一种具有光吸收增强作用的氧化镓日盲光电探测器结构及其制备方法

1.本发明涉及一种具有光吸收增强作用的氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构及其制备方法，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.由于大气臭氧层的强烈吸收，来自太阳光波长为200-280nm的紫外辐射在地球表面几乎不存在，因此该波段被称为日盲波段。由于几乎不受太阳光的影响，工作在该波段的日盲光电探测器具有高精度、高灵敏度、强抗干扰能力的优势，在导弹追踪、医学成像、火灾防范、臭氧空洞监测、紫外通信等军用和民用领域具有重要的应用价值。作为直接带隙半导体材料，氧化镓的禁带宽度为4.9ev，对应本征吸收长波限为254nm，是一种理想的日盲光电探测材料。氧化镓具有吸收系数大、化学稳定性和热稳定性高、击穿场强高的优点，能够在严苛条件下实现器件的应用，是目前日盲光电探测器领域的研究热点。此外，氧化镓单晶可以通过导模法制备并实现可控的n型掺杂，生产成本更低。但在实际的应用过程中，所被探测的日盲信号大都非常微弱，因此，低的响应度极大的限制了氧化镓日盲光电探测器的发展和应用。
3.在氧化镓表面构建纳米结构，通过纳米结构实现光子与材料之间的相互作用，降低反射、增强吸收，是目前提高氧化镓材料响应度的一种方法。纳米孔阵列结构能够增大材料的比表面积，在材料表面形成陷光结构，使得光在表面微结构中进行多次反射，从而增强光吸收。并且当纳米孔的结构尺寸与入射光波长相当时，纳米孔结构可以等效为一层新的介质，在材料与空气之间引入折射率梯度。根据菲涅尔公式，折射率梯度的引入可以有效降低器件表面的反射率，从而增强器件对光的吸收率，进一步能够提高光电器件的响应度，因此，氧化镓纳米孔阵列结构在光电领域具有更大的应用优势。
4.目前，获取氧化镓纳米孔的方法主要有等离子体刻蚀法和镓金属自反应刻蚀法。其中等离子体刻蚀法获取氧化镓纳米孔的过程中，大都采用bcl3、cl2等气体进行刻蚀，这不可避免的在氧化镓表面引入了其他杂质缺陷，造成器件具有较大的暗电流，从而降低器件性能，并且制备纳米孔阵列时需要预先沉积硬掩膜的步骤也使得该方法工艺复杂，成本较高；镓金属自反应刻蚀法虽然不会在氧化镓表面引入杂质缺陷，但无法精确控制孔的深度、占空比等参数，使得目前在氧化镓纳米孔阵列结构参数方面缺乏一定的理论分析。有鉴于此，有必要开发一种基于氧化镓纳米孔阵列的日盲光电探测器，通过较为简单的工艺获取参数可调控的氧化镓纳米孔阵列，提高氧化镓器件的响应度，优化器件性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有光吸收增强作用的氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构；本发明还提供了上述日盲光电探测器结构的制备方法，该制备方法制备过程简单有效。
6.本发明的技术方案为：
7.一种具有光吸收增强作用的氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构，由下自上依次包括绝缘衬底、氧化镓薄膜、纳米孔阵列以及金属电极。
8.根据本发明优选的，所述纳米孔阵列刻蚀在所述氧化镓薄膜的上表面，并且呈现二维周期性点阵排列。
9.根据本发明优选的，所述纳米孔阵列为具有二维周期点阵排列的圆孔，圆孔周期范围为0-300nm，占空比范围为0-1，刻蚀深度为0-300nm。
10.进一步优选的，圆孔周期为150-250nm，占空比范围为0.75-0.85，刻蚀深度为50-150nm。
11.最优选的，圆孔周期为200nm，占空比为0.8，刻蚀深度为100nm。
12.根据本发明优选的，所述氧化镓薄膜采用机械剥离氧化镓单晶转移到所述绝缘衬底表面获得，厚度为100-300nm，宽度为5-30μm，长度为30-100μm；所述氧化镓薄膜为n型掺杂，掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
