[發明專利]一種氧化鎵日盲紫外探測器

在審

• 申請號: 202110771147.0
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113659029A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 劉寧濤;張文瑞;葉繼春
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01L31/103
• 分類號: H01L31/103;H01L31/032;H01L31/0352
• 代理公司: 寧波甬致專利代理有限公司 33228
• 代理人: 胡天人

本發明提供一種氧化鎵日盲紫外探測器，包括襯底層、氧化鎵層、鈍化層、鐵電層和電極層，所述氧化鎵層設置在所述襯底層的表面，所述鈍化層設置在所述氧化鎵層的表面，所述鐵電層設置在所述鈍化層的表面，所述鐵電層覆蓋部分所述鈍化層，所述電極層覆蓋于所述氧化鎵層之上。本發明設計了一種新型氧化鎵日盲紫外探測器，通過引入鐵電層，利用鐵電材料自發極化形成的局域場，調控鐵電層覆蓋下氧化鎵層的能帶結構，由此實現氧化鎵層同質PN/NPN/PNP結的構建，提高探測器的光電增益和光生載流子的分離效率，從而獲得低功耗、高可靠性、高靈敏度的日盲紫外光電探測器。

技術領域

本發明涉及半導體器件技術領域，具體而言，涉及一種氧化鎵日盲紫外探測器。

背景技術

日盲紫外探測器利用對應日盲區的特征紫外工作波段(200nm-280nm)，可以有效避免空間太陽背景輻射的影響，具有高靈敏度、保密性強、低背景干擾、虛警率低等特點，在軍事預警、保密通訊以及環境監測等方面應用廣泛。

氧化鎵(Ga₂O₃)是一種新興的超寬帶隙半導體材料(Eg＝4.9eV)，其具有α，β，γ，δ，ε五種不同的結構，其中屬于單斜相的β-Ga₂O₃最為穩定，其可以實現整個日盲區內帶隙連續可調，且其高質量單晶襯底的制備工藝已相對完善，是目前國際上研發新一代日盲紫外光電探測器的重點前沿方向。在已報道的基于氧化鎵材料的光電探測器中，金屬-半導體-金屬(MSM)結構的探測器是最簡單的，但其光暗電流比，開關速度等性能參數也是相對較差的。經典的硅基PN/PIN型探測器由于其自身的整流特性，反向工作時一般具有較小的暗態電流，較大的光暗電流比，以及較快的開關速度，因此受到了廣泛關注和研究。

目前，關于N型摻雜β-Ga₂O₃的研究已取得了顯著進展，研究人員通過Si或者Sn的摻雜可以實現電子濃度從10¹⁶-10¹⁹cm^-3甚至更高的范圍內變化，但關于P型摻雜β-Ga₂O₃的研究卻鮮有報道。現有技術中，為了構建PN型氧化鎵日盲探測器，P型β-Ga₂O₃主要用其他半導體材料來代替，如SiC、GaN、Si及SnO2等。然而，這種異質結構存在一定的局限性，如晶格失配引起的缺陷和界面態，導帶不匹配引起的載流子阻擋，以及異質材料引起的長波響應等。綜上，氧化鎵探測器研究的主要難點在于同質PN結的設計與制備，其成為了高性能日盲紫外探測器發展的重要瓶頸，嚴重制約著探測器光電性能進一步地優化與提升。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的主要目的在于優化和提升探測器光電性能，提出一種基于鐵電局域場的新型氧化鎵日盲紫外探測器。

為解決上述問題，本發明提供一種氧化鎵日盲紫外探測器，包括襯底層、氧化鎵層、鈍化層、鐵電層和電極層，所述氧化鎵層設置在所述襯底層的表面，所述鈍化層設置在所述氧化鎵層的表面，所述鐵電層設置在所述鈍化層的表面，所述鐵電層覆蓋部分所述鈍化層，所述電極層與所述氧化鎵層接觸。

相對于現有技術，本發明設計了一種新型氧化鎵日盲紫外探測器，通過引入鐵電層，利用鐵電材料的強局域場，調控鐵電層覆蓋下氧化鎵層的能帶結構，由此實現氧化鎵層同質PN/NPN/PNP結的構建，顯著提高探測器的光電增益和光生載流子的分離效率，從而獲得低功耗、高可靠性、高靈敏度的日盲紫外光電探測器。

在優選或可選的實施方式中，所述鐵電層覆蓋于所述鈍化層的一個連續區域，所述電極層包括設置在所述鈍化層兩側的電極，所述鐵電層與所述一側電極接觸。由此鐵電層由一連續的鐵電薄膜構成，其在鈍化層上覆蓋一連續區域，鐵電層的鐵電薄膜未覆蓋的區域為探測器的吸光區域，通過在鐵電薄膜上施加電場可以改變鐵電薄膜的極化方向，進而調控鐵電層覆蓋下的氧化鎵層的能帶結構，鐵電層與一側電極接觸，實現同質PN結的構建。