的最终结构一般较为复杂，相应的成本也较高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于解决现有HEMT和光敏结构集成器件的结构较为复杂，成本较高的问题，提供一种光敏场效应晶体管。
为此，本发明提供了一种光敏场效应晶体管，包括：衬底；高阻层，设置于衬底上；光敏层和晶体管结构层，均设置于高阻层上，且光敏层和晶体管结构层之间具有间隙；晶体管结构层包括二维材料层以及与二维材料层相接触的源极、漏极和栅极，且二维材料层、源极、漏极和栅极均具有紧邻间隙的壁面；第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别设置于光敏层上相对应的两个端部，且第二电极设置于光敏层靠近晶体管结构层的端部，第二电极与栅极电连接；第一电极用于连接电信号。
进一步地，二维材料层设置于高阻层上，源极、漏极和栅极均设置于二维材料层上，栅极设置于源极和漏极之间。
进一步地，源极、漏极和二维材料层均设置于高阻层上，且二维材料层填充于源极和漏极之间，栅极设置于二维材料层上。
进一步地，光敏层为卤化物钙钛矿层或者类钙钛矿层。
进一步地，光敏层的厚度为100nm-5μm。
进一步地，二维材料层包括沟道层和势垒层，且势垒层设置于沟道层上。
进一步地，该光敏场效应晶体管还包括：缓冲层，缓冲层设置于衬底和高阻层之间。
进一步地，第一电极与光敏层欧姆接触或者肖特基接触，第二电极与光敏层欧姆接触或者肖特基接触。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的光敏场效应晶体管，通过将光敏层和晶体管结构层均设置在衬底上的高阻层上，并将光敏层和晶体管结构层设置为其间具有间隙，使光敏层和晶体管结构层之间不会形成影响晶体管结构层电流信息控制的界面态；通过在光敏层靠近晶体管结构层的端部设置第二电极，且将第二电极与晶体管结构层中的栅极电连接，再在光敏层上与第二电极相对应的另一端设置用于连接电信号的第一电极，从而通过较为简单的结构实现了光敏结构和晶体管结构的集成，结构简单，相应的成本也较低，且使该光敏场效应晶体管可以基于电压(通过第一电极)和光强(通过光敏层)进行综合控制，提高了其可调控性(也即适用范围较广)、灵活度和稳定性，适于控制高频信号。
2、本发明提供的光敏场效应晶体管，通过将光敏层和晶体管结构层均设置在衬底上的高阻层上，并将光敏层和晶体管结构层设置为其间具有间隙，可以阻断光敏层的耐压能力对晶体管结构层的耐压能力的影响，因而可以将光敏层设置为成本低、消光系数高、带隙可调、缺陷耐受性强，但是载流子迁移率低，耐压能力差的卤化物钙钛矿层或者类钙钛矿层，从而能够在保证该光敏场效应晶体管具有较高的耐压能力的同时，降低其制造成本，并进一步扩大其可适用范围。
3、本发明提供的光敏场效应晶体管，通过在衬底层和高阻层之间设置缓冲层，能够调节衬底与衬底上材料的晶格应力，进一步提高该光敏场效应晶体管的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光敏场效应晶体管的俯视图；
图2为图1中位置A处的一种剖视图；
图3为本发明实施例提供的一种光敏场效应晶体管的右视图；
图4为本发明实施例提供的另一种光敏场效应晶体管的右视图；
图5为图1中位置A处的另一种剖视图；
附图标记说明：
1-衬底；2-高阻层；3-光敏层；41-二维材料层；411-沟道层；412-势垒层；42-源极；43-漏极；44-栅极；5-间隙；6-第一电极；7-第二电极；8-缓冲层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种光敏场效应晶体管，如图1所示，该器件包括：衬底、高阻层、光敏层、晶体管结构层、第一电极和第二电极。
其中，如图1所示，高阻层2设置于衬底1上。在本实施例中，衬底1可以为任意适合的半导体衬底1，例如，Si衬底、深埋氧化层Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底、深埋氧化层SiC衬底或III-V族半导体材料衬底等，其中，III-V族半导体材料例如但不限于GaN或InP。在本实施例中，衬底1的厚度可以根据其上层结构的厚度以及具体应用场景中的需要进行设置，例如，衬底1的厚度可以为200μm-2000μm。在本实施例中，高阻层2只要属于具有净掺杂浓度低电阻率高的层结构即可，而对其材料不做具体限制，如其可以选用但是不限于GaN、(InAl)N、(AlGa)N和(InGa)N化合物体系以及GaAs、(InAl)As、(InGa)As和(AlGa)As化合物体系中的任意一种。
如图2所示，光敏层3和晶体管结构层均设置于高阻层2上，且光敏层3和晶体管结构层之间具有间隙5。在本实施例中，间隙5可以直接为空气间隙，也可以为其内填充有绝缘介质的间隙，只要其能够阻断光敏层3和晶体管结构层之间的紧邻关系即可。
