应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器及制备方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器及制备方法。

背景技术：

紫外探测器作为紫外探测技术的核心器件，近几年来受到了国内外的高度重视和深入研究。紫外探测器在早期主要应用于紫外告警、紫外通信、紫外制导等军事领域，随后，紫外探测器逐渐成熟化、民用化，后来逐渐慢慢运用在紫外消毒、火灾探测、紫外固化和聚合、生物医学、光谱分析及粒子探测等其他领域。si、gaas等第一、第二代半导体可以用来制作紫外探测器，但是由于禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点而使得器件的特性和使用受到了很大的限制，特别是在高温、日光照射等恶劣环境下其局限性尤为突出。第三代半导体gan，因具有禁带宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐射能力强等优势，很好的克服了第一、第二代半导体紫外探测器的缺点，成为当前制作紫外探测器的主要材料。gan避免了si探测器中复杂的滤光系统的使用，而且解决了si探测器的光生载流子在探测器表面复合的缺点。gan基探测器为半导体全固态探测器，具有体积小、功耗低的优点，有效克服了光电倍增管需要大的功率电源和阴极制冷等缺点，并且其抗辐照能力强，能够在高空等恶劣环境下工作，这是si探测器和光电倍增管无法实现的。

红外光电探测一直是人们重点关注的地方，红外光电探测器被广泛地应用在各种领域，如火警控制系统、夜视系统、环境检测、无人驾驶、食品安全等。其中，感应水龙头、感应门、感应灯、矿产资源勘探、无损探伤、气体分析、红外成像、火警预警、红外精确制导、航空探测以及气象卫星等均使用目前现有的锗、硅、砷化铟以及磷化铟等半导体材料制备而成的红外波段探测器。然而上述半导体材料以及工艺制备复杂、成本高。硅的光响应截止波段为1100nm，单一的硅很难实现红外通讯波段的光探测器。如何在硅基上集成通信波段光电探测器是相关领域面对的一个重大难题。而在硅基上外延生长的砷化铟、磷化铟与硅存在大的晶格失配问题，而且流程复杂，工艺成本高。

早在20世纪，人们就提出关于红外-紫外双色集成探测器概念，将红外探测器与紫外探测器集成在一起。近些年来，集成红外-紫外的双色探测技术在国内外取得了长足的发展，尤其近些年宽禁带半导体外延生长技术日益成熟，高晶体质量材料的外延生长，都促进着探测器的发展。但目前红外-紫外双色集成探测器仍然没有很好的普及，其中晶格不匹配带来的红外-紫外光敏材料或探测系统集成困难、集成器件后红外探测系统的探测性能弱，以及双色集成探测器结构复杂等问题成为限制其发展的主要因素。

技术实现要素：

为了解决因晶格不匹配带来的红外-紫外光敏材料或探测系统集成困难、集成器件后红外探测系统的探测性能弱以及双色集成探测器结构复杂的问题，本发明提供一种应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器及制备方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器，主要包括：

gan单晶体材料；

在gan单晶体材料上，由左至右依次设置有：第一紫外光探测器电极、缓冲层、第二应力层和第二紫外光探测器电极；所述第二应力层两端分别与缓冲层和第二紫外光探测器电极侧面接触；

设置在缓冲层上的二维氮化物薄膜层；

在二维氮化物薄膜层上，由左至右依次设置有：第一应力层和红外光探测器电极；所述第一应力层两端分别与第一紫外光探测器电极和红外光探测器电极侧面接触。

进一步的，所述缓冲层采用aln。

进一步的，所述二维氮化物薄膜层采用二维gan。

进一步的，所述第一紫外光探测器电极、第二紫外光探测器电极、红外光探测器电极均采用金属-半导体-金属结构、欧姆结构或肖特基结构。

进一步的，所述第一应力层和第二应力层均采用类金刚石膜、氮化硅或氧化铝。

本发明的应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器的制备方法，主要包括以下步骤：

步骤一、生长自支撑gan单晶体材料；

步骤二、在gan单晶体材料上生长缓冲层；

步骤三、在缓冲层上生长二维氮化物薄膜层；

步骤四、在二维氮化物薄膜层上制备第一紫外光探测器电极和第二紫外光探测器电极；

步骤五、在二维氮化物薄膜层上制备红外光探测器电极；

步骤六、电极退火处理；

步骤七、沉积第一应力层和第二应力层。

进一步的，步骤一中，采用氢化物气相外延法、nh3与熔融ga气相传输法或提拉法生长gan单晶体材料。

进一步的，步骤二中，采用有机金属化学气相沉积法制备缓冲层。

进一步的，步骤三中，采用化学气相沉积法或有机金属化学气相沉积法制备二维氮化物薄膜层。

进一步的，步骤七中，采用磁过滤阴极真空弧沉积法、非平衡中频法或射频磁控溅射法沉积第一应力层和第二应力层。

本发明的有益效果是：

本发明利用gan单晶体材料的宽禁带宽度以及电子从导带与价带之间的带间跃迁来实现紫外波段的探测，利用二维氮化物薄膜层在电场与红外作用下，利用声子激元共振机理(声子与红外光子发生耦合共振)实现红外波段的探测，将其二者集成为一片组成红外-紫外双色光探测器，在上述探测器中，再沉积一层应力层，做成应力调控的单片同质氮化镓基红外-紫外双色集成光探测器，通过沉积应力层对器件进行应力调控，减少入射光的反射，抗反射率高，保护半导体晶体，减少漏电流，增强对光的吸收。

