一种磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管及其制备方法与应用，包括由下自上依次生长的栅电极、介质层、氧化镓沟道层、源电极和漏电极；源电极和漏电极形成叉指结构。本发明专利技术在254nm的光照下，表现出优越的光电探测特性，包括响应度为2.0

【技术实现步骤摘要】
一种磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管及其制备方法与应用，属于半导体


技术介绍

[0002]氧化镓(Ga2O3)具有～4.9eV的直接带隙，对应的紫外吸收截止边约为254nm，位于日盲紫外区，同时具有紫外光吸收系数大、抗辐射、稳定性高、成本低的特点，是日盲紫外探测器的理想选择。日盲紫外探测器具有高信噪比、全天候等优点，可用于导弹制导、保密通信、火焰探测、生物检测、成像等领域。迄今为止，日盲探测器的器件结构主要有金属
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半导体
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金属、肖特基二极管、异质结二极管和光电晶体管等。其中光电晶体管因场效应调控具有高响应度、高探测率、关态电流低和高亮暗电流比等优点，且易于在阵列成像及光敏电路中集成，阵列无串扰，电路设计简单。
[0003]中国专利文献CN109244158A公开了一种Ga2O3场效应晶体管日盲探测器及其制作工艺，该器件结构是采用机械剥离的Ga2O3单晶转移到栅介质上形成Ga2O3沟道层，然后在Ga2O3沟道层上制备源漏电极。虽然该器件具有高的响应度(4.79
×
105A W
‑1)和快的响应速度(25ms)，但机械剥离的Ga2O3均一性差、尺寸小(通常微米级)，不利于大面积制备。
[0004]中国专利文献CN110571301B公开了一种Ga2O3基日盲探测器及其制备方法，该器件结构是在Ga2O3外延层的衬底上沉积源极和漏极，然后覆盖二氧化硅钝化层，之后从氧化硅钝化层开设至Ga2O3衬底的沟槽，在沟槽底部和沟槽侧壁沉积氧化铝作为栅介质，最后栅介质上方沉积栅极。利用栅极调节沟道的载流子浓度，从而调节器件的暗电流，该器件满足大面积制备的需求。但是该器件制备过程比较复杂，外延器件制作成本相对较高。
[0005]非晶氧化镓(a
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Ga2O3)光电晶体管与机械剥离和外延生长的单晶Ga2O3相比，具有大面积均匀性好、制备温度低、成本低等优点，更易于在阵列成像及光敏电路中集成。2019年，Qin等人利用溅射的a
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Ga2O3制备了a
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Ga2O3光电薄膜晶体管，实现了高响应度(4.1
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103A W
‑1)，[Y.Qin,S.B.Long,Q.M.He,H.Dong,G.Z.Jian,Y.Zhang,X.H.Hou,P.J.Tan,Z.F.Zhang,Y.J.Lu,C.X.Shan,J.L.Wang,W.D.Hu,H.B.Lv,Q.Liu,and M.Liu,Adv.Electron.Mater.,1900389(2019).]，但响应时间较长(50/400s)，亮暗电流比仅为～102，难以满足高对比度快速成像和高灵敏度光敏电路。

