垂直结构GaN紫外光探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直结构GaN紫外光探测器的制备方法，包括：在绝缘衬底上形成底电极；将GaN薄膜转移至底电极上，在GaN薄膜上形成顶电极，底电极和顶电极与GaN薄膜形成的区域在垂直方向上有重叠，以使底电极、GaN薄膜和顶电极构成垂直结构GaN紫外光探测器。本发明专利技术提供的垂直结构GaN紫外光探测器具有暗电流低、响应速度快、开关比高等特点。开关比高等特点。开关比高等特点。

【技术实现步骤摘要】
垂直结构GaN紫外光探测器及其制备方法


[0001]本专利技术的至少一种实施例涉及一种光探测器，尤其涉及一种垂直结构GaN紫外光探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)是具有优异光电性能的第三代半导体。与Si、Ge等第一代半导体以及GaAs、InP等第二代半导体相比，GaN具有优异的热稳定性、化学稳定性以及抗辐射性，可以应用在高温、酸碱、高辐射等特殊环境中。此外，GaN的载流子迁移率高、直接带隙宽、光电性能优越，在LED照明、紫外光探测、太阳能电池等众多光电应用中具有突出的表现。其中，基于GaN的高性能紫外光探测器是一个研究重点。随着科技的发展，天文研究、无线通信、航天航空、环境监测等新型科技领域对紫外光探测的需求在不断升级。在上述复杂的使用环境中实现高性能的紫外光探测，需要器件抗辐射能力强、性能可靠、耐酸碱和高温、使用寿命长，在此基础上，低成本、易集成、与现有的生产工艺兼容实现批量化生产也是研究的重点。
[0003]相比于传统Si基紫外光探测器，GaN的材料性质给GaN基紫外光探测器带来了显著优势，包括：宽直接带隙，精确探测紫外光波段，免除滤波装置，同时增强光吸收，提高击穿电压；热稳定性和化学稳定性高，具有很强的抗辐射能力，适用于各类严苛环境；载流子迁移率高，器件的响应速度快等。因此基于GaN的紫外光电探测器是实现高速可靠的紫外光探测的理想途径。传统GaN基光电探测器一般基于光电导或光伏原理，是在外延生长的基础上增加掺杂、刻蚀、沉积等工艺以构建各类结构的器件如金属
‑
半导体
‑
金属光电探测器、PIN光电二极管。不同的器件结构可以起到提升器件响应速度、优化探测光谱范围、增强光电流等作用。此外，还有如设计叉指电极可以缩短电极间距，加快响应速度；掺杂Al/In可以调整能带宽度实现深紫外或可见光探测、多浓度的n型或p型掺杂形成结以提高势垒抑制漏电流等。上述技术在过去几十年间受到了广泛的研究，有效提升了氮化物光电探测器的性能，丰富了应用场景。
[0004]但随着研究不断推进，传统GaN光电探测器仍然面临一些悬而未决的严峻考验，其中之一就是基于外延生长的GaN只能实现平面的器件结构。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种垂直结构GaN紫外光探测器及其制备方法，通过电化学腐蚀法、转移工艺、光刻和刻蚀等工艺的结合形成垂直结构GaN紫外光探测器，本专利技术提供的垂直结构GaN紫外光探测器具有暗电流低、响应速度快、开关比高等特点。
[0006]本专利技术提供一种垂直结构GaN紫外光探测器的制备方法，包括：在绝缘衬底上形成底电极；将GaN薄膜转移至底电极上，其中GaN薄膜的厚度为纳米级；在GaN薄膜上形成顶电极；其中，GaN薄膜、顶电极、底电极在垂直方向上有重叠区域，以使底电极、GaN薄膜和顶电极构成垂直结构GaN紫外光探测器。
[0007]本专利技术还提供一种利用上述的制备方法得到的垂直结构GaN紫外光探测器，包括：
绝缘衬底；底电极，形成在绝缘衬底上；GaN薄膜，形成在底电极上；其中GaN薄膜的厚度为纳米级；顶电极，形成在GaN薄膜上；其中，GaN薄膜、顶电极、底电极在垂直方向上有重叠区域，以形成垂直结构GaN紫外光探测器。
[0008]根据本专利技术上述实施例提供的垂直结构GaN紫外光探测器，其垂直结构的特点使得相比于平面结构，减小了器件的电极之间的距离，缩短了载流子的传输距离，有利于提高器件的响应速度；由于减小了器件的电极之间的距离，也会减少载流子在传输过程中的损耗，提高电极对光生电子的收集效率，提高了光电流。
[0009]根据本专利技术上述实施例提供的垂直结构GaN紫外光探测器，底电极与GaN薄膜形成肖特基接触，具有肖特基势垒，降低了器件的暗电流，加快了载流子分离效率，提升光响应度，提高光开光比，加快了器件的响应速度。
附图说明
[0010]图1为根据本专利技术实施例的垂直结构GaN紫外光探测器的制备方法的流程图；
