一种氧化镓日盲紫外探测器
阅读说明：本技术 一种氧化镓日盲紫外探测器 (Gallium oxide solar blind ultraviolet detector ) 是由 刘宁涛 张文瑞 叶继春 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种氧化镓日盲紫外探测器,包括衬底层、氧化镓层、钝化层、铁电层和电极层,所述氧化镓层设置在所述衬底层的表面,所述钝化层设置在所述氧化镓层的表面,所述铁电层设置在所述钝化层的表面,所述铁电层覆盖部分所述钝化层,所述电极层覆盖于所述氧化镓层之上。本发明设计了一种新型氧化镓日盲紫外探测器,通过引入铁电层,利用铁电材料自发极化形成的局域场,调控铁电层覆盖下氧化镓层的能带结构,由此实现氧化镓层同质PN/NPN/PNP结的构建,提高探测器的光电增益和光生载流子的分离效率,从而获得低功耗、高可靠性、高灵敏度的日盲紫外光电探测器。(The invention provides a gallium oxide solar-blind ultraviolet detector which comprises a substrate layer, a gallium oxide layer, a passivation layer, a ferroelectric layer and an electrode layer, wherein the gallium oxide layer is arranged on the surface of the substrate layer, the passivation layer is arranged on the surface of the gallium oxide layer, the ferroelectric layer is arranged on the surface of the passivation layer, the ferroelectric layer covers part of the passivation layer, and the electrode layer covers the gallium oxide layer. The invention designs a novel gallium oxide solar blind ultraviolet detector, which is characterized in that a ferroelectric layer is introduced, and a local field formed by spontaneous polarization of a ferroelectric material is utilized to regulate and control an energy band structure of a gallium oxide layer covered by the ferroelectric layer, so that the construction of a homogeneous PN/NPN/PNP junction of the gallium oxide layer is realized, the photoelectric gain of the detector and the separation efficiency of a photon-generated carrier are improved, and the solar blind ultraviolet detector with low power consumption, high reliability and high sensitivity is obtained.)
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种氧化镓日盲紫外探测器。
背景技术
日盲紫外探测器利用对应日盲区的特征紫外工作波段(200nm-280nm)，可以有效避免空间太阳背景辐射的影响，具有高灵敏度、保密性强、低背景干扰、虚警率低等特点，在军事预警、保密通讯以及环境监测等方面应用广泛。
氧化镓(Ga2O3)是一种新兴的超宽带隙半导体材料(Eg＝4.9eV)，其具有α，β，γ，δ，ε五种不同的结构，其中属于单斜相的β-Ga2O3最为稳定，其可以实现整个日盲区内带隙连续可调，且其高质量单晶衬底的制备工艺已相对完善，是目前国际上研发新一代日盲紫外光电探测器的重点前沿方向。在已报道的基于氧化镓材料的光电探测器中，金属-半导体-金属(MSM)结构的探测器是最简单的，但其光暗电流比，开关速度等性能参数也是相对较差的。经典的硅基PN/PIN型探测器由于其自身的整流特性，反向工作时一般具有较小的暗态电流，较大的光暗电流比，以及较快的开关速度，因此受到了广泛关注和研究。
