一种氧化镓场效应晶体管日盲探测器及其制作工艺的制作方法

本发明涉及一种效应晶体管及其制作工艺，更具体的说，尤其涉及一种氧化镓场效应晶体管日盲探测器及其制作工艺。

背景技术：

日盲探测器是能够对紫外光辐射进行接收和探测的器件，在军事和民用领域等具有极其重要的作用，发展前景非常广阔。日盲探测器对波长长于280nm的光没有响应，具有高信噪比、低误报率和很强的弱信号检测能力，同时抗辐射性能和化学稳定性超强，可以用于相对恶劣的环境。目前，它已被广泛应用于许多领域，包括导弹跟踪，臭氧空洞监测，空间通信，火焰探测和卫星。作为宽带隙（4.8ev）和直接带隙材料，氧化镓可以很好地适应日盲紫外探测的需求，此外，它在平板显示器，气体传感器和光电探测器等光电子器件中得到了广泛应用。但是通过剥离氧化镓单晶制作的场效应晶体管结构日盲探测器存在响应速度慢、光电流开关比低等问题，阻碍其在实际中的应用。

目前已经有许多关于氧化镓制作的电子器件的报道，包括场效应晶体管和日盲探测器等。中国专利文献106711270a提供了一种柔性氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法：利用气相沉积法制备氧化镓微米带材料，将其作为日盲紫外光的光敏材料，将氧化镓微米带材料转移到柔性衬底上，再结合掩模和真空镀膜方法在氧化镓微米带的两端制备金属电极，最终制备获得柔性氧化镓基日盲紫外光电探测器，利用柔性的氧化镓微米带材料结合柔性衬底制备出柔性氧化镓基日盲紫外光电探测器具有针对日盲紫外光的特征响应和柔性可弯曲的特点。柔性探测器件具有重复弯曲可恢复性，可以应用于可穿戴探测设备、弯曲屏交互设备、仿生组织等领域；可以大幅提高日盲光电探测系统的便携性、设置及设计的自由度。wenxiangmu等人[w.mu,z.jia,y.yin,q.hu,j.zhang,q.feng,y.hao,andx.tao.one-stepexfoliationofultra-smoothβ-ga2o3wafersfrombulkcrystalforphotodetectors.crystengcomm.2016,19(34)]制备了基于剥离β-ga2o3单晶的简单金属-半导体-金属（msm）结构的日盲探测器，其中光电流上升和下降时间分别为4.4s和0.14s，响应速度较慢；sooyeounoh等人[s.oh,j.kim,f.ren,s.j.pearton,andj.kim.quasi-two-dimensionalβ-galliumoxidesolar-blindphotodetectorswithultrahighresponsivity.journalofmaterialschemistryc.2016,4(39)]制备了基于剥离氧化镓单晶的场效应晶体管结构的日盲探测器，其响应时间分别为0.67s和1.56s。其响应时间虽较前者稍具优势，但仍然不能满足在实际应用中的要求，且其存在光电流开关比低的问题，这将成为其应用于实际中的巨大阻碍。

技术实现要素：

本发明针对氧化镓日盲探测器响应时间长、光电流开关比低等问题，提出一种场效应晶体管结构的氧化镓基日盲探测器及其制备方法。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器，包括衬底、栅电极、栅介质层、氧化镓沟道层、源电极和漏电极，栅介质层设置于衬底上，氧化镓沟道层设置于栅介质层上，源电极和漏电极间隔地设置于氧化镓沟道层上；其特征在于：所述氧化镓沟道层为采用机械剥离氧化镓单晶转移至栅介质层上的厚度为100-300nm的n型掺杂氧化镓薄膜。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器，所述衬底的材质为碳化硅、金刚石、硅或铜；在衬底选用导电材料时，其同时作为栅电极。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器，所述栅介质层的材质为氧化硅、氧化铝或氧化铪，栅介质层的厚度为10-100nm。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器，所述n型掺杂氧化镓的掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁸cm^-3。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器，所述源电极和漏电极均为ti/au合金，ti的厚度为10-500nm，au厚度为50-1000nm。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的制作工艺，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).衬底初步清洗，将衬底依次用去离子水、丙酮、乙醇各清洗t1时刻，然后用氮气吹干；b).衬底等离子体清洗，用等离子体清洗机在氧气氛围中清洗衬底表面t2时刻；c).转移氧化镓薄膜，将黏性胶带贴在n型掺杂氧化镓晶体上，然后快速撕下，以使氧化镓晶体表层100-300nm的薄膜粘在胶带上，然后将氧化镓薄膜转移至步骤b)获取的样品上，以形成氧化镓沟道层；d).去除转移物，将步骤c)获取的样品浸泡在有机物溶剂中，以去除黏性胶带；然后进行清洗和吹干；e).制备源、漏电极，在氧化镓沟道层的源区和漏区上分别制备源电极和漏电极。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的制作工艺，步骤a)中，如果所选衬底为非导电材料且衬底上未制备栅介质层，应在衬底上制备栅电极和栅介质层。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的制作工艺，所述选用的衬底为表面设置有二氧化硅层的si片，si片作为衬底和栅电极，si片上的二氧化硅层作为栅介质层。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的制作工艺，步骤a)中的清洗时刻t1为10分钟，步骤b)中的清洗时刻t2为3分钟；步骤d)中，将样品放在4-甲基异丁基甲酮中，加热至85℃，并浸泡10分钟，去除黏性胶带；然后将样品用异丙醇冲洗2-5分钟，然后氮气吹干。

