[發(fā)明專利]一種具有石墨烯和極性J-TMD插入層的氧化鎵日盲紫外探測(cè)器及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210843942.0
• 申請(qǐng)日: 2022-07-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115172511A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇杰;常晶晶;陳子龍;林珍華;張進(jìn)成;郝躍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/109
• 分類號(hào): H01L31/109;H01L31/18;H01L31/0352;H01L31/032;H01L31/0216
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 侯瓊;王品華

本發(fā)明公開(kāi)了一種具有石墨烯和極性J?TMD插入層的氧化鎵日盲紫外探測(cè)器及其制備方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)光吸收率低、表面接觸電阻過(guò)大的問(wèn)題。方案為：自下而上依次包括襯底、第一氧化鎵溝道層、石墨烯層、金屬納米結(jié)構(gòu)層和第二氧化鎵溝道層、二維層狀材料界面修飾層和源電極、漏電極；其中源電極位于第二氧化鎵溝道層上的一端，漏電極位于二維層狀材料界面修飾層上與源電極相對(duì)的一端。以J?TMD層材料作為金屬?氧化鎵界面修飾層修飾氧化鎵溝道層表面，并在氧化鎵層中插入金屬納米顆粒修飾的高遷移率石墨烯材料。本發(fā)明能夠有效提高提高載流子遷移率和光吸收能力，降低表面接觸電阻，提高紫外探測(cè)器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度水平。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及光電探測(cè)器技術(shù)，具體為一種具有石墨烯和極性J-TMD插入層的氧化鎵日盲紫外探測(cè)器及其制備方法。可用于火災(zāi)預(yù)警、目標(biāo)識(shí)別和信息通訊。

背景技術(shù)

單斜相氧化鎵(β-Ga₂O₃)是一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有諸多優(yōu)異的物理特性(如：超寬帶隙，～4.9eV；大的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，～8MV/cm等；對(duì)紫外光有80％以上的透光率等)。因此β-Ga₂O₃作為一種優(yōu)異的光電器件材料，在日盲紫外探測(cè)器中有著廣泛的應(yīng)用前景。

但隨著紫外探測(cè)應(yīng)用的不斷深入，設(shè)計(jì)優(yōu)化β-Ga₂O₃日盲深紫外光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)對(duì)于改善其響應(yīng)速度和響應(yīng)度進(jìn)而促進(jìn)其應(yīng)用具有重要的意義。雖然近年來(lái)利用具有高遷移率的二維層狀過(guò)渡金屬硫族化合物(如二硫化鉬MoS₂)與β-Ga₂O₃形成異質(zhì)結(jié)可以改善β-Ga₂O₃日盲深紫外光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和性能，但是其響應(yīng)速度依然高于μs級(jí)別，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。不同于MoS₂，二維非對(duì)稱的過(guò)渡金屬硫化物(J-TMD)不僅具有類過(guò)渡金屬硫族化合物結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，而且其具有本征極性，可以促進(jìn)載流子輸運(yùn)、減少載流子復(fù)合。同時(shí)石墨烯作為超薄單原子層碳材料，室溫下的載流子遷移率可達(dá)200000cm²/V˙s，并具有優(yōu)異的透光性、成熟的大面積制備工藝和優(yōu)異的半導(dǎo)體工藝兼容性。基于極性J-TMD和石墨烯的優(yōu)異性能，利用J-TMD和石墨烯與β-Ga₂O₃形成異質(zhì)結(jié)能夠明顯進(jìn)一步優(yōu)化β-Ga₂O₃探測(cè)器的響應(yīng)速度。值得注意的是，傳統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度和快速響應(yīng)，進(jìn)而制約了β-Ga₂O₃日盲深紫外光電探測(cè)器的應(yīng)用。因此，如何設(shè)計(jì)利用石墨烯和極性J-TMD同時(shí)優(yōu)化β-Ga₂O₃探測(cè)器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種具有石墨烯和極性J-TMD插入層的氧化鎵日盲紫外探測(cè)器及其制備方法，以J-TMD層材料作為金屬-氧化鎵界面修飾層修飾氧化鎵溝道層表面，從而提高轉(zhuǎn)移速度，并且在氧化鎵層中插入金屬納米顆粒修飾的高遷移率石墨烯材料，促進(jìn)光吸收和載流子向上擴(kuò)散。解決了現(xiàn)有技術(shù)光吸收率低、表面接觸電阻過(guò)大的問(wèn)題。本發(fā)明能夠有效提高光吸收率，降低表面接觸電阻，提高探測(cè)器的響應(yīng)速度與性能。

本發(fā)明提高氧化鎵日盲紫外探測(cè)器性能的機(jī)理是：J-TMD本身具有激子結(jié)合能小、遷移率高等特點(diǎn)，與氧化鎵形成異質(zhì)結(jié)能夠有效抑制界面激子復(fù)合，提高轉(zhuǎn)移速度。石墨烯遷移率高導(dǎo)熱性能優(yōu)異，同時(shí)金屬顆粒與石墨烯形成等離子體激元促進(jìn)光吸收，并且能夠促進(jìn)載流子向上擴(kuò)散。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的氧化鎵日盲紫外探測(cè)器，自下而上依次包括：襯底1、第一氧化鎵溝道層2、石墨烯層3、金屬納米結(jié)構(gòu)層4和第二氧化鎵溝道層5，還包括位于第二氧化鎵溝道層5上表面的二維層狀材料界面修飾層6和源電極7，位于二維層狀材料界面修飾層6上表面的漏電極8；