一种基于二维晶格的紫外单波长msm光电探测器的制造方法
【专利摘要】一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，属于半导体光电子器件【技术领域】。提供一种利用量子限制效应实现可调控单波长、且更容易发挥量子能级态密度高这一优势的基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器。包括衬底、具有量子能级的二维晶格和金属叉指电极；所述二维晶格在衬底上交替生长，交替生长的周期为至少20个；每个交替生长周期的二维晶格由第一介质膜层与第二介质膜层形成，第一介质膜层的禁带落在第二介质膜层的禁带中，成为半导体Ⅰ类超晶格，第一介质膜层作为势阱，第二介质膜层作为势垒，金属叉指电极与二维晶格形成肖特基接触。
【专利说明】—种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体光电子器件【技术领域】，涉及一种金属-半导体-金属(MSM)光电探测器，尤其涉及一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器。
【背景技术】
[0002]紫外探测技术在军事和民用领域有着广阔的应用前景。其在军事方面，可用于导弹制导、导弹预警、紫外通讯等；在民用方面，可用于火焰检测、环境监测、生物医药分析等，已成为近年来国际上光电探测技术的研究热点之一。紫外探测技术常见的固态探测器的结构包括金属-半导体-金属(MSM)、光电导、p-1-n型等结构。相比之下,MSM结构凭借电容小、平面型、无需掺杂、制备工艺简单、便于单片光电集成等诸多优点备受青睐。
[0003]当前，人们开发日盲紫外200~280nm波段MSM光电探测器主要基于III族氮化物直接宽带隙半导体。其中由GaN和AlN构成的三元混晶AlxGapxN材料禁带宽度随Al组分可以从3.4eV调控到6.2eV，对应的吸收带边可连续地从365nm变化到200nm，因此被视为制作日盲区紫外探测器的理想材料。然而，常规的AlxGahN基半导体紫外光电探测器对于波长短于吸收带边的紫外光均会响应(A.Knigge, et.al, “AlGaN photodetectorsfor the UV-C spectral region on planar and epitaxial laterally overgrown AlN/sapphire templates, ”Physica Status Solidi (C), vol.10, n0.3, pp.294-297, Mar.2013.;F.Xie, et.al, “Large-area solar-blind AlGaN-based MSM photodetectors withultra-low dark current, ^Electronics Letters, vol.47, n0.16，p.930，2011.)而对该口向应范围内特定波长的紫外光信号不具分辨和探测能力，制约了半导体紫外光电探测器的应用；另一方面，由于高Al组分AlxGahN (x>0.4)薄膜外延生长技术尚不成熟，生长的薄膜缺陷密度高(Y._L.Tsai, et.al, “Observation of compositional pulling phenomenonin AlxGa1^N(0.4<x<l.0) films grown on (0001) sapphire substrates,，，Applied PhysicsLetters, vol.82，n0.1, p.31，2003.)，制约着AlxGai_xN基紫外光电探测器往短波长方向的发展。
[0004]近来，基于二维晶格材料研制新型光电探测器受到了越来越多的关注。二维晶格是指一种只有单个或几个原子层厚度的二维材料，其电子结构呈分立的量子态，且有效带隙比其体材料禁带宽度更宽，因此基于二维晶格材料的紫外光电探测器将有利于克服常规AlxGa1J基光电探测器存在的上述问题，为研发新型日盲紫外光电探测器带来新契机。
【发明内容】
[0005]本发明的目的旨在克服当前AlxGahN基紫外MSM光电探测器的不足，提供一种利用量子限制效应实现可调控单波长、且更容易发挥量子能级态密度高这一优势的基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器。
[0006]本发明包括衬底、具有量子能级的二维晶格和金属叉指电极；
[0007]所述二维晶格在衬底上交替生长，交替生长的周期为至少20个；每个交替生长周期的二维晶格由第一介质膜层与第二介质膜层形成，第一介质膜层的禁带落在第二介质膜层的禁带中，成为半导体I类超晶格，第一介质膜层作为势阱，第二介质膜层作为势垒，金属叉指电极与二维晶格形成肖特基接触。
