專利名稱：一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器及其制備方法，屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外探測(cè)、激光探測(cè)后發(fā)展起來(lái)的又一新型探測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、天文學(xué)、導(dǎo)彈預(yù)警、紫外通訊等領(lǐng)域，具有極高的軍事和民用價(jià)值。傳統(tǒng)紫外探測(cè)器以真空電子學(xué)和外光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，常見(jiàn)的是紫外光電倍增管和硅基紫外光電二極管兩種，前者體積大、工作電壓高；后者需要昂貴的濾光片來(lái)減小可見(jiàn)光和紅外光的影響，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難。近年來(lái)隨著寬帶隙半導(dǎo)體材料的研究深入，人們開(kāi)始利用對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)極低的寬帶隙半導(dǎo)體來(lái)制備紫外探測(cè)器件，包括金剛石、SiC、GaN和SiO 等。其中ZnO是一種II-VI族寬帶隙半導(dǎo)體，是一種新興的紫外光電材料。ZnO室溫下的激子束縛能高達(dá)60 meV，有可能制作出高量子效率、低激發(fā)閾值的光電子器件，在發(fā)光二極管(LED)、激光器(LD)、表面聲波器件，尤其是紫外探測(cè)器方面有著廣闊的應(yīng)用前景。近十年來(lái)，ZnO半導(dǎo)體在紫外波段的應(yīng)用基礎(chǔ)研究取得了令人矚目的研究進(jìn)展。ZnO應(yīng)用于紫外探測(cè)領(lǐng)域具有一些優(yōu)于其它寬帶隙半導(dǎo)體材料的綜合優(yōu)勢(shì)(1)未摻雜的ZnO屬直接帶隙半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度約為3. 36 eV，吸收邊在近紫外波段，在可見(jiàn)光和紅外范圍響應(yīng)弱， 并且具有熔點(diǎn)高、抗輻照性能強(qiáng)等穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)。因此可應(yīng)用于紅外或者可見(jiàn)光背景下，并且不懼怕惡劣的環(huán)境；(2)改變ZnO基三元合金M^iZrvxO中Mg的含量，可以使其帶隙在3. 3 eV (ZnO)到7. 8 eV (MgO)連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)盲區(qū)紫外光探測(cè)；(3) ZnO原料易得，無(wú)環(huán)境污染，對(duì)襯底沒(méi)有苛刻要求，且易于蝕刻?？梢栽诘蜏叵轮苽涓呓Y(jié)晶質(zhì)量的半導(dǎo)體薄膜或者納米結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)現(xiàn)低成本、大面積紫外圖像傳感陣列具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。高性能半導(dǎo)體光電探測(cè)器通常采用p-i-n光電二極管和雪崩光電二極管(APD)結(jié)構(gòu)，但是由于目前制備的P型ZnO材料距離實(shí)用化尚有距離，因而阻礙了基于p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的光電子器件的研制。目前關(guān)于ZnO紫外探測(cè)器的研究主要集中在ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)和MSM (金屬-半導(dǎo)體-金屬)結(jié)構(gòu)方面。ZnO異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)會(huì)受窄帶隙半導(dǎo)體材料的影響，同時(shí)異質(zhì)結(jié)界面處易形成電荷聚集，有較大的隧穿電流。SiO MSM結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器包括以歐姆接觸為基礎(chǔ)的光電導(dǎo)型和以肖特基接觸為基礎(chǔ)的肖特基勢(shì)壘型兩種。光電導(dǎo)探測(cè)器的內(nèi)部光電子增益較高，有利于獲得高的光電響應(yīng)度，但是光響應(yīng)速度較慢，光電導(dǎo)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；肖特基結(jié)探測(cè)器雖然響應(yīng)速度快，但是MSM結(jié)構(gòu)導(dǎo)致器件暗態(tài)電流大，量子效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述紫外探測(cè)器光響應(yīng)速度慢、光電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和量子效率低的問(wèn)題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而提出一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器，包括雙面拋光的藍(lán)寶石襯底、在該藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的N型ZnO薄膜以及在該N型ZnO薄膜上制備的歐姆源漏電極和肖特基柵極，源極和漏極與ZnO有源層構(gòu)成歐姆接觸，柵極和ZnO有源層構(gòu)成肖特基接觸。所述的源極和漏極為金屬鋁、ZnOiAl或SiOAa，采用磁控濺射方法得到，柵極為金屬-半導(dǎo)體整流接觸的肖特基柵極。本發(fā)明還提出了一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器的制備方法，該方法的步驟如下
