一種背對背肖特基結構的BeMgZnO基紫外探測器及其製備方法與流程

2023-09-16 09:39:10

本發明屬於紫外探測技術領域。更具體地，涉及一種背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器及其製備方法。

背景技術：

紫外探測是繼紅外探測和雷射探測之後發展起來的另外一種重要的探測技術，廣泛應用於軍事和日常生活中。對於軍事上來說，由於噴氣機、火箭和飛彈在發射和飛行的過程中輻射出大量的紫外線，因此發展紫外探測技術將有助於提高我們的空間防務，保障我們的國土安全。在民用方面，紫外探測也有廣泛的應用，比如礦井可燃氣體和汽車尾氣的監測、環境汙染的監測、dna測試和海底漏油監測等等。

目前，商用的紫外探測器主要有光電倍增管、si紫外探測器和gan寬禁帶半導體探測器，他們有一定的優勢，但也有一些明顯的不足。光電倍增管需要在高壓下工作，因此需配帶有高壓源而顯得體積笨重，而且易損壞。si紫外探測器有三個明顯的缺點：（1）對可見光有很強的吸收，因此需要附帶一個複雜的濾光系統，提高了造價；（2）對紫外線的吸收很強，造成紫外光的穿透深度很淺，降低了量子效率；（3）空間抗輻照性差，限制了其在太空的應用。寬禁帶半導體gan作為第三代半導體材料，具有寬禁帶、不需要濾光系統、輕巧便攜等優點，而且通過algan合金化可以使禁帶寬度在3.4ev到6.2ev之間連續可調。但是gan材料的生長溫度高，能耗高，熱穩定性和空間抗輻照特性較差，這些都限制了其在太空探測的應用。

另外，zno作為另一種寬禁帶的半導體，具有生長溫度低，原材料豐富，激子束縛能高、電子誘生缺陷低等優勢。目前報導可以通過摻入be和mg形成合金使得zno的禁帶寬度從3.4ev向更寬的禁帶調節。因此基於zno合金的紫外探測器具有很好的應用前景。一般情況下光電探測器可分為：無結型探測器（光電導型）和結型探測器（肖特基勢壘型、pn結型和pin結型）。在這些光電探測器中，光電導型探測器雖然具有很高的光電流增益，但是響應速度較慢；pn結型和pin結型雖然具有高響應速度，暗電流更低（因為更高的勢壘），可在零偏壓下（光伏模式）工作等優點。但是由於在zno材料體系中，p型摻雜存在很大的困難，因此很難實現高效率的pn結型和pin結型器件。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是克服上述現有技術的缺陷和不足，提供一種背對背肖特基型bemgzno合金的肖特基結型紫外探測器，是一種響應截止波長200nm~380nm內連續可調的具有高響應度、快速響應速度、自驅動以及便於集成的紫外光電探測器。

本發明的目的是提供一種背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器。

本發明另一目的是提供所述背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器的製備方法。

本發明上述目的通過以下技術方案實現：

一種背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器，包括襯底、緩衝層、外延層和肖特基接觸的金屬接觸電極層；所述緩衝層生長在襯底上，外延層生長在緩衝層上，肖特基接觸的金屬接觸電極層蒸鍍沉積在外延層上。

其中，所述緩衝層為不同厚度的mg、mgo、zno、beo、bezno或mgzno中的一種或多種組合材料組成；緩衝層起到釋放襯底與bemgzno外延層之間應力的作用。

優選地，所述緩衝層的厚度為5～500nm。

所述外延層為bemgzno合金。

優選地，通過控制生長時間，bemgzno合金外延層的厚度控制在為50nm～5μm，載流子濃度低於1017/cm3。

bemgzno外延層可通過be-mg的協同效應對合金的能帶進行調節（通過控制合金中be和mg組份進行調節），be對合金的相結構具有穩定的作用，而mg則可以有效調節合金的禁帶寬度，達到bemgzno合金的禁帶寬度在近紫外區到深紫外區連續可調（200～380nm），該外延層的電子濃度控制在1017/cm3以下。

所述緩衝層和外延層的厚度通過生長時間來控制。

所述金屬接觸電極層包括內側的鈦（ti）、鎳（ni）、鉑（pt）、金（au）、銀（ag）或鉬（mo）等功函數較高的單層金屬或金屬複合層和外側蒸鍍的金（au）層；金（au）層起到防止接觸金屬氧化和優化導電性能的作用，提升電極的導電性和抗氧化性。