目前，关于N型掺杂β-Ga2O3的研究已取得了显著进展，研究人员通过Si或者Sn的掺杂可以实现电子浓度从1016-1019cm-3甚至更高的范围内变化，但关于P型掺杂β-Ga2O3的研究却鲜有报道。现有技术中，为了构建PN型氧化镓日盲探测器，P型β-Ga2O3主要用其他半导体材料来代替，如SiC、GaN、Si及SnO2等。然而，这种异质结构存在一定的局限性，如晶格失配引起的缺陷和界面态，导带不匹配引起的载流子阻挡，以及异质材料引起的长波响应等。综上，氧化镓探测器研究的主要难点在于同质PN结的设计与制备，其成为了高性能日盲紫外探测器发展的重要瓶颈，严重制约着探测器光电性能进一步地优化与提升。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于优化和提升探测器光电性能，提出一种基于铁电局域场的新型氧化镓日盲紫外探测器。
为解决上述问题，本发明提供一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层、氧化镓层、钝化层、铁电层和电极层，所述氧化镓层设置在所述衬底层的表面，所述钝化层设置在所述氧化镓层的表面，所述铁电层设置在所述钝化层的表面，所述铁电层覆盖部分所述钝化层，所述电极层与所述氧化镓层接触。
相对于现有技术，本发明设计了一种新型氧化镓日盲紫外探测器，通过引入铁电层，利用铁电材料的强局域场，调控铁电层覆盖下氧化镓层的能带结构，由此实现氧化镓层同质PN/NPN/PNP结的构建，显著提高探测器的光电增益和光生载流子的分离效率，从而获得低功耗、高可靠性、高灵敏度的日盲紫外光电探测器。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层覆盖于所述钝化层的一个连续区域，所述电极层包括设置在所述钝化层两侧的电极，所述铁电层与所述一侧电极接触。由此铁电层由一连续的铁电薄膜构成，其在钝化层上覆盖一连续区域，铁电层的铁电薄膜未覆盖的区域为探测器的吸光区域，通过在铁电薄膜上施加电场可以改变铁电薄膜的极化方向，进而调控铁电层覆盖下的氧化镓层的能带结构，铁电层与一侧电极接触，实现同质PN结的构建。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层于所述钝化层的一个连续区域，所述电极层包括设置在所述钝化层两侧的电极，所述铁电层与两侧所述电极均不接触。由此铁电层由一连续的铁电薄膜构成，其在钝化层上覆盖一连续区域，铁电层的铁电薄膜未覆盖的区域为探测器的吸光区域，通过在铁电薄膜上施加电场可以改变铁电薄膜的极化方向，进而调控铁电薄膜覆盖下的氧化镓层的能带结构，铁电层与两侧电极均不接触，实现同质NPN/PNP结的构建。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层覆盖于所述钝化层的多个非连续区域。由此铁电层由非连续的铁电薄膜构成，其在钝化层上覆盖多个不连续的区域，铁电层的铁电薄膜未覆盖的区域为探测器的吸光区域，通过在铁电薄膜上施加电场可以改变铁电薄膜的极化方向，进而调控铁电薄膜覆盖下的氧化镓层的能带结构，实现同质NPN/PNP结的构建。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层覆盖1/3-2/3的所述钝化层。由此保证探测器的光吸收量，提高探测器的响应度。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层的材料选自Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料或聚偏氟乙烯基聚化物等中的一种。由此选择铁电性能优异的材料，其极化强度高，有利于调节氧化镓层的能带结构。
在优选或可选的实施方式中，所述铁电层的厚度介于20nm-300nm。由此保证铁电薄膜具有较佳的铁电性能。
在优选或可选的实施方式中，所述钝化层的材料选自Si3N4、SiO2、Al2O3、HfO2中的一种。由此钝化层选择具有高的禁带宽度的材料，保证日盲波段的紫外线不被钝化层吸收。
在优选或可选的实施方式中，所述钝化层的厚度介于5nm-100nm。由此保证日盲波段的紫外线能有效透过钝化层，且钝化层粗糙度较小。
在优选或可选的实施方式中，所述氧化镓层的材料选自非晶氧化镓、多晶氧化镓、单晶氧化镓中的一种。
在优选或可选的实施方式中，所述衬底层的材料选自单晶Ga2O3、蓝宝石Al2O3、GaN、AlN、石英、单晶硅中的一种。
在优选或可选的实施方式中，所述电极的材料选自Ti、Al、Ni、Au、Mo、Pt中的一种或多种。
