一种用于日盲紫外探测的Ga2O3肖特基雪崩光电二极管及其制备方法

本发明属于半导体光电探测器，涉及日盲紫外探测用雪崩光电二极管，具体为一种用于日盲紫外探测的ga2o3肖特基雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术：

1、日盲紫外光探测因其背景干扰小、目标信号易检测等优点使其在军事防御、安全通信、环境监测等军事民生领域受到了广泛关注。近些年来基于硅材料和其他ⅲ-ⅴ族化合物半导体材料的紫外探测器工艺已经较为成熟，但由于这些材料的禁带宽度较小，所以需要额外的价格昂贵且体积较大的滤波器才可以工作在日盲紫外波段，并且器件性能随温度升高而退化。而宽禁带半导体材料如碳化硅(sic),铝镓氮(algan),镁锌氧化物(mgzno),氧化镓(ga2o3)等因不需滤波器可直接对日盲紫外光响应、灵敏度高、抗辐射以及在日盲紫外区的高效吸收从而受到了广泛的关注。在这些材料中，二元化合物ga2o3的吸收截止边位于日盲区(约250～260nm)，其不需要合金化因而材料稳定性好、生长工艺易于控制，这些优势使ga2o3成为了日盲紫外光电探测的理想材料。

2、雪崩光电二极管是在p-i-n型光电探测器的基础上发展而来的。雪崩光电二极管是利用了光生电子和空穴在反向高电场作用下的反复碰撞而诱发的雪崩效应产生大的内部光增益，可产生大的光电流与光响应度，探测率高，适用于微弱光信号检测，在激光测距，国防预警，生命科学等光电转换系统中应用广泛。

3、目前，基于ga2o3的雪崩光电二极管已有所报道，但还处在发展的初级阶段。因为ga2o3材料难以实现p型掺杂，而p-n异质结受界面缺陷态等的限制难以实现雪崩击穿，已报道的ga2o3雪崩光电二极管主要局限于n-n异质结结构。但n-n结构势垒高度较低，暗电流不易控制在较低水平，使得n-n异质结雪崩光电二极管的背景电流噪音较大，亮暗对比度低，难以应用在光探测成像等领域。目前，对于ga2o3肖特基型雪崩光电二极管的研究非常少，2020年，西安电子科技科技大学基于机械剥离的ga2o3单晶制备了肖特基型雪崩光电二极管，在反向偏置下实现了雪崩击穿增益，并利用肖特基的单边耗尽同时实现了低的暗电流和较低的雪崩击穿电压，但机械剥离方法不适用于量产应用，其受限的尺寸及样品的随机性限制了其在探测成像以及电路集成等领域的应用。因此，发展可量产、大面积均匀、更易集成的ga2o3肖特基雪崩光电二极管具有很高的使用价值。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于日盲紫外探测的ga2o3肖特基雪崩光电二极管；本发明在ga2o3外延片上制备了横向肖特基二极管，不但通过雪崩增益效应实现了超高的光响应度，而且利用肖特基势垒使得器件暗电流保持在较低水平，同时因为肖特基二极管的单侧耗尽，器件的雪崩击穿电压较低，且外延片生长工艺重复性好、尺寸大、器件制备工艺简单，不需要考虑复杂的能带匹配，易于实施，成本较低，器件易于进行集成，具有很高的实用价值。