優選地，單層金屬或金屬複合層的厚度為30nm～500nm。優選地，金（au）層的厚度為10nm～500nm。

優選地，所述襯底為藍寶石（al2o3）、單晶矽（si）、單晶氮化鎵（gan）、單晶砷化鎵（gaas）或單晶氧化鎂（mgo）等。

本發明的背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器不僅避免了p型層摻雜的困難，器件還具有快速響應、暗電流低和自驅動等優點。其光譜響應範圍為波長短於380nm的紫外線，截止響應波長可根據外延層bemgzno合金的帶隙連續可調，即在近紫外到深紫外範圍內（200nm～380nm）連續可調。

另外，上述背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器的製備方法如下：

s1.在生長前先對襯底進行清洗：

s2.在清洗後的襯底上生長一層緩衝層；

s3.在緩衝層上生長一層bemgzno合金，即為外延層，合金的禁帶寬度通過控制合金中be、mg的組份進行調節；

s4.步驟s3製備得到的產物先進行表面清洗，然後用光學掩膜的方法在表面做叉指圖案，再利用顯影劑把需要蒸鍍電極的部分裸露出來；

s5.在做完叉指圖案的樣品上鍍上金屬接觸電極層，形成肖特基接觸，然後用丙酮把未裸露部分的光刻膠洗掉，完成器件。

其中，優選地，步驟s1所述襯底的清洗方法如下：

當襯底為藍寶石（al2o3）襯底或單晶氮化鎵（gan）襯底時，清洗步驟為：在h2so4：hcl=3：1的酸中加熱15～45min，之後分別在丙酮和異丙醇（或丙酮和丙醇）中超聲清洗15～45min，然後用去離子水衝洗乾淨，最後用氮氣槍吹乾裝入生長設備的生長腔，在生長腔中用500～900℃的高溫處理15min～60min，把表面的水蒸氣和有機物除掉；所述生長設備為磁控濺射法、分子束外延法、金屬有機氣相沉積法或雷射脈衝沉積法所使用的設備；

當襯底為單晶矽（si）襯底時，清洗步驟為：先在硫酸（h2so4）和雙氧水（h2o2）中清洗1～5min，接著在氫氟酸hf中清洗1min～3min，把si表面的sio2氧化層腐蝕掉，緊接著在氨水（nh3.h2o）和雙氧水（h2o2）中清洗3～15min，接著再次在氫氟酸（hf）中清洗1～3min，最後在鹽酸（hcl）中清洗3～15min後用去離子水衝乾淨，用氮氣槍吹乾然後裝入生長腔直接生長；

當襯底為單晶砷化鎵（gaas）襯底或單晶氧化鎂（mgo）襯底時，則不需要清洗。

優選地，步驟s2在襯底上生長一層緩衝層或步驟s3在緩衝層上生長一層bemgzno合金的具體生長方法均為磁控濺射法（sputter）、分子束外延法（mbe）、金屬有機氣相沉積法（mocvd）或雷射脈衝沉積法（pld）。

優選地，步驟s4所述表面清洗是用丙酮和異丙醇，或丙酮和丙醇等化學試劑進行清洗。

優選地，步驟s5中鍍上金屬接觸電極層的方法為電子束蒸鍍法（熱蒸發法）。

本發明針對zno材料體系p型摻雜困難的問題，採用了較為簡單的肖特基接觸金屬來形成勢壘，而且zno基的肖特基勢壘型探測器製備較為簡單，可通過蒸鍍與外延層型層形成肖特基接觸的金屬電極來形成，不僅避免了p型摻雜的困難的問題，同時還具有響應速度快、響應度高、暗電流低、量子效率高、勢壘高度高和自驅動等優點，而且可以在無偏壓的情況下工作。另外，bemgzno合金是一種新型的合金材料，一方面利用了be對結構穩定的優勢，另一方面利用了mg對能帶調節的優勢，可通過調節合金中be、mg的組份對合金的帶隙進行調節，實現截止響應波長在近紫外到深紫外區連續可調。

本發明具有以下有益效果：

本發明新開發了背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器，利用了肖特基結效應和bemgzno合金禁帶寬度在近紫外到日盲區連續可調的優勢（可通過控制合金中be和mg的組份），利用了be-mg互補效應，實現了器件的響應截止波長在近紫外到深紫外連續可調。

而且本發明所製備的背對背肖特基結構紫外探測器不需要進行p型摻雜（在zno體系中p型摻雜極其困難），避免了p型摻雜的困難，具有暗電流低、響應速度快、響應度高、製備工藝簡單、可在零偏壓下工作等優點，在紫外波段（波長短於380nm）具有廣泛的應用。

另外，本發明器件還可與半導體平面工藝相容，有利於大規模集成。

附圖說明

圖1是本發明背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器的剖視圖和俯視圖；1-襯底，2-緩衝層，3-bemgzno外延層，4-肖特基接觸金屬電極。

