一种铁电增强的砷化镓基异质结光电探测器及其制备方法

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种铁电增强的砷化镓基异质结光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、铁电材料，诸如传统的铁电共聚物[p(vdf-trfe)]，新型的hfo2基铁电材料以及范德华铁电材料（vdw fes），铁电材料能够在电场作用下产生铁电极化，并在电场消失之后仍然维持极化特性。双极铁电性使得其在众多领域得到了广泛的应用，例如基于hfo2基铁电材料的忆阻器，铁电存储器，铁电晶体管和铁电光电探测器等。

2、另一方面，虽然硅材料仍然是当今电子信息产业中最重要的半导体材料，但是随着摩尔定律的发展，如今硅基器件工艺制程已经接近硅原子物理极限，增强的短沟道效应以及栅极漏电使器件通断比下降、开关热耗增加严重阻碍硅基器件的继续发展，而作为iii-iv族半导体的gaas具有室温下接近8500cm2/vs的电子迁移率，合适的禁带宽度(1.42ev)使其具有高达720k的良好温度稳定性，被认为是极具前景的第二代半导体材料。其中2d材料/gaas基的异质结器件是目前研究的主要方向之一，2d材料的选择主要有以mos2为代表的过度金属硫族化合物tmds等，以单层mos2/gaas异质结光电二极管为例，异质结能带弯曲，会使得在光照下，光生电子由mos2流向gaas，而gaas产生的光生空穴则流向mos2，实现无偏压的自驱动光电二极管。这种异质结光电二极管的结构能够综合mos2和gaas的光吸收谱，拓宽探测范围，且响应时间一般较短，在μs级别。

3、然而，gaas基二极管在功能性方面明显弱于具有栅压控制的开关特性的晶体管型光电探测器，进而限制了其使用场景，另一方面，gaas和mos2的界面还有待进一步优化以降低关态电流，提升探测率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种铁电增强的砷化镓基异质结光电探测器及其制备方法，以解决现有技术中砷化镓基光电二极管功能性较弱、关态电流较高，进而影响探测率的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明提出了一种铁电增强的砷化镓基异质结光电探测器，包括衬底层、下电极层、半导体层、铁电功能层和上电极层，

4、所述下电极层位于衬底层一侧，

5、所述半导体层、上电极层由下至上依次设置于衬底层远离下电极层的一侧，

6、所述铁电功能层位于上电极层远离半导体层的一侧或衬底层与半导体层之间，通过施加外部电压控制铁电功能层的极化方向，当铁电功能层极化产生的铁电电场与内建电场的方向一致时，光电探测器呈开态；当铁电功能层极化产生的铁电电场与内建电场的方向相反时，光电探测器呈关态。

7、在以上技术方案的基础上，优选的，所述铁电功能层的材料包括p(vdf-trfe)或vdw铁电材料。

8、在以上技术方案的基础上，优选的，所述vdw铁电材料包括cuinp2s6、in2se3、sns和snse中的任意一种。

9、在以上技术方案的基础上，优选的，所述衬底层的材料为砷化镓，半导体层的材料为mos2，上电极层的材料包括au、pt、ti和ag中的任意一种，下电极层的材料包括cr、au、ti和pt中的任意一种。

10、在以上技术方案的基础上，优选的，所述下电极层的厚度为90~110nm，铁电功能层的厚度为2~5nm，半导体层的厚度为6~30nm，上电极层的厚度为90~110nm。

11、在以上技术方案的基础上，优选的，当所述铁电功能层位于上电极层远离半导体层的一侧时，所述光电探测器还包括顶电极层，所述顶电极层位于铁电功能层远离上电极层的一侧，所述顶电极层的材料包括al或ito。

12、在以上技术方案的基础上，优选的，当所述铁电功能层位于衬底层与半导体层之间时，所述光电探测器还包括抗氧化层，所述抗氧化层位于上电极层远离半导体层的一侧，所述抗氧化层的材料包括al2o3或pmma。

13、本发明提出了一种铁电增强的砷化镓基异质结光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

14、s1、对衬底层进行预处理，在衬底层一侧制备下电极层，下电极层的制备方法包括电子束蒸发法、热蒸发法和磁控溅射法中的任意一种；

15、s2、在衬底层远离下电极层的一侧制备半导体层，半导体层的制备方法为机械剥离法或湿法转移法；

16、s3、在半导体层远离衬底层的一侧表面通过电子束光刻上电极图案，并在上电极图案中心预留感光区域，在上电极图案区域制备上电极层，上电极层制备方法包括电子束蒸发法、热蒸发法和磁控溅射法中的任意一种；

17、s4、在上电极层远离半导体层的一侧表面制备铁电功能层，然后在铁电功能层表面通过电子束光刻顶电极图案，并沉积顶电极，得到光电探测器。

18、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s4中铁电功能层的制备方法包括以下步骤：

19、将铁电功能层材料稀释于碳酸二乙酯中，旋涂至上电极层表面，在100~140℃下退火3.5~4.5h，形成铁电功能层，其中铁电功能层材料占碳酸二乙酯的质量百分数比为2%wt~3%wt。

20、本发明提出了一种铁电增强的砷化镓基异质结光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

21、s1、对衬底层进行预处理，在衬底层一侧制备下电极层，下电极层的制备方法包括电子束蒸发法、热蒸发法和磁控溅射法中的任意一种；

22、s2、在衬底层远离下电极层的一侧制备铁电功能层，铁电功能层的制备方法为机械剥离法或湿法转移法；

23、s3、在铁电功能层远离衬底层的一侧制备半导体层，半导体层的制备方法为机械剥离法或湿法转移法；

24、s4、在半导体层远离铁电功能层的一侧表面通过电子束光刻上电极图案，并在上电极图案中心预留感光区域，在上电极图案区域制备上电极层，上电极层制备方法包括电子束蒸发法、热蒸发法和磁控溅射法中的任意一种；

25、s5、在上电极层远离半导体层的一侧表面制备抗氧化层，得到光电探测器。

26、本发明的一种铁电增强的砷化镓基异质结光电探测器及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：

27、（1）相比现有的gaas/mos2异质结光电二极管，本发明提出的新型结构能够将铁电材料的极化特性结合到异质结载流子调控中，实现对电流的抑制和放大，即实现开关特性，即通过控制铁电功能层的极化状态，可实现器件的开态/关态切换，在不同的极化状态下调节器件的光电性能，实现光电探测器的灵活控制和优化；

28、（2）通过将铁电功能层位于上电极层远离半导体层的一侧，铁电功能层可以作为覆盖层覆盖在器件表面，有效隔离空气中的h2o、o2等杂质分子的附着，降低器件的表面缺陷密度，减少关态电流的产生，提升探测率；同时，顶电极覆盖在铁电功能层远离上电极层的一侧，可与铁电功能层共同起到隔绝空气、水分、氧气等分子的作用，有助于提升器件的稳定性，防止外部环境因素对器件性能的影响，延长器件的使用寿命；

29、（3）通过将铁电功能层设置于衬底层与半导体层之间，铁电极化场由上下电极调节，无需增加顶电极；铁电功能层还可作为薄界面层直接接触半导体层，改善砷化镓基衬底与半导体层之间的界面质量，减少界面缺陷和表面态的影响，从而提高器件的性能和稳定性；在无光照时，由于铁电功能层的存在，可以抑制衬底与半导体之间的电荷转移，从而降低暗电流并提高探测率。