一种氧化镓日盲光电探测器及其制备方法与流程

本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种氧化镓日盲光电探测器及其制备方法。

背景技术：

光电探测器是一类能将光信号转化为电信号的光电子器件。日盲波段指波长范围在200-280nm的紫外光，日盲光电探测器具有背景干扰小的突出优点，在导弹预警、火灾遥感、高压电监测、非视距保密光通信等领域具有广阔的应用前景。日盲光电探测器主要包括外光电效应探测器和内光电效应探测器。外光电效应探测器基于材料中电子在吸收一定波长光后可以获得足够能量，从材料内部发射出来的原理制成，主要包括光电倍增管、光电管等。需要高真空和高电压、体积大、易碎等缺点限制了外光电效应探测器在现代电子系统中的应用。半导体中电子吸收一定波长光子后可以发生从价带到导带的跃迁，产生光生电子和光生空穴(统称为光生载流子)，这被称为内光电效应。内光电效应日盲探测器不需要真空，可以微型化，是目前的研究热点。内光电效应光电探测器的探测机理主要有两种，若器件内部不存在内建电场，光生载流子使得半导体的电导率上升，通过器件的电流增大，这称为光电导效应。若器件内部存在内建电场，光生电子和空穴会在内建电场的推动下分离并分别向器件两端运动，产生光生电动势，这称为光伏效应。当两种类型不同的半导体相互接触时，由于能带不匹配，在两种半导体的接触面两侧会产生内建电场。内建电场通常由pn结构建，金属-半导体(肖特基结)间也存在内建电场。

氧化镓是理想的日盲探测材料，目前报道的基于氧化镓的日盲光电探测器所采用的结构可以分为两类：垂直结构和平面结构。垂直结构中电极分别生长在氧化镓层的上下两侧，平面结构中电极生长在氧化镓层的同一侧。垂直结构的制备过程较为复杂，增加了生产制造成本。平面结构的制备简单，但电极产生的电场集中在氧化镓的表面，氧化镓内部几乎没有电场分布，这导致器件的有效吸光区域存在于氧化镓的表面，器件的光电流也主要在表面区域流动。然而半导体表面常常存在大量由悬挂键、吸附物等带来的缺陷，这导致平面结构光探测器的性能较差。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种氧化镓日盲光电探测器及其制备方法，用于至少部分解决传统平面型日盲光电探测器电场分布不均匀、探测性能较差等技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提供了一种氧化镓日盲光电探测器，包括：衬底001；氧化镓吸光层002，为3ds形循环结构；3d叉指电极003，设于氧化镓吸光层002的3ds形循环结构的两侧壁，形成一对相互交叉的叉指结构的电极；3d叉指电极003的高度不低于氧化镓吸光层002的高度。

进一步地，氧化镓吸光层002的3ds形循环结构的高度大于2nm。

进一步地，3ds形循环结构线条宽度为0.01-500μm，线条空隙宽度为0.01-500tm。

进一步地，衬底001的材料为氧化镓、蓝宝石、硅、氧化硅、玻璃以及pen中的一种或多种。

进一步地，3d叉指电极003的材料为ti、cr、ni、pt、au、ag、w、in、al、ru、pd、tin、ta、tan和ito的一种或多种。

进一步地，3d叉指电极003的高度为2nm-2μm。

进一步地，3d叉指电极003超出氧化镓吸光层002的高度为0-500nm。

本发明另一方面提供了一种氧化镓日盲光电探测器的制备方法，包括：s11，在衬底001上形成氧化镓吸光层002；s12，在氧化镓吸光层002上形成3ds形循环结构；s13，在氧化镓吸光层002的3ds形循环结构的两侧壁生长电极，形成一对相互交叉的3d叉指电极003，3d叉指电极003的高度不低于氧化镓吸光层002的高度。