本发明的有益效果是：本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器及制作工艺，通过采用机械剥离的方法将n型掺杂的氧化镓晶体薄膜转移至衬底上，可获得性能优良的氧化镓沟道层，在对衬底的清洗过程中，首先采用离子水、丙酮、乙醇对其进行清洗，然后再利用等离子体清洗机在氧气氛围中进行清洗，改善了栅介质层表面的亲和性，使得转移的氧化镓薄膜与栅介质层的接触更加牢固，使得所形成的氧化镓场效应晶体管日盲探测器具有高光电流开关比、快速响应的特点。

附图说明

图1为本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的结构示意图；

图2为本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的光电流曲线图。

图中：1衬底和栅电极，2栅介质层，3氧化镓沟道层，4源电极，5漏电极。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的结构示意图，其由衬底、栅电极、栅介质层2、氧化镓沟道层3、源电极4和漏电极5组成，在衬底1采用导电材料（如重掺杂si片）的情况下，其亦作为栅电极使用。如果衬底1上制备了非导电层，衬底的非导电层则作为栅介质层2使用，如具有二氧化硅层的重掺杂si片来说，重掺杂si片作为衬底和栅电极，其上的二氧化硅层则作为栅介质层2。氧化镓沟道层3设置于栅介质层2上，源电极4和漏电极5则间隔设置于氧化镓沟道层3上，氧化镓沟道层3采用n型掺杂氧化镓，其采用机械剥离氧化镓晶体，再将剥离的氧化镓薄膜转移至栅介质层上来形成。

衬底的材质可为碳化硅、金刚石、硅或铜，栅介质层2的材质可为氧化硅、氧化铝或氧化铪，栅介质层2的厚度为10-100nm。氧化镓沟道层3所采用的n型掺杂氧化镓的掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁸cm^-3。源电极4和漏电极5均为ti/au合金，ti的厚度为10-500nm，au厚度为50-1000nm。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的制作方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).衬底初步清洗，将衬底依次用去离子水、丙酮、乙醇各清洗t1时刻，然后用氮气吹干；

该步骤中，如果所选衬底为非导电材料且衬底上未制备栅介质层，应在衬底上制备栅电极和栅介质层。如果选用的衬底为表面设置有二氧化硅层的si片，si片作为衬底和栅电极，si片上的二氧化硅层作为栅介质层。清洗时间t1可为10分钟。

b).衬底等离子体清洗，用等离子体清洗机在氧气氛围中清洗衬底表面t2时刻；清洗时间t2可为3分钟。

c).转移氧化镓薄膜，将黏性胶带贴在n型掺杂氧化镓晶体上，然后快速撕下，以使氧化镓晶体表层100-300nm的薄膜粘在胶带上，然后将氧化镓薄膜转移至步骤b)获取的样品上，以形成氧化镓沟道层；

d).去除转移物，将步骤c)获取的样品浸泡在有机物溶剂中，以去除黏性胶带；然后进行清洗和吹干；

该步骤中，将样品放在4-甲基异丁基甲酮中，加热至85℃，并浸泡10分钟，去除黏性胶带；然后将样品用异丙醇冲洗2-5分钟，然后氮气吹干。

e).制备源、漏电极，在氧化镓沟道层的源区和漏区上分别制备源电极和漏电极。

如图2所示，给出了本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的光电流曲线图，如图中所示，在10s的时刻施加紫外光照，光照时间持续25s。经测量，在施加紫外光照的瞬间，以及关闭紫外光照的瞬间，本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器的上升沿和下降沿的时间仅为25ms，相比现有的日盲探测器件来说，具有快速响应的特点。由图2还可以开出，源漏极之间的最大光电流为7.9μa，根据施加的紫外光照度，计算出光电流比值为8.7×10⁵，响应度为4.79×10⁵a/w，探测能力为6.69×10¹⁴jones。

本发明的氧化镓场效应晶体管日盲探测器及其制作工艺，采用胶带把氧化镓薄膜从单晶上剥离下来，转移到衬底上，然后制备源电极和漏电极，得到氧化场效应晶体管日盲探测器。首先，用胶带剥离的氧化镓厚度很薄，仅有150nm左右，阈值电压低于传统氧化镓基场效应管器件；另外采用场效应晶体管结构，可以调控光电流开关比，提高器件的利用价值。

此项发明通过剥离高质量氧化镓单晶材料获得薄膜，并采用底栅的器件结构，使得制备工艺简单、器件性能稳定，氧化镓场效应晶体管的阈值电压为-7v，电流开关比大于10⁶。通过在氧化镓场效应晶体管的基础上进行日盲探测研究,最终得到了具有优良性能的氧化镓场效应晶体管日盲探测器。