氧化镓-二维P型范德华隧穿晶体管、双波段光电探测器件及制备方法技术

本发明专利技术具体涉及氧化镓

【技术实现步骤摘要】
氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管、双波段光电探测器件及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种晶体管/光电探测器件及制备方法，具体涉及一种基于栅压调控的准二维氧化镓(Ga2O3)
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二维P型范德华隧穿晶体管和双波段深紫外
‑
红外(DUV
‑
IR)光电探测器及制备方法。

技术介绍

[0002]氧化镓作为一种新型超宽禁带(UWBG)半导体材料受到了广泛的关注，它具有4.6
‑
4.9eV的准直接带隙，高达2
×
107cm/s的电子饱和漂移速度，且光响应峰值与日盲波段(250
‑
270nm)相对应，Ga2O3在电力电子和日盲深紫外探测等领域具有重要的应用价值。
[0003]制备具有较大开关比和陡峭亚阈值摆幅(SS)的场效应晶体管(FET)器件对于提高器件的响应速度和降低能耗具有重要意义，负电容场效应晶体管(NC
‑
FET)和隧穿场效应晶体管(TFET)等结构可以有效地减少器件的SS。
[0004]在Ga2O3‑
FET方面，基于铁电栅的Fe
‑
NCFET已经得到报道，但是铁电栅器件仍需提供初始的极化信号，其保持能力只具有一定的时效性，且其降低了FET器件的饱和电流值。由于Ga2O3较宽的带隙以及较大的亲合能，基于异质结的Ga2O3‑
TFET报道较少。
[0005]在Ga2O3‑
DUV方面，基于肖特基(SB)势垒的金属
‑
半导体
‑
金属(MSM)和光电晶体管等DUV光电器件被证明具有较大的响应度和光暗电流比，但是MSM结构中金属对紫外光的阻挡不利于探测性能的提升，普通光电晶体管暗电流较高。同时，相比单一光谱的探测，双波段探测具有更高的灵敏度和通信准确率，在同一系统上实现DUV
‑
IR双波段探测更具实用价值。
[0006]此外，缺少P型掺杂阻碍了Ga2O3‑
PN结构的发展，基于晶体生长难以实现高质量的PN结构及其隧穿器件和光电探测器件，迫切需要发展一种无化学键连接的Ga2O3基异质技术从而提高其栅控和DUV探测能力。
[0007]二维(2D)材料能带结构丰富，凭借固有的范德华(vdW)结构，2D材料能够与宽禁带半导体通过转移的方式组成具有理想能带的PN结和SB结等混合异质结构。目前基于Ga2O3‑
2D的混合异质结已经得到了一些报道，例如，Ga2O3‑
金属型2D材料异质结：Ga2O3‑
石墨烯(Gr)结构能够同时实现SB、金属
‑
半导体场效应晶体管(MESFET)和光电MSM探测器件，然而Ga2O3‑
Gr的MSM结构只具备DUV波段的探测能力；Ga2O3‑
二硫化铌(NbS2)MESFET具有极好的栅控特性，但是没有进行光电探测能力的展示。Ga2O3‑
P型二维材料异质结：Ga2O3‑
黑磷(BP)和Ga2O3‑
二碲化钼(MoTe2)的PN结型场效应晶体管(JFET)器件，两者皆能够实现较低SS，但是JFET器件关态漏电较大，且由于能带结构较高的限制，SS无法进一步降低，同时该器件对异质结界面质量要求较高，此外，基于普通PN结实现的DUV/IR或双波段探测不具备栅压调控的电荷积累作用，因此光电探测的外量子效率和响应度仍然较低。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是解决现有UWBG材料晶体管/光电探测器件制备中因Ga2O3缺少P型掺杂、无法同时实现TFET和栅压调制的PN结双波段光电探测的技术问题，提出一种氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管、双波段光电探测器件及制备方法，该晶体管、光电探测器件可以在保持开态电流没有明显降低的情况下，降低泄漏电流和亚阈值摆幅，同时提高深紫外
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红外双波段探测的响应度、灵敏度和通信准确率。
[0009]本专利技术的技术思路为：在Ga2O3基晶体管/光电探测器件制备中，打破JFET器件严格的能带要求的基础上，进一步放宽了对P型二维材料的选择，且使用隧穿结构能够进一步提高器件的SS且不会提升器件的漏电流，同时该器件不仅能够实现双波段的光电探测，在外加背栅电极的情况下，可以实现栅压调控的电荷积累，从而进一步提升器件的光电响应度。其中，P型二维材料层选择的P型二维半导体材料可以是：黑磷(BP)带隙在0.3