技术实现思路

[0006]本专利通过磁控溅射工艺制备了具有适当氧空位浓度的a
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Ga2O3薄膜，并进而制备了其光电薄膜晶体管，通过栅极电场调控，实现了高响应度、高探测率和高亮暗电流比。在此基础上，本专利技术进一步基于a
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Ga2O3薄膜光电晶体管制备了具有高探测灵敏度、高对比度的成像探测阵列与光控逻辑门电路。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]一种磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管，包括由下自上依次生长的栅电极、介质层、a
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Ga2O3沟道层、源电极和漏电极；所述源电极和漏电极形成叉指结构。
[0009]根据本专利技术优选的，所述叉指结构的叉指对数为2
‑
50对，指宽5
‑
50μm，叉指间距为5
‑
100μm，指长为100
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1000μm；
[0010]进一步优选的，所述叉指结构的叉指对数为14对，指宽10μm，叉指间距为10μm，指长为400μm。
[0011]根据本专利技术优选的，所述栅电极为Ti、Au、Pt、Al金属以及ITO、重掺杂Si中的一种；所述介质层为SiO2、Al2O3、HfO2、Si3N4中的一种；所述a
‑
Ga2O3沟道层为非故意掺杂的a
‑
Ga2O3或者掺杂Si、Sn、Cr、Ge、Zr和Ti中的一种或多种元素的a
‑
Ga2O3；所述源电极和漏电极均为金属电极。
[0012]进一步优选的，所述栅电极为p型重掺杂Si。
[0013]根据本专利技术优选的，所述介质层的厚度为50
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300nm；所述a
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Ga2O3沟道层的厚度为10
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500nm。
[0014]进一步优选的，所述介质层的厚度为100nm；所述a
‑
Ga2O3沟道层的厚度为70nm。
[0015]上述磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管的制备方法，包括：
[0016]在衬底上生长栅电极，其上加载介质层；
[0017]使用射频磁控溅射法在介质层上溅射沉积a
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Ga2O3薄膜，形成a
‑
Ga2O3沟道层；
[0018]在a
‑
Ga2O3沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极，既得。
[0019]根据本专利技术优选的，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a
‑
Ga2O3薄膜，形成a
‑
Ga2O3沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0020]靶材为Ga2O3陶瓷靶；
[0021]溅射功率为50
‑
120W；
[0022]工作气压为2.5
‑
5mTorr；
[0023]气体流速为10
‑
30SCCM；
[0024]衬底温度为25
‑
300℃；
[0025]生长氛围为纯Ar；
[0026]溅射时间为4分9秒
‑
204分55秒。
[0027]进一步优选的，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a
‑
Ga2O3薄膜，形成a
‑
Ga2O3沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0028]溅射功率为90W；
[0029]工作气压为4.1mTorr；
[0030]气体流速为20SCCM；
[0031]衬底温度为室温；
[0032]溅射时间为28分41秒。
[0033]根据本专利技术优选的，形成a
‑
Ga2O3沟道层之后执行如下操作，包括：氮气环境下，在100
‑
600℃条件下快速热退火0.5
‑
60分钟。
[0034]进一步优选的，形成a
‑
Ga2O3光沟道层之后执行如下操作，包括：氮气环境下，在350℃条件下快速热退火1分钟。
[0035]根据本专利技术优选的，对衬底进行抛光并进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管，其特征在于，包括由下自上依次生长的栅电极、介质层、氧化镓沟道层、源电极和漏电极；所述源电极和漏电极形成叉指结构。2.根据权利要求1所述的一种磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管，其特征在于，所述叉指结构的叉指对数为2
‑
50对，指宽5
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50μm，叉指间距为5
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100μm，指长为100
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1000μm；进一步优选的，所述叉指结构的叉指对数为14对，指宽10μm，叉指间距为10μm，指长为400μm。3.根据权利要求1所述的一种磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管，其特征在于，所述栅电极为Ti、Au、Pt、Al金属以及ITO、重掺杂Si中的一种；所述介质层为SiO2、Al2O3、HfO2中的一种；所述a
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Ga2O3沟道层为非故意掺杂的a
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Ga2O3或者掺杂Si、Sn、Cr、Ge、Zr和Ti中的一种或多种元素的a
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Ga2O3；所述源电极和漏电极均为金属电极；所述介质层的厚度为50
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300nm；所述Ga2O3沟道层的厚度为10
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500nm；进一步优选的，所述栅电极为p型重掺杂Si；所述介质层的厚度为100nm；所述a
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Ga2O3沟道层的厚度为70nm。4.权利要求1
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3任一所述的磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上生长栅电极，其上加载介质层；使用射频磁控溅射法在介质层上溅射沉积a
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Ga2O3薄膜，形成a
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Ga2O3沟道层；在a
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Ga2O3沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极，既得。5.根据权利要求4所述的磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a
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Ga2O3薄膜，形成a
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Ga2O3沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：靶材为Ga2O3陶瓷靶；溅射功率为50
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120W；工作气压为2.5
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5mTorr；气体流速为10
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30SCCM；衬底温度为25
‑
300℃；生长氛围为纯Ar；溅射时间为4分9秒
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204分55秒；进一步优选的，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长a
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Ga2O3薄膜，形成a
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Ga2O3沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：溅射功率为90W；工作气压为4.1mTorr；气体流速为20SCCM；衬底温度为室温；溅射时间为28分41秒。6.根据权利要求4所述的磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，形成a
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Ga2O3沟道层之后执行如下操作，包括：氮气环境下，在100
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600℃条件下快速热退火0.5
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60分钟；在a
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Ga2O3沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极，包括：使用电子束蒸发镀膜的方式生长20nm的Ti和30nm的Au，作源电极和漏电极；
进一步优选的，形成a
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Ga2O3沟道层之后执行如下操作，包括：氮气环境下，在350℃条件下快速热退火1分钟。7.权利要求1
‑
3任一所述的磁控溅射非晶氧化镓光电薄膜晶体管的应用，其特征在于，包括：将上述a
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Ga2O3光电薄膜晶体管应用在图像探测上，具体是指：将光照射在覆盖有图像掩膜的a
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Ga2O3光电薄膜晶体管阵列上，测试每个单元的电流值，通过电流分布，清晰显示出掩膜的图像。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：辛倩，纪兴启，宋爱民，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：