进一步地，在氧化镓吸光层002上形成的3ds形循环结构的高度大于2nm。

本发明还有一方面提供了一种氧化镓日盲光电探测器的制备方法，包括：s21，在氧化镓衬底001上形成3ds形循环形貌；s22，在氧化镓吸光层001的3ds形循环结构的两侧壁生长电极003，形成一对相互交叉的3d叉指电极003，3d叉指电极003的高度不低于氧化镓吸光层002的高度。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种氧化镓日盲光电探测器及其制备方法，通过将氧化镓吸光层设置为3ds形循环结构，并在3ds形循环结构两侧壁形成一对相互交叉的叉指结构的电极，使得器件内部电场分布更加均匀，电极收集光生载流子的能力更强，同时减少了表面缺陷对载流子传输的影响，有利于提高器件的响应度、响应速度等性能参数。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例氧化镓日盲光电探测器的结构示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例氧化镓日盲光电探测器的3ds形循环结构的顶视图；

图3示意性示出了根据本发明实施例氧化镓日盲光电探测器的3ds形循环结构示意图；

图4示意性示出了根据本发明实施例氧化镓日盲光电探测器的制备方法的流程图；

图5示意性示出了根据本发明实施例氧化镓日盲光电探测器的衬底材料为氧化镓时的制备方法流程图。

图6示意性示出了根据本发明实施例中的3d叉指器件和传统平面叉指器件的光响应电流-时间曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的实施例提供了一种氧化镓日盲光电探测器，请参见图1，包括衬底001；氧化镓吸光层002，为3ds形循环结构；3d叉指电极003，设于氧化镓吸光层002的3ds形循环结构的两侧壁，形成一对相互交叉的叉指结构的电极；3d叉指电极003的高度不低于氧化镓吸光层002的高度。

请参见图1，这里日盲光电探测器的半导体吸光材料选用氧化镓，是因为相比于其他材料，氧化镓应用于日盲探测具有显著优势：ga2o3是直接带隙半导体，具有4.9ev的超宽禁带，直接对应于日盲波段，不需要滤波片或掺杂。超宽的禁带宽度也使ga2o3具有比其他半导体材料更强的抗辐照能力，同时，ga2o3具有较高的化学稳定性，这些使得ga2o3可以应用于高温、高辐照等极端环境。目前，ga2o3已可以通过导模法生长得到高质量单晶并实现可控的n型掺杂。相比于其他生长方法，导模法的成本更低，这为未来ga2o3的实用化奠定了基础。

请参见图1，氧化镓吸光层的3ds形循环结构使得电极可生长于3ds形循环结构的两侧壁，形成相互交叉的叉指结构，该多重交叉的结构使得电场更加均匀地分布于氧化镓内部，同时还减小了半导体表面缺陷对光电探测器性能的影响。电场均匀分布于整个器件，使得器件的有效吸光区域增大，实现了高响应度、快响应速度的高性能日盲探测。

3d叉指电极003的高度不低于氧化镓吸光层002的高度是为了将氧化镓产生的光生载流子收集完全。图2为3ds形循环结构顶视图，氧化镓吸光层的3ds形循环结构的左右两端分别有一个与3ds形相连接的方块，方便后续使用探针测试或引线键合。

在上述实施例的基础上，氧化镓吸光层002的3ds形循环结构的高度大于2nm。

3ds形循环结构的高度h大于2nm，详情请参见图3，是为了增大对入射日盲光的吸收率。

在上述实施例的基础上，3ds形循环结构线条宽度为0.01-500μm，线条空隙宽度为0.01-500μm。

这里3ds形循环结构线条宽度是指形成s形循环结构的氧化镓吸光层的线条宽度w，线条空隙宽度为相邻s形循环结构线条之间距离的缝隙宽度d，详情请参见图2，该线条宽度范围、线条空隙宽度范围使得电极能均匀地生长于3ds形循环结构的两侧壁，使电场分布更加均匀。