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0.4eV，或β相单质碲(Te)带隙在0.35
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0.5eV，或2H相MoTe2带隙在0.9
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1eV，或二硒化钨(WSe2)带隙在1
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1.1eV，或二硒化铂(PdSe2)带隙在0
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1.2eV，且五者的亲合能均在4eV附近，同时满足与Ga2O3的隧穿和近红外(NIR)/中红外(MIR)发光条件，形成的Ga2O3‑
BP为I型异质结隧穿器件和DUV
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MIR探测器；Ga2O3‑
Te为II型异质结隧穿器件和DUV
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MIR探测器；Ga2O3‑
MoTe2、Ga2O3‑
WSe2和Ga2O3‑
PdSe2为II型异质结隧穿器件和DUV
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NIR探测器。
[0010]为了实现上述目的，完成上述技术思路，本专利技术所采用的技术方案是：
[0011]一种氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管，其特殊之处在于：包括介质氧化层、介质钝化层、背栅电极及设置在介质氧化层上表面的晶体管单元；
[0012]所述晶体管单元包括有源区氧化镓层和P型二维材料层，及与氧化镓层、P型二维材料层分别连接的氧化镓电极和P型二维材料电极；
[0013]所述氧化镓层与P型二维材料层部分交叠，形成异质结；所述氧化镓电极与氧化镓层形成欧姆接触；所述P型二维材料电极与P型二维材料层形成欧姆接触；
[0014]所述介质钝化层位于氧化镓层、P型二维材料层、氧化镓电极、P型二维材料电极及介质氧化层所形成整体的上表面；
[0015]所述背栅电极设置在介质氧化层的下表面；
[0016]所述氧化镓层为非故意掺杂的Ga2O3准二维晶体薄膜，或者掺杂Si或Ge或Sn的Ga2O3准二维晶体薄膜；
[0017]所述P型二维材料层为湿法或干法转移在介质氧化层及部分氧化镓层上表面的黑磷或β相碲单质或2H相二碲化钼或二硒化钨或二硒化铂薄膜。
[0018]进一步地，所述氧化镓电极与P型二维材料电极的间距大于2μm；
[0019]所述背栅电极的材料为N型或P型重掺杂Si，以及在重掺杂Si下表面蒸镀的Au或Cu，或者在重掺杂Si下表面粘贴的ITO导电玻璃或Cu的导电胶带或C的导电胶带。
[0020]进一步地，所述氧化镓电极包括第一底层接触金属和第一顶层金属；所述第一底层接触金属与氧化镓层形成欧姆接触；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管，其特征在于：包括介质氧化层(1)、介质钝化层(7)、背栅电极(6)及设置在介质氧化层(1)上表面的晶体管单元；所述晶体管单元包括有源区氧化镓层(2)和P型二维材料层(3)，及与氧化镓层(2)、P型二维材料层(3)分别连接的氧化镓电极(4)、P型二维材料电极(5)；所述氧化镓层(2)与P型二维材料层(3)部分交叠，形成异质结；所述氧化镓电极(4)与氧化镓层(2)形成欧姆接触；所述P型二维材料电极(5)与P型二维材料层(3)形成欧姆接触；所述介质钝化层(7)位于氧化镓层(2)、P型二维材料层(3)、氧化镓电极(4)、P型二维材料电极(5)及介质氧化层(1)所形成整体的上表面；所述背栅电极(6)设置在介质氧化层(1)的下表面；所述氧化镓层(2)为非故意掺杂的Ga2O3准二维晶体薄膜，或者掺杂Si或Ge或Sn的Ga2O3准二维晶体薄膜；所述P型二维材料层(3)为湿法或干法转移在介质氧化层(1)及部分氧化镓层(2)上表面的黑磷或β相碲单质或2H相二碲化钼或二硒化钨或二硒化铂薄膜。2.根据权利要求1所述的氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管，其特征在于：所述氧化镓电极(4)与P型二维材料电极(5)的间距大于2μm；所述背栅电极(6)的材料为N型或P型重掺杂Si，以及在重掺杂Si下表面蒸镀的Au或Cu，或者在重掺杂Si下表面粘贴的ITO导电玻璃或Cu的导电胶带或C的导电胶带。