2、本发明还提供了上述ga2o3肖特基雪崩光电二极管的制备方法。

3、本发明的技术方案为：

4、一种用于日盲紫外探测的ga2o3肖特基雪崩光电二极管，包括由下自上依次生长的蓝宝石衬底、ga2o3外延薄膜、欧姆电极及肖特基电极。

5、根据本发明优选的，所述欧姆电极的材质为ti及au。

6、根据本发明优选的，所述欧姆电极包括底层ti及顶层au，所述底层ti的厚度为5-1000nm，所述顶层au的厚度为10-1000nm。

7、进一步优选的，所述底层ti的厚度为20nm，所述顶层au的厚度为30nm。

8、根据本发明优选的，所述肖特基电极的材质为au；所述肖特基电极的厚度为10-1000nm。

9、进一步优选的，所述肖特基电极的厚度为50nm。

10、上述ga2o3雪崩光电二极管的制备方法，包括步骤如下：

11、(1)在所述蓝宝石衬底上生长所述ga2o3外延薄膜；

12、(2)在所述ga2o3外延薄膜上生长所述欧姆电极；

13、(3)光刻定义所述肖特基电极形状，并电子束沉积所述肖特基电极。

14、根据本发明优选的，步骤(2)之后执行退火处理，具体是指：在氮气环境下使用快速退火炉在350℃条件下退火1min。

15、根据本发明优选的，步骤(1)的具体实现过程为：利用金属有机化合物化学气相沉淀，在所述蓝宝石衬底上沉积所述ga2o3外延薄膜。

16、根据本发明优选的，步骤(1)之后执行清洗操作，具体是指：依次使用丙酮40w功率超声清洗10min、乙醇40w功率超声清洗10min，氮气吹干之后备用。

17、根据本发明优选的，步骤(2)的具体实现过程为：

18、a、光刻定义横向的欧姆电极的图形；

19、b、利用电感耦合等离子体发生仪对定义好的欧姆电极的图形下暴露的ga2o3外延薄膜进行处理，工艺参数如下：

20、刻蚀功率为：icp功率为50-200w,射频(rf)功率为10-100w；

21、气体氛围为：bcl3为5-20sccm,ar为0-10sccm；

22、腔室压力为：5-20mtorr；

23、刻蚀温度为：25-50℃；

24、刻蚀时间为：1-10min。

25、c、使用电子束蒸发镀膜的方式，在步骤b处理后的所述ga2o3外延薄膜上生长欧姆电极。

26、进一步优选的，步骤b中处理的工艺参数如下：

27、刻蚀功率为：icp功率为150w,rf功率为50w；

28、气体氛围为：bcl3为15sccm,ar为5sccm；

29、腔室压力为：10mtorr；

30、刻蚀温度为：25℃；

31、刻蚀时间为：4min。

32、本发明的有益效果为：

33、本发明通过在ga2o3外延薄膜上制备了肖特基二极管，在2.95v较低的反向偏置电压下实现了雪崩击穿，雪崩增益达到了106，器件的日盲紫外光探测性能优异，响应度达到9780a/w，光暗电流比超过了107，显示了器件低背景噪声的优势，更适用于成像探测等领域。此外，其他光响应参数也较为优异，例如，外量子效率达到了4.77×106％，探测率达到了9.48×1014jones。同时这种肖特基雪崩光电二极管，不需要复杂的能带匹配，结构与制备工艺简单，非常适用于大面积阵列化成像探测集成或电路集成，说明这种方法具有很高的实用价值。

技术特征：

1.一种用于日盲紫外探测的ga2o3肖特基雪崩光电二极管，其特征在于，包括由下自上依次生长的蓝宝石衬底、ga2o3外延薄膜、欧姆电极及肖特基电极。

2.根据权利要求1所述的一种用于日盲紫外探测的ga2o3肖特基雪崩光电二极管，其特征在于，所述欧姆电极的材质为ti及au。

3.根据权利要求1所述的一种用于日盲紫外探测的ga2o3肖特基雪崩光电二极管，其特征在于，所述欧姆电极包括底层ti及顶层au，所述底层ti的厚度为5-1000nm，所述顶层au的厚度为10-1000nm；

4.根据权利要求1所述的一种用于日盲紫外探测的ga2o3肖特基雪崩光电二极管，其特征在于，所述肖特基电极的材质为au；所述肖特基电极的厚度为10-1000nm；

5.权利要求1-4任一所述的ga2o3肖特基雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

6.根据权利要求5所述的ga2o3肖特基雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，步骤(2)之后执行退火处理，具体是指：在氮气环境下使用快速退火炉在350℃条件下退火1min。

7.根据权利要求5所述的ga2o3肖特基雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，步骤(1)的具体实现过程为：利用金属有机化合物化学气相沉淀，在所述蓝宝石衬底上沉积所述ga2o3外延薄膜。

8.根据权利要求5所述的ga2o3肖特基雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，步骤(1)之后执行清洗操作，具体是指：依次使用丙酮40w功率超声清洗10min、乙醇40w功率超声清洗10min，氮气吹干之后备用。

9.根据权利要求5-8任一所述的ga2o3肖特基雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，步骤(2)的具体实现过程为：

10.根据权利要求9所述的ga2o3肖特基雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，步骤b中处理的工艺参数如下：

技术总结
本发明涉及一种用于日盲紫外探测的Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;肖特基雪崩光电二极管及其制备方法，包括由下自上的蓝宝石衬底、Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外延薄膜、横向的欧姆电极及肖特基电极。本发明通过在Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外延薄膜上制备了横向肖特基二极管，在2.95V较低的反向偏置电压下实现了雪崩击穿，雪崩增益达到了10<supgt;6</supgt;，器件的紫外日盲光探测性能优异，响应度达到9780A/W，光暗电流比超过了10<supgt;7</supgt;，显示了器件高对比度、低背景噪声的优势，非常适用于成像探测或光控逻辑电路领域。此外该雪崩光电二极管的其他光响应参数也较为优异，例如，外量子效率达到了4.77×10<supgt;6</supgt;％，探测率达到了9.48×10<supgt;14</supgt;Jones。本发明不需要复杂的能带匹配，结构与制备工艺简单，易于大面积阵列化成像探测集成及电路集成，具有很高的应用价值。

技术研发人员：辛倩,颜世琪,宋爱民
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13