一种氧化镓/氮化镓异质结光电探测器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种氧化镓/氮化镓异质结光电探测器及其制备方法 (Gallium oxide/gallium nitride heterojunction photoelectric detector and preparation method thereof ) 是由 李炳生 韩玉蕊 王月飞 徐海阳 刘益春 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种氧化镓/氮化镓异质结光电探测器及其制备方法,包括以下步骤：步骤1、氮化镓薄膜层的制备：步骤2、氮化镓薄膜从表面向下逐渐氧化形成不同厚度的氧化镓层；步骤3、氧化镓/氮化镓异质结器件的制备；本发明通过热氧化GaN的方法制备了β-Ga2O3/GaN异质结,该方法避免了外部杂质的引入引起的界面缺陷,其工艺简单,降低了器件的制备成本,制备的器件具有响应度高、暗电流小、稳定性好等特点。(The invention relates to a gallium oxide/gallium nitride heterojunction photoelectric detector and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: step 1, preparing a gallium nitride thin film layer: step 2, the gallium nitride film is gradually oxidized from the surface downwards to form gallium oxide layers with different thicknesses; step 3, preparing a gallium oxide/gallium nitride heterojunction device; the beta-Ga 2O3/GaN heterojunction is prepared by the method for thermally oxidizing GaN, the method avoids interface defects caused by the introduction of external impurities, the process is simple, the preparation cost of the device is reduced, and the prepared device has the characteristics of high responsivity, small dark current, good stability and the like.)
技术领域
本发明涉及属于半导体器件领域，尤其是涉及一种氧化镓/氮化镓异质结光电探测器及其制备方法。
背景技术
太阳光谱包含很宽的电磁波波长范围，紫外辐射是整个光谱的一部分。由于地球大气对波长低于200 nm的光有强烈吸收作用，导致其极难在大气中传播。而平流层中臭氧层对波长在200-280 nm的光有强烈吸收，使太阳光谱中这一波段的光波几乎无法到达地面，所以被称之为日盲波段。由于日盲紫外信号在大气层中的背景噪声很低，使得日盲紫外探测器件通常具有较高的信噪比和灵敏度。因此在紫外光探测红，日盲区的探测尤为受到关注。其可被广泛应用于导弹预警、空间保密通信、臭氧监测、高压电网监测等军事和民生领域。
常用作日盲紫外探测的半导体材料有AlGaN、MgZnO、金刚石、Ga2O3等。其中AlGaN和MgZnO为三元合金材料，优点为可以通过改变组分比例来调节材料光响应波段，缺点为随着合金中Al（Mg）组分的提高，高质量材料生长的难度系数增大。AlGaN中随着Al组分的提高，薄膜的质量严重退化，极大地影响器件的探测性能。而MgZnO中，随着Mg组分的提高，材料出现相分离，使得高质量的材料难以获得。金刚石的响应光谱位于225nm以下，使得其在日盲波段的探测效率不高。β-Ga2O3作为宽禁带氧化物半导体材料，其禁带宽度为4.9eV，其光响应峰值刚好位于日盲波段，是一种理想的天然日盲紫外探测材料。
常用的宽禁带半导体光电探测器件结构有光电导型、肖特基型和pn结型。器件结构的不同，使得器件在光电性能方面具有各自不同的特点。其中pn结型器件是以少数载流子的传输占主导的少子型器件，由于少子本身浓度比较低，光生载流子对少子浓度的改变往往是量级上的，因此pn结型探测器通常具有较高的探测灵敏度，信噪比也较高。本征β-Ga2O3材料为n型导电，其p型材料的制备比较困难，通常利用其它p型宽禁带半导体材料与其结合形成异质结型探测器用于日盲紫外探测。其中由于氮化镓（GaN）材料的生长技术比较成熟，通常被用来制备β-Ga2O3/GaN异质结。异质结的制备过程通常是先生长GaN层，然后在GaN层上生长β-Ga2O3。在生长β-Ga2O3之前，GaN薄膜通常会接触空气，在表面不可避免地沾染一些杂质，对异质结的界面引入缺陷，不利于高性能器件的制备。因此，如何减少异质结界面缺陷是在β-Ga2O3异质结器件制备中需要解决的问题之一。
发明内容
本发明设计了一种氧化镓/氮化镓异质结光电探测器及其制备方法，其解决的技术问题是现有技术中在生长β-Ga2O3之前，GaN薄膜通常会接触空气，在表面不可避免地沾染一些杂质，对异质结的界面引入缺陷，不利于高性能器件的制备。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种氧化镓/氮化镓异质结光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、氮化镓薄膜层的制备：（1）清洗衬底；（2）利用薄膜生长设备在清洗后的衬底上制备氮化镓薄膜层；