3.根据权利要求1或2所述的氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管，其特征在于：所述氧化镓电极(4)包括第一底层接触金属和第一顶层金属；所述第一底层接触金属与氧化镓层(2)形成欧姆接触；所述第一底层接触金属的材料为Ti或Cr，第一顶层金属的材料为Au；所述P型二维材料电极(5)包括第二底层接触金属和第二顶层金属；所述第二底层接触金属与P型二维材料层(3)形成欧姆接触；所述第二底层接触金属的材质为Pd，第二顶层金属的材料为Au；所述介质氧化层(1)的材料为SiO2或Al2O3或HfO2或ZrO2；所述介质钝化层(7)的材料为h
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BN或SiO2或Al2O3或HfO2或Si3N4。4.根据权利要求3所述的氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管，其特征在于：所述氧化镓层(2)的厚度为10
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350nm；所述P型二维材料层(3)的厚度为5
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60nm；所述介质氧化层(1)的厚度为30
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300nm；所述介质钝化层(7)的厚度为10
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50nm；所述第一底层接触金属厚度为50
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200nm，第一顶层金属Au的厚度为100
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300nm；所述第二底层接触金属厚度为6
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30nm，第二顶层金属Au的厚度为60
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100nm。5.一种氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、选取包含重掺杂Si及上表面形成介质氧化层(1)的衬底并清洗；步骤2、在介质氧化层(1)的上表面制备晶体管单元；2.1)剥离β相
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非故意掺杂Ga2O3薄膜，或者剥离掺杂Si或Ge或Sn的Ga2O3晶体薄膜，使其黏附在介质氧化层(1)上获得10
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350nm的准二维氧化镓层(2)；2.2)在介质氧化层(1)上制备氧化镓电极(4)，将氧化镓电极(4)高温快速退火后与氧
化镓层(2)形成欧姆接触；2.3)剥离或生长5
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60nm的黑磷或β相碲单质或2H相二碲化钼或二硒化钨或二硒化铂薄膜的P型二维材料层(3)；用湿法或干法将P型二维材料层(3)转移到介质氧化层(1)上，使其与氧化镓层(2)部分交叠形成异质结；2.4)在介质氧化层(1)上制备P型二维材料电极(5)，使其与P型二维材料层(3)形成欧姆接触；步骤3、将介质钝化层(7)生长或转移至晶体管单元及介质氧化层(1)所形成整体的上表面；步骤4、将介质氧化层(1)的下表面重掺杂Si衬底进行处理，制备背栅电极(6)，完成氧化镓
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二维P型范德华隧穿晶体管的制备。6.一种双波段光电探测器件，其特征在于：包括介质氧化层(1)、背栅电极(6)、介质钝化层(7)以及设置在介质氧化层(1)上表面的晶体管单元；所述晶体管单元包括由管芯组成的n
×
m管芯阵列以及与管芯阵列相应连接的氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：王湛，刘朋源，孙静，关云鹤，刘翔泰，陆琴，王少青，贾一凡，陈海峰，马晓华，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：