圖2是本發明背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器的原理結構圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體實施例來進一步說明本發明，但實施例並不對本發明做任何形式的限定。除非特別說明，本發明採用的試劑、方法和設備為本技術領域常規試劑、方法和設備。

除非特別說明，以下實施例所用試劑和材料均為市購。

實施例1製備背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器

1、本發明提供的背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器的結構示意圖如圖1所示，原理結構示意圖如圖2所示。

具體結構如下：

包括襯底、緩衝層、外延層和肖特基接觸的金屬接觸電極層；所述緩衝層生長在襯底上，外延層生長在緩衝層上，肖特基接觸的金屬接觸電極層蒸鍍沉積在外延層上。

所述緩衝層為不同厚度的mg、mgo、zno、beo、bezno或mgzno中的一種或多種組合材料組成；所述緩衝層的厚度為5～500nm。

所述外延層為bemgzno合金。bemgzno合金外延層的厚度控制在為50nm～5μm，載流子濃度低於1017/cm3。

所述金屬接觸電極層包括內側30nm～500nm厚的鈦（ti）、鎳（ni）、鉑（pt）、金（au）、銀（ag）或鉬（mo）等功函數較高的單層金屬或金屬複合層和外側蒸鍍的10nm～500nm厚的金（au）層。

所述襯底為藍寶石（al2o3）、單晶矽（si）、單晶氮化鎵（gan）、單晶砷化鎵（gaas）或單晶氧化鎂（mgo）等。

2、本發明背對背肖特基結構的bemgzno基紫外探測器的製備方法如下：

（1）在生長前先對襯底進行清洗，不同襯底的清洗方法不同，具體如下：

藍寶石襯底（al2o3）、gan單晶襯底的清洗步驟為：在h2so4：hcl=3：1的酸中加熱15min～45min，之後分別在丙酮和異丙醇ipa（或丙醇）中超聲清洗15～45min，然後用去離子水衝洗乾淨，最後用氮氣槍吹乾裝入生長腔，在生長腔中用500～900℃的高溫處理15～60min，把表面的水蒸氣和有機物除掉。

單晶矽（si）襯底的清洗步驟為：先在硫酸（h2so4）和雙氧水（h2o2）中清洗1～5min，接著在氫氟酸（hf）中清洗1～3min，把si表面的sio2氧化層腐蝕掉，緊接著進一步在氨水（nh3.h2o）和雙氧水（h2o2）中清洗3～15min，最後在鹽酸（hcl）中清洗3～15min後用去離子水衝乾淨，在氮氣槍下吹乾後裝入生長腔直接生長。

單晶砷化鎵（gaas）襯底和單晶氧化鎂（mgo）襯底則不需要生長前清洗。

（2）清洗完襯底後開始薄膜生長，即在襯底上生長一層緩衝層。根據生長方法的不同，可用的方法包括磁控濺射（sputter）法、分子束外延法（mbe）、金屬有機氣相沉積法（mocvd）或雷射脈衝沉積法（pld）等。

首先開始緩衝層的生長，各固體源的束流可通過控制固態源的加熱溫度、濺射功率或者雷射的脈衝功率來調節，氣體源則通過質量流量計來控制；緩衝層的厚度為10nm～500nm，厚度可通過生長時間精確控制。

（3）生長完緩衝層後，開始外延層bemgzno合金的生長，即在在緩衝層上生長一層bemgzno合金。固體源的束流可通過控制固態源的加熱溫度、濺射功率或者雷射的脈衝功率來調節，氣體源則通過質量流量計來控制；外延層的厚度為50nm～5μm，厚度可通過生長時間的長短精確控制。

（4）薄膜製備完後先後用丙酮和異丙醇ipa（或丙醇）等化學試劑對薄膜的表面進行清洗，以得到乾淨的表面；然後用光學掩膜的方法在薄膜上面做叉指圖案，利用顯影劑把需要刻蝕的部分裸露出來。

（5）在做完叉指圖案的樣品上，用電子束蒸鍍（熱蒸發）的方法在其上面鍍上金屬電極，金屬電極包括接觸電極層和金層，形成肖特基接觸，然後用丙酮把未裸露部分的光刻膠洗掉，完成器件的製備。。

所述接觸電極層包括鈦（ti）、鉑（pt）、金（au）、銀（ag）、鉬（mo）等功函數較高的單層金屬或金屬複合層（根據所需接觸的不同進行選擇），接觸電極層的厚度為30nm～500nm；然後在接觸電極層上再蒸鍍一層10nm～500nm厚的金（au）層。

其中，步驟（2）和（3）各層的生長過程中所採用的金屬生長源為高純的mg、zn和be金屬或mgo、zno和beo陶瓷靶材，氧源則採用高純的射頻等離子氧源。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。