[0008]所述衬底可为同质衬底或异质衬底；所述同质衬底可为氮化镓或氮化铝单晶等；所述异质衬底可为蓝宝石或碳化硅等。
[0009]所述交替生长的周期可为20?200个；优选80?110个。
[0010]所述第一介质膜层可为氮化镓单晶或铝镓氮混晶等。
[0011]所述第二介质膜层可为氮化铝单晶或铝镓氮混晶等。
[0012]所述金属叉指电极可为钛/金、镍/金或钛/钼/金组合等。
[0013]所述异质衬底表面最好外延生长有AlN基质层，AlN基质层厚度可为IOOnm?Ium0 AlN基质层作为缓冲层。AlN基质层可以释放应力，减小蓝宝石衬底与二维晶格材料的晶格失配，确保晶体生长的良好质量。
[0014]与现有技术比较，本发明的有益效果如下:
[0015]1、本发明所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，引入二维晶格。通过外延生长第一介质膜层和第二介质膜层，形成二维晶格。第一介质膜层的禁带完全落在第二介质膜层的禁带中。由于第一介质膜层厚度仅为单个或数个原子层，形成第一介质膜层的二维晶格。这时，载流子沿二维晶格法线方向的运动受到限制，形成分立的量子能级，而非第一介质膜层对应体材料状态下的连续能带。当有紫外光照射时，空穴量子能级上电子吸收光子能量后被激发跃迁到电子量子能级，形成电子空穴对。在外加偏置电压作用下，电子、空穴分别向正、负极漂移形成光电流。因此，本发明引入具有量子能级的二维晶格，有利于实现单一波长的探测。
[0016]2、本发明所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，可通过改变势阱第一介质膜层的厚度，调控量子能级间能差，可设计出不同单波长的光电探测器。而且随着势阱层变窄(固定垒厚情况下)，电子和空穴量子能级间能差越来越大于第一介质膜层对应体材料状态下的禁带宽度，响应波长向短波方向移动，有利于实现深紫外光的探测。
[0017]3、本发明所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，二维晶格在垂直于异质界面方向的电子输运性质受控于势垒。在这里量子隧穿效应起着支配作用。本发明通过控制第二介质膜层垒厚，形成量子能级间载流子隧穿，增强相邻势阱间耦合，以利于载流子在垂直二维晶格z方向的输运。尽管量子能级态密度高，但由于每层二维晶格厚度薄，能够吸收的紫外光有限，单凭一层二维晶格响应的光电流较传统的以体材料为基底的MSM光电探测器更弱。本发明所述的光电探测器通过二维晶格层间的量子隧穿，更容易发挥量子能级态密度高的优势，以获得较高的量子效率及响应度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例的结构示意图(封装前)。在图1中，各标记表示:1.衬底；
2.一个周期的二维晶格；3.第一介质膜层；4.第二介质膜层；5.金属叉指电极；6.缓冲层。
[0019]图2为本发明实施例的响应光电流谱线。在图2中，横坐标表示波长(nm)，纵坐标表不光电流(A)。【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
[0021]本发明包括衬底1、缓冲层6、多个在衬底I上交替生长周期的具有量子能级的二维晶格2 (由第一介质膜层3和第二介质膜层4构成)及金属叉指电极5。
[0022]衬底I为蓝宝石(异质衬底)，所述的蓝宝石表面外延生长有AlN基质层，AlN基质层厚度可为IOOnm?Ιμπι。AlN基质层作为缓冲层6。AlN基质层可以释放应力，减小蓝宝石衬底与二维晶格材料的晶格失配，确保晶体生长的良好质量。每个交替生长周期的二维晶格2由第一介质膜层3与第二介质膜层4形成,第一介质膜层3的禁带完全落在第二介质膜层4的禁带中，成为半导体I类超晶格，第一介质膜层3作为势阱，第二介质膜层4作为势垒，金属叉指电极5与二维晶格2形成肖特基接触。
[0023]所述第一介质膜层材料为GaN。所述第二介质膜层材料为A1N。所述金属叉指电极材料为钛/金(Ti/Au)。
[0024]所述叉指电极5的长度为300 μ m，宽度为6 μ m，叉指电极5的间距为6 μ m。
[0025]本实施例所述的基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器的制造方法如下:
[0026]I)采用金属有机物气相外延(MOVPE)技术在异质衬底蓝宝石上沿[0001]方向外延生长。生长过程中采用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)作为III族源，高纯氨(NH3)作为V族源，高纯氢气(H2)作为载气；
[0027]2)在如步骤I)所述的异质衬底上高温外延AlN基质层，厚度约为Iym;