综上，相对与现有技术，本发明氧化镓日盲紫外探测器具有以下有益效果：探测器中通过引入铁电层，利用铁电材料的强局域场，调控薄膜的能带结构，构建基于氧化镓薄膜的同质PN或NPN结，实现光子捕获与载流子输运效率的同时提升，从而得到了低功耗、高可靠性、高灵敏度的日盲紫外光电探测器；氧化镓层表面引入一定厚度的界面钝化层，降低氧化镓薄膜的界面缺陷，减少光生载流子复合，提升载流子的输运效率，钝化层起到界面缓冲作用，有效地提高氧化镓层的光电响应，为高性能氧化镓探测器的实现提供了保障；钝化层的引入对氧化镓层起到保护作用，避免后续铁电薄膜制备过程中对氧化镓层产生损伤。
附图说明
图1为本发明实施例1氧化镓日盲紫外探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例2氧化镓日盲紫外探测器的结构示意图；
图3为本发明实施例3氧化镓日盲紫外探测器的结构示意图。
附图中本公开实施例主要元件符号说明：
1-衬底层，2-氧化镓层，3-钝化层，4-铁电层，5-电极层第一电极，6-电极层第二电极。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的实施例公开一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层、氧化镓层、钝化层、铁电层和电极层，氧化镓层设置在衬底层的表面，钝化层设置在氧化镓层的表面，铁电层设置在钝化层的表面，铁电层覆盖部分钝化层，电极层与氧化镓层接触，电极层包括设置在钝化层两侧的电极。通过引入铁电层，利用铁电材料自发极化形成的局域场，调控铁电层覆盖下氧化镓层的能带结构，由此就可以构建氧化镓层同质PN/NPN/PNP结，相对于现有技术中的异质结构，同质结构能提高探测器光生载流子的分离效率，提高光电增益，从而获得低功耗、高可靠性、高灵敏度的日盲紫外光电探测器。
本发明的实施例中，衬底层的材料可以选择单晶Ga2O3，蓝宝石Al2O3，GaN，AlN、石英、单晶硅等，选择适于氧化镓薄膜生长的衬底材料。氧化镓层的材料可以选择非晶氧化镓、多晶氧化镓或单晶氧化镓。钝化层的材料可以选择Si3N4，SiO2，Al2O3或HfO2等，这些材料具有较高的禁带宽度，保证日盲波段的紫外线能透过钝化层照射到氧化镓层。铁电层用于调控氧化镓层的能带结构，构建同质PN或NPN结，因此需要选择铁电性能优异、极化强度高的材料，铁电层的材料可以选择Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料或聚偏氟乙烯(PVDF)基聚化物等。电极的材料可以选择Ti、Al、Ni、Au、Mo、Pt等金属中的一种或多种组合。
本发明的实施例中，对于铁电层的空间分布进行限定，铁电层由连续的铁电薄膜或非连续的铁电薄膜构成，可以分布于钝化层的一个连续区域或多个非连续区域之上，铁电薄膜与电极之间接触或不接触，由此实现PN/NPN/PNP结的构建。为了增加光吸收量，提高探测器的响应度，铁电层不宜覆盖过多的钝化层，优选覆盖比例为1/3-2/3。另外铁电层的厚度会影响铁电材料的铁电性能，如果太薄小于20nm，铁电性能会受到抑制甚至消失，太厚超过300nm将导致铁电薄膜表面粗糙度增加，进而导致铁电薄膜漏电增加，铁电性能下降，因此为了维持较好的铁电性能，限制铁电层的厚度介于20nm-300nm，优选100nm-200nm，此范围内铁电薄膜的铁电性能更佳。
本发明的实施例中，氧化镓层表面引入一定厚度的界面钝化层，降低氧化镓薄膜的界面缺陷，减少光生载流子复合，提升载流子的输运效率；钝化层起到界面缓冲作用，有效地提高氧化镓层的光电响应，为高性能氧化镓探测器的实现提供了保障。另外钝化层的引入对氧化镓层起到保护作用，避免后续铁电薄膜制备过程中对氧化镓层产生损伤。由于材料生长过程中不可避免的缺陷问题，钝化层会吸收日盲波段的紫外线，因此钝化层不可太厚。另外由于要在钝化层之上生长铁电层，因此要保证钝化层表面的粗糙度尽可能小，薄膜厚度一般同粗糙度成正相关，基于此方面的考虑薄膜也不宜太厚，综上因素限定钝化层的厚度介于5nm-100nm，优选5nm-20nm。
以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
结合图1所示，本实施例为一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层1、氧化镓层2、钝化层3、铁电层4、电极层第一电极5和电极层第二电极6。
衬底层1材料为单晶Ga2O3；氧化镓层2设置在衬底层1的表面，氧化镓层2材料为单晶氧化镓；钝化层3设置在氧化镓层2的表面，钝化层3材料为Si3N4，钝化层3的厚度为5nm；铁电层4设置在钝化层3的表面，铁电层4材料为Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料，铁电层4的厚度为20nm；电极层第一电极5和电极层第二电极6设置在钝化层3两侧，并与氧化镓层2接触，电极层第一电极5材料为Ti/Au，电极层第二电极6材料为Ti/Au。