[0011]图2中的图(a)～(f)为根据本专利技术实施例的GaN薄膜及垂直结构GaN紫外光探测器的制备过程示意图；
[0012]图3为根据本专利技术实施例的垂直结构GaN紫外光探测器的立体示意图；以及
[0013]图4为根据本专利技术实施例的GaN外延片的截面示意图。
[0014]【附图标记说明】
[0015]1‑
绝缘衬底；
[0016]2‑
底电极；
[0017]3‑
GaN外延片；
[0018]31
‑
衬底；
[0019]32
‑
缓冲层；
[0020]33
‑
n
‑
GaN薄膜；
[0021]34
‑
GaN薄膜；
[0022]33
’‑
腐蚀后的n
‑
GaN薄膜；
[0023]4‑
顶电极；
[0024]5‑
黏性薄膜；
[0025]6‑
独立的金属电极；
[0026]7‑
阴极电极。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。但是，本专利技术能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使专利技术彻底和完全，并且将本专利技术的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
[0028]在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本专利技术。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在
或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0029]当前，纳米材料、低维材料、薄膜材料在物理、化学、生物等多个领域展现出了巨大潜力。通过与低维、薄膜材料的结合，能够从材料组合和器件结构等角度提升GaN光电探测器的性能。相关技术中将石墨烯作为透明电极以增强器件的光吸收、加快载流子迁移速度；或者通过将低维材料转移或生长在GaN体材料的表面，实现宽光谱的探测；或者构建异质结光电探测器，以形成内建电场提升GaN光电探测器的性能。这些方法受限于传统GaN光电探测器的工艺，都是在平面器件的基础上进一步优化。显然，平面器件的横向结构不可避免的需要更大的驱动电压以获得响应，较宽的电极间距也限制了对响应速度的提升。值得注意的是，在低维材料或薄膜材料组成的光电探测器中，搭建垂直结构可以切实可行的提升响应速度。在这种结构中，纳米级的薄膜凭借极低的抗弯刚度，能够构建柔性器件；优异的光电性能，如高的光吸收系数或窄带宽的光发射，有利于高性能器件的设计；较大的面积，是制备高集成度芯片的前提。垂直结构光电器件的电极间距更小，相比平面结构的光电器件，激发的载流子传输距离大大缩短，能够表现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构GaN紫外光探测器的制备方法，其特征在于，包括：在绝缘衬底(1)上形成底电极(2)；将GaN薄膜(34)转移至所述底电极(2)上，其中所述GaN薄膜(34)的厚度为纳米级；在所述GaN薄膜(34)上形成顶电极(4)；其中，所述底电极(2)、所述GaN薄膜(34)和所述顶电极(4)在垂直方向上有重叠区域，以使所述底电极(2)、所述GaN薄膜(34)和所述顶电极(4)构成所述垂直结构GaN紫外光探测器。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将GaN薄膜(34)转移至所述底电极(2)上包括：提供一GaN外延片(3)，所述GaN外延片(3)从下而上依次包括衬底(31)、缓冲层(32)、n
‑
GaN薄膜(33)、GaN薄膜(34)，所述n
‑
GaN薄膜(33)的掺杂浓度大于所述GaN薄膜(34)的掺杂浓度；利用电化学腐蚀法腐蚀所述GaN外延片(3)，以腐蚀去除所述n
‑
GaN薄膜(33)；将所述GaN薄膜(34)从腐蚀后的GaN外延片(3)上剥离，并转移至所述底电极(2)上。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，提供一GaN外延片(3)包括：采用金属有机物化学气相沉积法在衬底(31)上依次形成缓冲层(32)、n
‑
GaN薄膜(33)、GaN薄膜(34)。4.根据权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王开友，王昱婧，胡天贵，刘昌，赵丽霞，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：