[0028]3)在如步骤2)所述的AlN基质材料上交替生长若干周期的第一介质膜层GaN和第二介质膜层，第一介质膜层GaN和第二介质膜层AlN形成势阱和势垒，即构成二维晶格。通过控制TMG、TMA和NH3的流量及外延生长时间，调节二维晶格第一介质膜层GaN和第二介质膜层AlN的厚度。第一介质膜层GaN势阱层的厚度外延2个原子层(GaN单个原子层的厚度为2.6 A)。二维晶格每个周期的生长步骤为:
[0029]a.生长带隙相对较窄的势阱，即第一介质膜层GaN ；
[0030]b.生长带隙相对较宽的势垒，即第二介质膜层AlN ；
[0031]c.结束一个周期的生长，外延进入下一次循环。
[0032]4)在如步骤3)所述的二维晶格上采用标准的工艺方法，采用光刻(Karlsuss MA6/BA6)、电子束蒸发(Temescal FC2000)及剥离技术制备出10nm/200nm的Ti/Au金属叉指电极。叉指电极的长度为300 μ m,宽度为6 μ m,叉指间距为6 μ m。
[0033]5 )将步骤4 )制备出金属叉指电极的器件在400 V氮气氛围中快速热退火300s，使金属叉指电极与二维晶格形成肖特基接触，从而制成本实施例所述的基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器。
[0034]将本实施例所述的基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器通过以下实验装置进行测试。其暗电流、光电流及光谱响应通过Keithley2410型电源表和Keithley6514型静电计进行测试。采用450W的氙灯作为光源，从MSM光电探测器正面即金属叉指电极一侧入射。如图2所示，探测器的响应波长位于250nm附近，外加3V电压时响应峰的半高宽约为278meV，实现了对单一深紫外波长光信号的探测。由图2可见，响应光电流随外加偏置电压的增大而增大。
[0035]通过本实施例表明，本发明所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，可实现深紫外区域探测波长的单一性。而且通过改变势阱第一介质膜层的厚度，调控量子能级间能差，可实现对深紫外区域不同单波长光信号的探测。
【权利要求】
1.一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于包括衬底、具有量子能级的二维晶格和金属叉指电极； 所述二维晶格在衬底上交替生长，交替生长的周期为至少20个；每个交替生长周期的二维晶格由第一介质膜层与第二介质膜层形成，第一介质膜层的禁带落在第二介质膜层的禁带中，成为半导体I类超晶格，第一介质膜层作为势阱，第二介质膜层作为势垒，金属叉指电极与~维晶格形成肖特基接触。
2.如权利要求1所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述衬底为同质衬底或异质衬底。
3.如权利要求2所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述同质衬底为氮化镓或氮化铝单晶。
4.如权利要求2所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述异质衬底为蓝宝石或碳化硅。
5.如权利要求1所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述交替生长的周期为20~200个。
6.如权利要求5所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述交替生长的周期为80~110个。
7.如权利要求1所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述第一介质膜层为氮化 镓单晶或铝镓氮混晶。
8.如权利要求1所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述第二介质膜层为氮化铝单晶或铝镓氮混晶。
9.如权利要求1所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述金属叉指电极为钛/金、镍/金或钛/钼/金组合。
10.如权利要求1所述的一种基于二维晶格的紫外单波长MSM光电探测器，其特征在于所述的异质衬底表面外延生长有AlN基质层，AlN基质层厚度为IOOnm~I μπι，AlN基质层作为缓冲层。
【文档编号】H01L31/0248GK103474503SQ201310461747
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】康俊勇, 高娜, 黄凯, 陈雪, 林伟, 李书平, 陈航洋, 杨旭, 李金钗 申请人:厦门大学