1).將藍(lán)寶石清洗后作為襯底；
2)采用激光分子束外延設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)ZnO薄膜作為有源層；
3).采用濕法刻蝕工藝刻蝕出ZnO有源層臺(tái)面；
4).采用磁控濺射方法在ZnO有源層臺(tái)面源漏區(qū)制備源極和漏極；
5).采用磁控濺射方法在有源層臺(tái)面上制備金屬-半導(dǎo)體整流接觸的肖特基柵極；
6).焊接?xùn)拧⒃?、漏三電極引腳，得到肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器成品。所述的步驟2)中的薄膜厚度為20-50 nm，激光分子束的載流子濃度為5X IO16 IXlO19 cnT3。所述步驟3)中的臺(tái)面長(zhǎng)度彡300 μ m，臺(tái)面寬度彡200 μ m。所述的步驟4)中的電極材料選用Al、SiOAl或SiO:( 。所述的步驟5)中的濺射靶材為金屬銀，濺射功率為50 W，濺射氣為氬氣和氧氣的混合氣體，其流量比例為氬氣氧氣為3 :1，得到氧化銀薄膜，最后在氧化銀上面濺射金屬銀。所述的步驟5)中制備銀電極肖特基柵時(shí)需要通入一定的氧氣。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過(guò)采用了肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，以藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的N型ZnO薄膜為有源層，并在此有源層上利用磁控濺射法制備歐姆源漏電極和肖特基柵極，探測(cè)電流由漏源極弓丨出。本發(fā)明的紫外探測(cè)器集肖特基結(jié)快響應(yīng)速度和晶體管放大增益特性于一體，采用平面制備工藝，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，背照式工作，寄生電容小，工作頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器的平面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器截面示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的Ag和ZnO有源層之間的肖特基接觸示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的源漏電極光電流和暗電流比較結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器的實(shí)施例
如圖1所示，本發(fā)明的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器包括SiO有源層、源極、漏極和柵極， 源極、漏極和柵極都形成于該ZnO有源層上。有源層為采用激光分子束外延設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)ZnO薄膜，薄膜厚度為20-50 nm，載流子濃度為5X IO"5 IX IO19 cm—3。源極和漏極采用磁控濺射技術(shù)在ZnO臺(tái)面源漏區(qū)制備源極和漏極，電極材料選用Al (或&ιΟ:Α1、ZnO:Ga),以保證能和ZnO薄膜形成良好歐姆接觸，柵極為采用磁控濺射方法在有源區(qū)臺(tái)面上制備金屬-半導(dǎo)體整流接觸的肖特基柵極，濺射靶材為金屬銀，濺射功率為50 W，濺射氣氛為氬氣和氧氣的混合氣體。探測(cè)器采用背照探測(cè)方式，通過(guò)柵壓調(diào)整器件工作狀態(tài)，并從源漏電極引出探測(cè)電流。本發(fā)明的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，且采用肖特基勢(shì)壘接觸制備柵極，通過(guò)調(diào)整柵極電壓的方式控制有源層中耗盡層厚度，從而控制探測(cè)器的紫外探測(cè)能力，提高器件的響應(yīng)時(shí)間和量子效率。其基本原理是通過(guò)外加?xùn)艠O電壓來(lái)控制柵極空間電荷區(qū)的寬度，從而控制溝道導(dǎo)電能力的一種場(chǎng)效應(yīng)器件。這種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)高、工作頻率高，是微波領(lǐng)域的熱門器件。另外，場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管可以實(shí)現(xiàn)極高速光探測(cè)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)幾十皮秒。本發(fā)明的一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器制備方法的實(shí)施例 1.清洗藍(lán)寶石襯底