在本实施例中，光敏层3可以为InxGa(1-x)As层，x代表In在InGa(1-x)As所含Ⅲ族元素中所占比例，0＜x＜1，也可以为Si层或者CIGS材料体系中的任意一种化合物制备的结构层；此外，基于将光敏层3和晶体管结构层均设置在衬底1上的高阻层2上，并将光敏层3和晶体管结构层设置为其间具有间隙5，可以阻断光敏层3的耐压能力对晶体管结构层的耐压能力的影响，因而可以将光敏层3设置为成本低、消光系数高、带隙可调、缺陷耐受性强，但是载流子迁移率低，耐压能力差的卤化物钙钛矿层或者类钙钛矿层，从而在保证该光敏场效应晶体管具有较高的耐压能力的同时，降低其制造成本，扩大其可适用范围，具体地，光敏层3可以为卤化物钙钛矿或类钙钛矿材料，该材料具体可以为但不限于MAPbI3、FAPbI3、CsPbBr3、CsPbI3、CsPbCl3、Cs2AgBiBr6、(NH4)3Bi2I9、CsSnI3、FASnI3、Cs2(AgNa)(InBi)Cl6或者(CsFA)Pb(IBr)3等。在本实施例中，当光敏层3为卤化物钙钛矿层或者类钙钛矿层时，其厚度可以根据具体应用场景中的入射光能量的高低进行设置，具体地，卤化物钙钛矿层或者类钙钛矿层的厚度可以为100nm-5μm中的任一厚度，而当卤化物钙钛矿层或者类钙钛矿层厚度为微米级时，能够吸收高能辐射。
如图1所示，晶体管结构层包括二维材料层41以及与二维材料层41相接触的源极42、漏极43和栅极44。在本实施例中，二维材料层41、源极42、漏极43和栅极44之间的位置和具体接触关系可以为现有场效应晶体管中具有的任意一种，只要其能够满足下述的第二电极7可与栅极44电连接(而与源极42和漏极43之间均没有电连接关系)，具体地，晶体管结构层的具体结构可以为如图3所示，二维材料层41设置于高阻层2上，源极42、漏极43和栅极44均设置于二维材料层41上，栅极44设置于源极42和漏极43之间；晶体管结构层的具体结构也可以为如图4所示，源极42、漏极43和二维材料层41均设置于高阻层2上，且二维材料层41填充于源极42和漏极43之间，栅极44设置于二维材料层41上。在本实施例中，二维材料层41包括沟道层411和势垒层412，且势垒层412设置于沟道层411上。
如图1和图2所示，第一电极6和第二电极7分别设置于光敏层3上相对应的两个端部，且第二电极7设置于光敏层3靠近晶体管结构层的端部，第二电极7与栅极44电连接，其中，第一电极6用于连接电信号。在本实施例中，第一电极6与光敏层3欧姆接触或者肖特基接触，第二电极7与光敏层3欧姆接触或者肖特基接触。在本实施例中，第二电极7与栅极44可以为采用相同金属材料制备的电极，且第二电极7和栅极44之间的具体连接方式没有限制，例如，可以对第二电极7和栅极44相交处(图1中的位置A处)的第二电极7进行延伸，使其与栅极44电连接，也可以对第二电极7和栅极44相交处的栅极44进行延伸，使其与第二电极7电连接(上述两种情况，第二电极7和栅极44相交处仍可以具有间隙5，如图5所示，当然，第二电极7和栅极44相交处也可以被填充，如图2所示)，还可以在第二电极7和栅极44相交处的间隙5中填充金属，使该填充金属与第二电极7和栅极44相连接。
如图2-图4所示，为了调节衬底1与衬底1上材料的晶格应力，提高该光敏场效应晶体管的稳定性，还可以在衬底1层和高阻层2之间设置缓冲层8。在本实施例中，为了进一步提高光敏场效应晶体管的整体器件稳定性，缓冲层8、高阻层2、沟道层411和势垒层412可以采用同一体系中的化合物，例如，缓冲层8、高阻层2、沟道层411和势垒层412可以为GaN、(InAl)N、(AlGa)N和(InGa)N化合物体系内的化合物，或者为GaAs、(InAl)As、(InGa)As和(AlGa)As化合物体系内的化合物等。
本实施例中的光敏场效应晶体管，通过将光敏层3和晶体管结构层均设置在衬底1上的高阻层2上，并将光敏层3和晶体管结构层设置为其间具有间隙5，使光敏层3和晶体管结构层之间不会形成影响晶体管结构层电流信息控制的界面态；通过在光敏层3靠近晶体管结构层的端部设置第二电极7，且将第二电极7与晶体管结构层中的栅极44电连接，再在光敏层3上与第二电极7相对应的另一端设置用于连接电信号的第一电极6，从而通过较为简单的结构实现了光敏结构和晶体管结构的集成，结构简单，相应的成本也较低，且使该光敏场效应晶体管可以基于电压(通过第一电极6)和光强(通过光敏层3)进行综合控制，提高了其可调控性(也即适用范围较广)、灵活度和稳定性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
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