铁电层4由单个连续铁电薄膜构成，其分布于钝化层3的一侧，与电极层第一电极5接触。通过在铁电层4上施加电场改变铁电薄膜的极化方向，进而调控铁电层4覆盖下的氧化镓薄膜的能带结构，实现同质PN结的构建。铁电层4覆盖1/3的钝化层3，铁电层4未覆盖的另一侧区域为探测器的吸光区域。
实施例2
结合图2所示，本实施例为一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层1、氧化镓层2、钝化层3、铁电层4、电极层第一电极5和电极层第二电极6。
衬底层1材料为蓝宝石Al2O3；氧化镓层2设置在衬底层1的表面，氧化镓层2材料为单晶氧化镓；钝化层3设置在氧化镓层2的表面，钝化层3材料为SiO2，钝化层3的厚度为20nm；铁电层4设置在钝化层3的表面，铁电层4材料为BaTiO3基铁电材料，铁电层4的厚度为100nm；电极层第一电极5和电极层第二电极6设置在钝化层3两侧，并与氧化镓层2接触，电极层第一电极5材料为Ni/Au，电极层第二电极6材料为Ni/Au。
铁电层4区域由单个连续的铁电薄膜构成，其分布于钝化层3中部，与电极层第一电极5、电极层第二电极6均不接触。通过在铁电层4上施加电场改变铁电层4的极化方向，进而调控铁电层4覆盖下的氧化镓薄膜的能带结构，实现同质NPN/PNP结的构建。铁电层4覆盖1/2的钝化层3，铁电层4未覆盖的区域为探测器的吸光区域。
实施例3
结合图3所示，本实施例为一种氧化镓日盲紫外探测器，包括衬底层1、氧化镓层2、钝化层3、铁电层4、电极层第一电极5和电极层第二电极6。
衬底层1材料为GaN；氧化镓层2设置在衬底层1的表面，氧化镓层2材料为单晶氧化镓；钝化层3设置在氧化镓层2的表面，钝化层3材料为Al2O3，钝化层3的厚度为100nm；铁电层4设置在钝化层3的表面，铁电层4材料为BiFeO3基铁电材料，铁电层4的厚度为300nm；电极层第一电极5和电极层第二电极6设置在钝化层3两侧，并与氧化镓层2接触，电极层第一电极5材料为Au，电极层第二电极6材料为Au。
铁电层4由非连续的铁电薄膜构成，其分布于钝化层3的中部，覆盖两个独立的区域，铁电层4包含的铁电薄膜与电极层第一电极5、电极层第二电极6均不接触。通过在铁电层4上施加电场改变铁电层4的极化方向，进而调控铁电层4覆盖下的氧化镓薄膜的能带结构，实现同质NPN/PNP结的构建。铁电层4覆盖2/3的钝化层3，铁电层4未覆盖的区域为探测器的吸光区域。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于，衬底层1材料为AlN；钝化层3材料为HfO2，钝化层3的厚度为10nm；铁电层4材料为(Bi,Na)TiO3基铁电材料，铁电层4的厚度为50nm，铁电层4覆盖1/2的钝化层3；电极层第一电极5材料为Mo/Al/Mo，电极层第二电极6材料为Mo/Al/Mo。
实施例5
本实施例与实施例2不同之处在于，衬底层1材料为石英；氧化镓层为非晶或多晶氧化镓，钝化层3材料为Si3N4，钝化层3的厚度为30nm；铁电层4材料为聚偏氟乙烯(PVDF)基聚化物，铁电层4的厚度为200nm，铁电层4覆盖2/5的钝化层3；电极层第一电极5材料为Ti/Al/Ti，电极层第二电极6材料为Ti/Al/Ti。
实施例6
本实施例与实施例3不同之处在于，衬底层1材料为单晶硅；氧化镓层为非晶或多晶氧化镓，钝化层3材料为SiO2，钝化层3的厚度为50nm；铁电层4材料为Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料，铁电层4的厚度为150nm，铁电层4包括三个独立的铁电薄膜覆盖区域，铁电层4覆盖1/3的钝化层3；电极层第一电极5材料为Ti/Al/Ni/Au，电极层第二电极6材料为Ti/Al/Ni/Au。
实施例7
本实施例与实施例4不同之处在于，衬底层1材料为单晶Ga2O3；钝化层3材料为Al2O3，钝化层3的厚度为15nm；铁电层4材料为BiFeO3基铁电材料，铁电层4的厚度为30nm，铁电层4覆盖1/3的钝化层3；电极层第一电极5材料为Ni/Au，电极层第二电极6材料为Ti/Au。
实施例8
本实施例与实施例5不同之处在于，衬底层1材料为GaN；钝化层3材料为SiO2，钝化层3的厚度为60nm；铁电层4材料为BaTiO3基铁电材料，铁电层4的厚度为120nm，铁电层4覆盖2/3的钝化层3；电极层第一电极5材料为Ti/Al/Ti，电极层第二电极6材料为Mo/Al/Mo。
实施例9
本实施例与实施例6不同之处在于，衬底层1材料为石英；钝化层3材料为HfO2，钝化层3的厚度为8nm；铁电层4材料为(Bi,Na)TiO3基铁电材料，铁电层4的厚度为80nm，铁电层4包括四个独立的铁电薄膜覆盖区域，铁电层4覆盖3/5的钝化层3；电极层第一电极5材料为Pt，电极层第二电极6材料为Ti/Au。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。