步骤2、氮化镓薄膜从表面向内逐渐氧化形成不同厚度的氧化镓层：（1）取步骤1中的氮化镓薄膜放入可通气氛的高温炉中；（2）设定氧化温度、氧化时间、氧化压强和氧化过程中的气体流量，对氮化镓薄膜进行热氧化，使得氮化镓薄膜层部分氧化为氧化镓层，完毕后将样品取出；
步骤3、氧化镓/氮化镓异质结器件的制备：（1）取步骤2热氧化后的样品，对其进行表面刻蚀处理，将表层氧化镓层进行部分去除将氮化镓层露出，获得需要的结构图形；（2）在露出的氧化镓层和露出的氮化镓薄膜层分别制备欧姆接触电极，获得垂直结构的异质结，光电探测器制备完成。
优选地，所述步骤1中，所述衬底为可应用于薄膜生长的耐高温衬底，包括蓝宝石、碳化硅、硅、氧化镓、氮化铝、氮化镓或石英玻璃。
优选地，所述的步骤1中，生长设备为可应用于薄膜生长的设备，包括分子束外延、磁控溅射、脉冲激光沉积或金属有机化学气象沉积。
优选地，所述的步骤2中，高温炉为可通入氧气的管式炉、箱式炉或高压炉。
优选地，所述的步骤2中，氧化过程中通入的气体为纯氧气或者氧气和惰性气体的混合气。
优选地，所述的步骤2中，氧化温度范围500~1200 ℃；氧化时间范围0~12小时；氧化压强范围1~106Pa。
优选地，所述的步骤2中，如果使用的高温炉进行气体流量调节，则氧气流量范围为1~500sccm。
优选地，所述的步骤3中，刻蚀方法为干刻或湿刻可将氧化镓薄膜去除的方法。
优选地，所述的步骤3中，所述接触电极为金属或其它可与薄膜形成欧姆接触的材料。
一种使用上述制备方法制得的氧化镓/氮化镓异质结光电探测器。
该氧化镓/氮化镓异质结光电探测器及其制备方法具有以下有益效果：
（1）本发明通过热氧化GaN的方法制备了β-Ga2O3/GaN异质结，该方法避免了外部杂质的引入引起的界面缺陷，其工艺简单，降低了器件的制备成本，制备的器件具有响应度高、暗电流小、稳定性好等特点。
（2）本发明在步骤2中，因为通常异质结的生长是先生长第一层氮化镓层，然后再生长第二层氧化镓层，第二层生长之前通常是将第一层生长后的薄膜从生长设备取出放入第二层薄膜的生长设备中，转移过程中会接触空气，而第一层薄膜表面会吸附空气中的灰尘或气体分子，然后在第二次的生长过程中这些吸附物会残留在两个薄膜的界面上影响其界面质量。而本发明方法省略了第二次的生长，直接将第一层直接氧化并且是从外向内的逐渐氧化，整个过程可以避免了杂质的引入。
（3）本发明方法另一个优点是界面性能比较好，一般情况下，通过外延方法实现氧化镓/氮化镓异质结，界面会有大量的缺陷。主要是因为两种材料晶相不一样，一个是六角结构，一个是单斜晶系，界面处会有大量的悬挂键。而在本发明方法中，通过热氧化使得表面氮化镓转化为氧化镓，因此界面悬挂键会少一些。
附图说明
图1为本发明β-Ga2O3/GaN异质结截面扫描电镜图。
图2为本发明β-Ga2O3/GaN异质结的XRD图。
图3为本发明β-Ga2O3/GaN异质结器件的暗态和光照下的IV曲线图。
图4为本发明β-Ga2O3/GaN异质结器件的光响应谱。
具体实施方式
下面结合图1至图3，对本发明做进一步说明：
下面将通过具体的实施例，进一步说明本发明的内容，以便更好地理解本发明的内容。
实施例1：
步骤1：GaN薄膜的制备。首先清洗衬底，取直径为2英寸的单抛c面蓝宝石衬底，依次利用丙酮、酒精、去离子水对其超声清洗10分钟，取出氮气吹干后将其放入生长腔，利用金属有机化学气相沉积的方法外延生长GaN薄膜，薄膜为六方纤锌矿型结构，呈（002）取向，厚度约4μm。
步骤2：GaN薄膜的氧化。首先将步骤一制备的GaN薄膜放入管式炉的恒温区，设置热氧化温度为900℃，氧化时间3h，升温速率5℃/min，氩气流量100 sccm，氧气流量30sccm，氧化压力1×105Pa，得到热氧化后的样品。
步骤3：器件的制备。首先将得到的样品部分放入100℃的浓磷酸溶液中，静置1min后取出，用去离子水冲洗，完成对β-Ga2O3的刻蚀，将下层GaN薄膜露出。然后利用热蒸发的方法在β-Ga2O3和GaN上分别蒸镀金属Al作为欧姆电极，即完成器件的制备。
图1为器件的截面扫描电镜图，不同材料有明显的界限，从上到下依次为β-Ga2O3、GaN和蓝宝石衬底。
图2为β-Ga2O3/GaN异质结构的XRD图，图中可以看出有β-Ga2O3、GaN和蓝宝石衬底的衍射峰，其中标出了β-Ga2O3的衍射峰，其为（-201）取向，GaN和蓝宝石衬底都为（002）取向。表明通过热氧化的方法成功制备了β-Ga2O3薄膜。
图3为β-Ga2O3/GaN异质结构的IV图，图中可以看出器件在紫外光照后电流发生了明显的变化，光响应特性良好。
图4为器件在紫外波段的光谱响应。图中可以看出器件在250 nm和370 nm都出现了响应峰，呈现出双波段探测的特性，其在日盲波段和可见忙波段的响应度值分别为15mA/W和7mA/W。
实施例2：
本实施例除下述特征外，其它均与实施例 1 相同：本实施例中热氧化温度为1000℃，热氧化时间为1 h，氧气流量为20 sccm，热氧化压强为1×103Pa。
实施例3：
本实施例除下述特征外，其它均与实施例 1 相同：本实施例中利用脉冲激光沉积的方法制备GaN薄膜，热氧化温度为800℃，热氧化时间为3 h，氧气流量为50 sccm。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
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