1).本實(shí)施例采用兩英寸(0001)取向藍(lán)寶石襯底，將其豎直放置在清洗架上并依次用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水超聲清洗10分鐘，重復(fù)該過(guò)程3次，直到襯底表面不再掛水為止；
2).按濃H2SO4與濃H3PO4體積比為3 1的比例配制腐蝕液，將上述藍(lán)寶石襯底放入腐蝕液，水浴加熱20分鐘；
3).從腐蝕液中取出襯底，用去離子水沖洗干凈，再用高純氮?dú)獯蹈蓚溆谩?、ZnO有源層制備工藝
本實(shí)施例采用激光分子束外延技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)aio有源層薄膜。具體步驟如
下
D.將清洗好的藍(lán)寶石樣品固定在專用樣品托上，然后將其裝入設(shè)備真空室的樣品架上，開(kāi)啟機(jī)械泵對(duì)真空室預(yù)抽真空到4Pa，開(kāi)啟分子泵將真空室抽到10_5Pa ；
2).打開(kāi)樣品架上的加熱裝置，將藍(lán)寶石襯底加熱到750°C熱處理1小時(shí)。熱處理完畢，調(diào)整加熱電流使襯底降溫到500°C ；
3).清洗通氣管道，除去管道中的殘留氣體。向真空生長(zhǎng)室通入高純氧氣，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)使真空室壓強(qiáng)控制在5 X ；
4).打開(kāi)波長(zhǎng)為MSnm的準(zhǔn)分子激光器，將激光脈沖頻率設(shè)置為3Hz，脈沖能量設(shè)置為100 mj，高能脈沖激光轟擊真空室中的ZnO陶瓷靶材并在襯底上沉積形成薄膜，其中SiO 陶瓷靶材的純度為99. 99%，靶材和襯底之間的距離為7cm，生長(zhǎng)時(shí)間為0. 5小時(shí)，獲得SiO 薄膜的厚度為50nm ；
5).最后采用濕法刻蝕工藝刻蝕出ZnO有源區(qū)臺(tái)面，臺(tái)面長(zhǎng)度300μπι，臺(tái)面寬度 200 μ m。用濃度為6%的NH4C1溶液對(duì)ZnO樣品刻蝕，刻蝕時(shí)間為50 S。3、制備源漏電極
本實(shí)施例采用磁控濺射在源漏區(qū)制備源漏電極，源漏電極的溝道長(zhǎng)度為60 μπι，溝道寬度為300 μ m，將樣品放入射頻磁控濺射的真空室，開(kāi)啟機(jī)械泵和分子泵預(yù)抽本底真空到 5 X 10_4 Pa。金屬鋁作為濺射靶材，濺射氣氛為氬氣，濺射氣壓為2Pa，鋁電極厚度為300 nm。 樣品取出后再退火處理，以使鋁和ZnO形成良好的歐姆接觸，退火溫度為300°C，升溫速度為5°C /min，退火時(shí)間為30min。
4、制備肖特基柵極
采用磁控濺射方法在有源區(qū)臺(tái)面上制備金屬-半導(dǎo)體整流接觸的肖特基柵極，濺射靶材為金屬銀，濺射功率為50 W，濺射氣氛為氬氣和氧氣的混合氣體，氣體壓強(qiáng)為2Pa，其流量比例為氬氣氧氣為3 :1，得到氧化銀薄膜，最后再在氧化銀上面濺射金屬Ag，以提高其接觸特性，金屬Ag的濺射氣氛為純氬氣，氣體壓強(qiáng)為2Pa，濺射功率為40W。引出上述器件的源、漏、柵電極并對(duì)器件進(jìn)行光電性質(zhì)測(cè)試。首先測(cè)試了柵極和源漏電極之間的肖特基特性，如圖3所示器件有很好的整流特性，其反向電流約為ΙΟ,Α，理想因子約為1. 7，說(shuō)明柵電極和有源層形成很好的肖特基結(jié)。在柵極偏置電壓為0. 5V條件下測(cè)試了器件的紫外光電特性，如圖4所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)在365nm的紫外光輻照下，源漏電極的光電流比暗電流增大約13倍，表明該器件有較好的紫外探測(cè)能力。本發(fā)明的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其基本原理是通過(guò)外加?xùn)艠O電壓來(lái)控制柵極空間電荷區(qū)的寬度，從而控制溝道導(dǎo)電能力的一種場(chǎng)效應(yīng)器件。這種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)高、工作頻率高，是微波領(lǐng)域的熱門器件。另外，場(chǎng)效應(yīng)光電晶體管可以實(shí)現(xiàn)極高速光探測(cè)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)幾十皮秒，可望在光電集成和圖像傳感中得到廣泛應(yīng)用。本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中采用了肖特基柵電極結(jié)構(gòu)。采用肖特基柵極制備場(chǎng)效應(yīng)光電探測(cè)器能有效地提高探測(cè)器性能，如時(shí)間響應(yīng)速度、靈敏度、量子效率等。晶體管工作時(shí)將反向偏壓加于柵肖特基結(jié)的兩側(cè)，使得肖特基勢(shì)壘區(qū)向溝道內(nèi)部擴(kuò)展， 并使勢(shì)壘區(qū)中的載流子耗盡，溝道的截面積減小。當(dāng)勢(shì)壘區(qū)厚度達(dá)到有源層厚度時(shí)，導(dǎo)電溝道夾斷，源漏電流極小。此時(shí)晶體管有很強(qiáng)的紫外光探測(cè)能力，當(dāng)入射光子能量大于有源層帶隙時(shí)，由于光生電荷作用使耗盡層變化，從而在源漏電極形成探測(cè)電流。這種新型SiO晶體管光電探測(cè)器有下列顯著優(yōu)勢(shì)(1)集肖特基二極管探測(cè)器快響應(yīng)速度和晶體管放大增益特性于一體，只采用N型ZnO薄膜即可以預(yù)期獲得超高速、大增益、高量子效率的紫外探測(cè)器件。(2)采用平面制備工藝，背照式工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，寄生電容小，工作頻帶寬。(3)可用于制備高分辨率有源陣列紫外圖像傳感器；采用肖特基場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為圖像傳感器像素單元，可以通過(guò)調(diào)整柵壓的方式控制探測(cè)單元的工作狀態(tài)，降低相鄰像素串?dāng)_，從而獲得高分辨率有源紫外圖像傳感陣列，這對(duì)于空間以及環(huán)境科學(xué)技術(shù)中的紫外探測(cè)具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。