×
10
19
cm-3
。
13.最优选的，所述氧化镓薄膜的厚度为200nm，宽度为10μm，长度为20μm；所述氧化镓薄膜为n型掺杂，掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
。
14.根据本发明优选的，所述绝缘衬底为氧化硅、氧化铝或氧化铪。
15.根据本发明优选的，所述金属电极位于所述纳米孔阵列的两侧，所述金属电极为ti/au合金，ti/au合金厚度为15-30μm，其中，ti厚度为50-500nm，au厚度为20-1000nm，尺寸为50
×
50μm。
16.上述具有光吸收增强作用的氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构的制备方法，包括步骤如下：
17.(1)采用机械剥离氧化镓单晶获取的氧化镓薄膜转移到绝缘衬底表面；
18.(2)在氧化镓薄膜表面制备纳米孔阵列；
19.(3)在纳米孔阵列的两侧制备金属电极，既得。
20.根据本发明优选的，步骤(1)之前执行如下操作：将绝缘衬底依次用丙酮、异丙醇、乙醇分别超声清洗5分钟，并用氮气吹干。
21.根据本发明优选的，步骤(1)的具体实现过程包括：
22.首先，将胶带粘在掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3-1
×
10
19
cm-3
的氧化镓单晶上，快速撕下，并将胶带反复对撕5-10次，此时胶带表面存在大量厚度为100-300nm的氧化镓薄膜；
23.然后，将胶带贴到绝缘衬底上，静置12h后撕下，完成氧化镓薄膜到绝缘衬底的转移；
24.最后，将获取的样品放置在氧等离子体清洗机中清洗30-90min，去除氧化镓薄膜表面的残留胶。
25.根据本发明优选的，步骤(2)的具体实现过程包括：
26.将步骤(1)获得的样品，放置在聚焦离子束设备中，定义刻蚀图案，并使用ga离子束进行刻蚀，其中，刻蚀图案为具有二维周期点阵排列的圆孔，圆孔周期范围为0-300nm，占空比范围为0-1，刻蚀深度为0-300nm。
27.根据本发明优选的，步骤(2)之后执行快速热退火，具体是指：使用快速热退火(rta)设备，在氧气氛围中进行快速热退火，退火温度为300-700℃，时间为3-10min。
150nm范围内时，器件具有较大的吸收率比无纳米孔结构平均吸收率增加了13％。
45.图3是实施例提供的一种氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构的吸收率、透射率、反射率及平均吸收率随孔径占空比变化的计算结果示意图；图3中(a)是吸收率、透射率、反射率及平均吸收率随孔径占空比变化的计算结果示意图；图3中(b)是透射率随孔径占空比变化的计算结果示意图；图3中(c)是反射率随孔径占空比变化的计算结果示意图；图3中(d)是平均吸收率随孔径占空比变化的计算结果示意图；纳米孔阵列1增强材料光吸收的能力受到占空比的影响，当占空比在0.8附近时，器件的平均吸收率接近0.85，达到最大值。
46.图4是实施例提供的一种氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构的反射率、透射率、吸收率及平均吸收率随孔径周期变化的计算结果示意图。图4中(a)是反射率随孔径周期变化的计算结果示意图；图4中(b)是透射率随孔径周期变化的计算结果示意图；图4中(c)是吸收率随孔径周期变化的计算结果示意图；图4中(d)是平均吸收率随孔径周期变化的计算结果示意图；当纳米孔的深度和占空比确定时，可以通过更改纳米孔阵列1的周期来获得最优的吸收效果，当纳米孔阵列1的周期在200nm附近时，平均吸收率为0.85，比氧化镓薄膜2的吸收率增加了0.15。