本发明解决了因晶格不匹配带来的红外-紫外光敏材料或探测系统集成困难、集成器件后红外探测系统的探测性能弱以及双色集成探测器结构复杂的问题，具有工艺流程简单、可操作性强、效果明显等优点，具有广阔的开发与运用前景。

附图说明

图1为本发明的应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器的结构示意图。

图2为本发明的应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器的制备方法流程图。

图中：1、gan单晶体材料，2、缓冲层，3、二维氮化物薄膜层，4、第一紫外光探测器电极，5、红外光探测器电极，6、第一应力层，7、第二紫外光探测器电极，8、第二应力层。

具体实施方式

如图1所示，本发明是应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器，主要包括：gan单晶体材料1、缓冲层2、二维氮化物薄膜层3、第一紫外光探测器电极4、红外光探测器电极5、第一应力层6、第二紫外光探测器电极7、第二应力层8。

在gan单晶体材料1上，由左至右依次设置有：第一紫外光探测器电极4、缓冲层2、第二应力层8和第二紫外光探测器电极7。

在缓冲层2上设置有二维氮化物薄膜层3。

在二维氮化物薄膜层3上，由左至右依次设置有：第一应力层6和红外光探测器电极5。

其中，第一应力层6位于第一紫外光探测器电极4和红外光探测器电极5之间，并且第一应力层6两端分别与第一紫外光探测器电极4和红外光探测器电极5侧面接触。

其中，第二应力层8位于缓冲层2和第二紫外光探测器电极7之间，并且第二应力层8两端分别与缓冲层2和第二紫外光探测器电极7侧面接触。

gan单晶体材料1为宽禁带半导体材料。gan单晶体材料1的生长方法主要有氢化物气相外延法(hvpe)、nh3与熔融ga气相传输法、提拉法等。

缓冲层2主要采用aln。以aln作为吸收紫外光的缓冲过滤层，即在红外波段与紫外波段间插入aln阻挡层，能够使入射光中的紫外波段被aln吸收过滤掉，阻挡紫外波段进入，剩下红外波段通过。缓冲层2的生长方法主要采用有机金属化学气相沉积法(mocvd)。

二维氮化物薄膜层3主要采用二维gan。二维gan是一种崭新的二维材料，在同质gan衬底外延的gan二维薄膜，是一种晶格匹配、缺陷少、表面态良好的薄膜。二维gan量子尺寸效应明显，n的2s态和2p态相互作用增强，出现能带重叠，呈现较好的导电特性。二维氮化物薄膜层3能与红外光发生声子激元共振，在薄膜上通电，相当于一个强的电场施加在氮化物表面，在薄膜表面传播的红外光子在电场的作用下，与声子发生耦合极化，产生共振，这种耦合后产生新的波，能被电信号表示出来，从而实现对红外光的探测。在gan单晶体材料1上同质外延一层二维氮化物薄膜层3，这样的外延生长，晶格匹配，减少了缺陷密度，提高了薄膜质量。二维氮化物薄膜层3的生长方法主要采用化学气相沉积法或者有机金属化学气相沉积法(mocvd)。

第一紫外光探测器电极4采用金属-半导体-金属结构、欧姆结构或肖特基结构，第二紫外光探测器电极7采用金属-半导体-金属结构、欧姆结构或肖特基结构，可以根据需要进行选择。第一紫外光探测器电极4和第二紫外光探测器电极7采用现有制备方法进行制备。其中紫外探测器和红外探测器共用第一紫外光探测器电极4。第一紫外光探测器电极4接地，然后对第二紫外光探测器电极7和红外光探测器电极5同时施加偏压，这样紫外探测器和红外探测器能同时工作。

红外光探测器电极5采用金属-半导体-金属结构、欧姆结构或肖特基结构，可以根据需要进行选择。红外光探测器电极5采用现有制备方法进行制备。

第一应力层6和第二应力层8主要采用能够产生应力的材料，例如：类金刚石膜(dlc)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(al2o3)等。这类材料硬度高，抗腐蚀性能高，对红外完全透明，而且其本身能够对半导体材料释放应力，从而调控材料在光探测器中的性能，减少入射光的反射，提高抗反射率，起到减少漏电流、保护半导体晶体的作用，从而提高器件性能。应力层主要采用磁过滤阴极真空弧沉积法、非平衡中频法或射频磁控溅射法进行制备。

本发明中，红外探测器部分基于二维氮化物薄膜层3与红外光发生声子激元共振的机理，以及紫外探测器部分基于禁带宽度为紫外波段的跃迁机理，利用声子激元共振和禁带宽度实现红外-紫外双色探测器。