權(quán)利要求
1.一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器，其特征在于該肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器包括雙面拋光的藍(lán)寶石襯底、在該藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的N型ZnO薄膜以及在該N型ZnO薄膜上制備的歐姆源漏電極和肖特基柵極，源極和漏極與ZnO有源層構(gòu)成歐姆接觸，柵極和ZnO 有源層構(gòu)成肖特基接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器，其特征在于所述的源極和漏極為金屬鋁、Ζη0:Α1或SiOAa，采用磁控濺射方法得到，柵極為金屬-半導(dǎo)體整流接觸的肖特基柵極。
3.3. 一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器制備方法，其特征在于該肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器制備方法的步驟如下1).將藍(lán)寶石清洗后作為襯底；2)采用激光分子束外延設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)ZnO薄膜作為有源層；3).采用濕法刻蝕工藝刻蝕出ZnO有源層臺(tái)面；4).采用磁控濺射方法在ZnO有源層臺(tái)面源漏區(qū)制備源極和漏極；5).采用磁控濺射方法在有源層臺(tái)面上制備金屬-半導(dǎo)體整流接觸的肖特基柵極；6).焊接?xùn)?、源、漏三電極引腳，得到肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器成品。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器制備方法，其特征在于所述的步驟2)中的薄膜厚度為20-50 nm，激光分子束的載流子濃度為5X IO"5 IXlO19 cnT3。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器制備方法，其特征在于所述步驟3)中的臺(tái)面長(zhǎng)度彡300 μ m，臺(tái)面寬度彡200 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器制備方法，其特征在于所述的步驟4)中的電極材料選用Al、SiOAl或SiO:( 。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5或6所述的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器制備方法，其特征在于 所述的步驟5)中的濺射靶材為金屬銀，濺射功率為50 W，濺射氣為氬氣和氧氣的混合氣體， 其流量比例為氬氣氧氣為3 :1，得到氧化銀薄膜，最后在氧化銀上面濺射金屬銀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器制備方法，其特征在于所述的步驟5)中制備銀電極肖特基柵時(shí)需要通入一定的氧氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)紫外探測(cè)器及其制備方法，本發(fā)明通過(guò)采用了肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，以藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的N型ZnO薄膜為有源層，并在此有源層上利用磁控濺射法制備歐姆源漏電極和肖特基柵極，探測(cè)器采用背照式探測(cè)方式，通過(guò)柵壓調(diào)整器件工作狀態(tài)，探測(cè)電流由漏源極引出，這種紫外探測(cè)器集肖特基結(jié)快響應(yīng)速度和晶體管放大增益特性于一體，采用平面制備工藝，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，背照式工作，寄生電容小，工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，可以獲得超高速、大增益、高量子效率的紫外探測(cè)器件，在通信和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK102569486SQ20121001399
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者丁玲紅, 黨玉敬, 張偉風(fēng), 張新安, 海富生, 焦洋 申請(qǐng)人:河南大學(xué)