47.氧化镓薄膜2采用机械剥离氧化镓单晶转移到绝缘衬底4表面获得，厚度为100-300nm，宽度为5-30μm，长度为30-100μm；氧化镓薄膜2为n型掺杂，掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
×
10
19
cm-3
。
48.绝缘衬底4为氧化硅、氧化铝或氧化铪。
49.金属电极3位于纳米孔阵列1的两侧，金属电极3为ti/au合金，ti/au合金厚度为15-30μm，其中，ti厚度为50-500nm，au厚度为20-1000nm，尺寸为50
×
50μm。
50.实施例3
51.根据实施例2所述的一种具有光吸收增强作用的氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构，其区别在于：圆孔周期为150-250nm，占空比范围为0.75-0.85，刻蚀深度为50-150nm。
52.实施例4
53.根据实施例2所述的一种具有光吸收增强作用的氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构，其区别在于：圆孔周期为200nm，占空比为0.8，刻蚀深度为100nm。氧化镓薄膜2的厚度为200nm，宽度为10μm，长度为20μm；氧化镓薄膜2为n型掺杂，掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
。
54.实施例5
55.实施例1-4任一所述的具有光吸收增强作用的氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构的制备方法，包括步骤如下：
56.(1)采用机械剥离氧化镓单晶获取的氧化镓薄膜2转移到绝缘衬底4表面；
57.(2)在氧化镓薄膜2表面制备纳米孔阵列1；
58.(3)在纳米孔阵列1的两侧制备金属电极3，既得。
59.实施例6
60.根据实施例5所述的具有光吸收增强作用的氧化镓纳米孔阵列日盲光电探测器结构的制备方法，
61.步骤(1)之前执行如下操作：将绝缘衬底4依次用丙酮、异丙醇、乙醇分别超声清洗
5分钟，并用氮气吹干。
62.步骤(1)的具体实现过程包括：
63.首先，将胶带粘在掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3-1
×
10
19
cm-3
的氧化镓单晶上，快速撕下，并将胶带反复对撕5-10次，此时胶带表面存在大量厚度为100-300nm的氧化镓薄膜2；
64.然后，将胶带贴到绝缘衬底4上，静置12h后撕下，完成氧化镓薄膜2到绝缘衬底4的转移；
65.最后，将获取的样品放置在氧等离子体清洗机中清洗30-90min，去除氧化镓薄膜2表面的残留胶。
66.氧化镓单晶相比于外延生长的氧化镓薄膜2具有质量高、成本低、器件性能高的优点，因此选择采用机械剥离氧化镓单晶转移到绝缘衬底4表面获取氧化镓薄膜2。
67.步骤(2)的具体实现过程包括：将步骤(1)获得的样品，放置在聚焦离子束设备中，定义刻蚀图案，并使用ga离子束进行刻蚀，其中，刻蚀图案为具有二维周期点阵排列的圆孔；刻蚀面积与氧化镓薄膜2宽度及金属电极3间距有关。
68.相比于等离子体刻蚀以及自反应刻蚀方法，采用ga离子束的聚焦离子束(fib)刻蚀能够在不需要引入硬掩膜和杂质离子的情况下获得纳米孔阵列1，工艺简单，因此选择具有ga离子束的聚焦离子束设备制备纳米孔阵列1。
69.步骤(2)之后执行快速热退火，具体是指：使用快速热退火(rta)设备，在氧气氛围中进行快速热退火，退火温度为300-700℃，时间为3-10min。以此来修复高能ga离子束在氧化镓薄膜2表面引起的表面缺陷。
70.步骤(3)的具体实现过程包括：采用电子束蒸发工艺在纳米孔阵列1两侧沉积间隔为15-30μm的ti/au合金，其中ti厚度为50-500nm，au厚度为20-1000nm，电极尺寸为50
×
50μm。最终形成基于氧化镓纳米孔阵列1的日盲光电探测器。