在上述实施例的基础上，衬底001的材料为氧化镓、蓝宝石、硅、氧化硅、玻璃以及pen中的一种或多种。

衬底001的材料为常见衬底材料，这里并不限定于衬底只能为上述6种材料。衬底可以为氧化镓材料，则3ds形循环结构直接在衬底上形成，氧化镓是目前用于内光电效应日盲光电探测器的半导体材料之一，由于氧化镓具有4.9ev的超宽禁带和较高的化学稳定性，且可以通过导模法生长得到高质量单晶并实现可控的n型掺杂。相比于其他材料，氧化镓应用于日盲探测具有显著优势。

在上述实施例的基础上，3d叉指电极003的材料为ti、cr、ni、pt、au、ag、w、in、al、ru、pd、tin、ta、tan和ito的一种或多种。

3d叉指电极003的材料为常见电极材料，同衬底材料类似地，这里并不限定于3d叉指电极只能为上述电极材料。

在上述实施例的基础上，3d叉指电极003的高度为2nm-2μm。

3d叉指电极003的高度与3ds循环结构上表面平齐或超出，

在上述实施例的基础上，3d叉指电极003超出氧化镓吸光层002的高度为0-500nm。

3d叉指电极003的高度不低于3ds循环结构的高度，3d叉指电极在氧化镓吸光层002两侧壁生长的高度不会过高，这是因为原子层沉积技术(atomiclayerdeposition，ald)等电极生长技术的限制。

图6示意性示出了本发明中的3d叉指器件与传统平面叉指器件的光响应电流-时间曲线对比图，可以看出，3d叉指器件收集光生载流子的能力更强，器件的响应性能更优。

本发明的另一实施例提供了一种氧化镓日盲光电探测器的制备方法，包括：s11，在衬底001上形成氧化镓吸光层002；s12，在氧化镓吸光层002上形成3ds形循环结构；s13，在氧化镓吸光层002的3ds形循环结构的两侧壁生长电极，形成一对相互交叉的3d叉指电极003，3d叉指电极003的高度不低于氧化镓吸光层002的高度。

请参见图4，同常规半导体工艺制程类似，首先需要准备衬底，在衬底001上形成氧化镓吸光层002，具体过程为通过金属有机化合物化学气相沉积(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)、分子束外延(molecularbeamepitaxy，mbe)等方法生长氧化镓，即为操作s11；在氧化镓吸光层002上形成3ds形循环结构，具体过程为在氧化镓吸光层上涂覆光刻胶并光刻，再通过感应耦合等离子体刻蚀(inductivelycoupledplasma，icp)等手段除去部分氧化镓，即为操作s12；在氧化镓吸光层002的3ds形循环结构的两侧壁生长电极，具体过程为通过ald、磁控溅射等方法生长电极，即为操作s13，流程结束。

在上述实施例的基础上，氧化镓吸光层002上形成的3ds形循环结构的高度大于2nm。

3ds形循环结构的高度h大于2nm，详情请参见图3，是为了将氧化镓产生的光生载流子收集完全。

本发明的还有一实施例提供了另一种氧化镓日盲光电探测器的制备方法，包括：s21，在氧化镓衬底001上形成3ds形循环形貌；s22，在氧化镓吸光层001的3ds形循环结构的两侧壁生长电极003，形成一对相互交叉的3d叉指电极003，3d叉指电极003的高度不低于氧化镓吸光层002的高度。

请参见图5，本制备方法中衬底材料即为氧化镓材料，故无需再单独形成吸光层，直接在在氧化镓衬底001上形成3ds形循环形貌即可，即为操作s21；操作s22中具体操作过程与操作s13中过程类似。

综上所述，3d叉指结构的器件结构设计使得金属电极埋入氧化镓内部，在外加偏压时，电场分布深入氧化镓内部，而不是只集中于表面。这样在离表面较远的区域产生的光生载流子也可以被收集，使得器件的量子效率和响应度上升。同时，大部分的光生电流在远离表面的区域传导，使得表面缺陷对器件性能的影响降低，器件的响应速度、线性响应范围等参数得到提高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。