如图2所示，本发明的应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器的制备方法，主要包括以下步骤：

步骤一、采用氢化物气相外延法(hvpe)、nh3与熔融ga气相传输法或提拉法生长自支撑gan单晶体材料1；

步骤二、在gan单晶体材料1上采用有机金属化学气相沉积法(mocvd)生长缓冲层2；

步骤三、在缓冲层2上采用化学气相沉积法或有机金属化学气相沉积法(mocvd)生长二维氮化物薄膜层3；

步骤四、在二维氮化物薄膜层3上采用现有技术制备第一紫外光探测器电极4和第二紫外光探测器电极7；

步骤五、在二维氮化物薄膜层3上采用现有技术制备红外光探测器电极5；

步骤六、电极退火处理；

步骤七、采用磁过滤阴极真空弧沉积法、非平衡中频法或射频磁控溅射法沉积第一应力层6和第二应力层8。

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例1

本实施例的应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器具体包括：gan单晶体材料1、缓冲层2、二维氮化物薄膜层3、第一紫外光探测器电极4、红外光探测器电极5、第一应力层6、第二紫外光探测器电极7、第二应力层8。

其中，gan单晶体材料1采用gan，缓冲层2具体采用aln，二维氮化物薄膜层3具体采用二维gan，第一紫外光探测器电极4、红外光探测器电极5、第二紫外光探测器电极7、第一应力层6和第二应力层8均采用类金刚石膜(dlc)。

本实施例的应力调控氮化镓基红外-紫外双色光探测器的制备方法具体包括以下步骤：

(1)生长自支撑gan单晶体材料：在蓝宝石上先氮化变成aln薄层或aln-al2o3薄层促进成核，或者用有机金属化学气相沉积法(mocvd)低温沉积一层gan薄层作为缓冲层，进而改善外延薄膜质量；再采用氢化物气相外延法(hvpe)生长高质量gan单晶体；然后用hcl气体与液态金属ga反应生成gacl，用gacl与nh3反应生成gan；最后采用激光剥离技术进行衬底去除，得到厚度450um的自支撑gan单晶体材料。

(2)以三甲基铝(tma)作为铝源、以氨气(nh3)作为氮源，在gan单晶体材料上采用有机金属化学气相沉积法(mocvd)生长aln层，生长2-3nm厚度的aln层。

(3)以尿素作为氮源、以液态金属镓作为镓源，在aln层上采用化学气相沉积法生长2d氮化镓薄膜层，生长4-8nm厚度的2d氮化镓薄膜层。

(4)在2d氮化镓薄膜层上制备第一紫外光探测器电极4和第二紫外光探测器电极7：利用光刻技术，用光刻胶遮挡中部2d氮化镓薄膜层部分，利用等离子刻蚀技术(icp)刻蚀掉aln层两端的2d氮化镓薄膜层，直至露出gan单晶体，然后通过真空蒸发法或者电子束蒸发法制备两端的第一紫外光探测器电极4和第二紫外光探测器电极7；然后采用liftoff技术洗掉光刻胶，所用溶液可为nmp或者丙酮。所制备的第一紫外光探测器电极4和第二紫外光探测器电极7的材料均采用可与gan形成肖特基接触或者欧姆接触的金属材料，如ti(15nm)/al(150-200nm)、ti(15nm)/au(150-200nm)形成欧姆结构，ni(15nm)/au(150-200nm)、pt(150-200nm)形成肖特基结构。

(5)在2d氮化镓薄膜层上制备红外光探测器电极5：利用光刻技术获得金属-半导体-金属结构探测器掩膜图形；然后通过真空蒸发法或者电子束蒸发法制备红外光探测器电极5，做成金属-半导体-金属结构探测器；然后采用liftoff技术洗掉光刻胶，所用溶液可为nmp或者丙酮。所制备的红外光探测器电极5的材料采用可与gan形成肖特基接触或者欧姆接触的金属材料，如ti(15nm)/al(150-200nm)、ti(15nm)/au(150-200nm)形成欧姆结构，ni(15nm)/au(150-200nm)、pt(150-200nm)形成肖特基结构。

(6)对器件进行电极退火处理。

(7)沉积应力层：采用磁过滤阴极真空弧沉积法、非平衡中频法或射频磁控溅射法沉积类金刚石膜(dlc)，类金刚石膜厚度可根据需要沉积。

本实施例制备的红外-紫外双色光探测器是一种应力调控的单片同质氮化镓基的红外-紫外双色集成光探测器，能够同时探测红外-紫外波段，gan单晶体探测紫外波段，2d氮化镓薄膜层探测红外波段，解决了目前无法实现氮化镓红外波段探测及氮化镓红外-紫外波段双色集成探测的问题，为氮化镓基实现红外波段探测提供新的途径。

本发明利用声子激元共振和禁带宽度实现同质氮化镓基的红外-紫外双色探测器，为氮化镓基红外-紫外双色集成光探测器的进一步发展和应用提供了新途径。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。