PIN型范德华异质结深紫外光电探测器及其制备方法

本发明属于半导体，具体的涉及一种光电探测器及其制备方法，可用于低噪声的深紫外光波段单光子探测及紫外通讯。

背景技术：

1、光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件，其在军事和国民经济等领域有广泛的用途，包括射线测量和探测、红外成像、导弹制导和预警等。在电磁谱中，紫外光指的波长从10nm～400nm的微米辐射，位于可见光紫端到x射线间，由于不引起人的视觉和能量较高的特点，可被用于杀菌消毒和紫外通讯等。其中日盲紫外波段，波长范围为240nm～280nm，太阳光中的该波段由于被大气中臭氧层强烈的吸收，导致地表几乎不存在该波段的光，因此在该波段的信号几乎不存在背景干扰。依靠这一特性，深紫外探测器可被用于臭氧空洞探测、火焰探测、海洋溢油监控和电弧检测等领域，亦可被用于导弹预警和紫外光通讯等领域。

2、相较于光电倍增管、真空光电管等传统探测器件，半导体光电探测器具有体积小、功耗低和可靠性高的技术优势。宽禁带半导体材料相比普通半导体具有高禁带宽度、高电子饱和速度等特性。对于部分宽禁带半导体，其光谱响应范围刚好位于日盲紫外波段。其中，β-ga2o3单晶是一种超宽禁带半导体，具有4.9ev的禁带宽度，对应光响应截止波长为254nm左右，且为直接带隙半导体，非常适合于制备深紫外日盲光电探测器。

3、传统的β-ga2o3基光电探测器包括光电导型、msm型、光电晶体管型、pn结型和雪崩型apd等多种构型。然而，由于β-ga2o3具有空穴迁移率很低、p型掺杂困难等问题，导致光电导型、光电晶体管型、msm型的β-ga2o3基光电探测器存在响应速度慢的问题；pn结型的β-ga2o3基光电探测器由于内建电场具有促进光生载流子分离的作用，虽然可促使响应速度加快，但却难以制备同质pn结，只能采用异质结构型，而氧化镓材料与其他材料形成的普通异质结往往有较大的晶格失配，结界面质量较差，存在大量缺陷和悬挂键，由此可能产生电子或空穴陷阱，俘获光生载流子，或产生缺陷能级，造成严重的界面复合，引起器件的响应度下降、响应速度减慢、噪声过大等性能下降。因此，长久以来，β-ga2o3基光电探测器存在光响应度与响应速度无法兼顾的问题，制约了其进一步的发展。雪崩型β-ga2o3基光电探测器虽然可以在获得较高的响应度的同时兼顾较快的响应速度，但是由于雪崩机制导致器件的寿命很短，易发生击穿。

4、王霞等人在公开号为cn115632082a的专利文献中提到一种柔性自供电的氧化镓光电探测器，其在柔性氟晶云母衬底上采用磁控溅射、化学气相淀积和高温沉积等方法制备氧化镓薄膜。然而，氟晶云母属于硅酸盐类物质，与氧化镓晶格失配很大，制备出的氧化镓薄膜晶体质量很差，载流子迁移率不会太高，晶体内缺陷也会促进光生载流子的复合。因此制备出的光电探测器响应度和响应速度都受到严重限制。

5、赵晓龙等人在公开号为cn116666488a的专利文献中提到一种氧化镓光电探测器，其通过与p+氧化镍材料结合得到一种改进的pn结型光电探测器，该结合拓展了光电探测器的光响应谱，且由于pn结内建电场对于分离载流子的作用，在一定程度上加快了光电探测器的光响应速度。但是，氧化镍与氧化镓的异质结往往界面质量较差，存在大量缺陷和悬挂键，会俘获大量的光生载流子，造成严重的界面复合，影响器件的响应度。因此，简单的基于普通异质结的pn结型器件结构无法获得较高的光电增益，导致光电探测器的响应度受限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种pin型范德华异质结深紫外光电探测器及其制备方法，以使氧化镓基深紫外光电探测器在获得高光电增益的同时兼顾较快的响应速度和更高的比探测率。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

3、1.一种pin型范德华异质结深紫外光电探测器，包括：衬底1、缓冲层2、底电极3、感光层4和顶电极5，其特征在于：

4、所述感光层4，采用自下而上依次为n型宽禁带半导体β-ga2o3层41、sb2o3范德华材料插层42和p型si外延层43的多层半导体材料复合结构，以使器件具有深紫外波段的光响应及能带结构中的单极电子阻挡层，提高器件的响应度、探测率和响应速度；

5、所述底电极3位于β-ga2o3层41上的一侧，其与sb2o3范德华材料插层42处于同一平面，以抽取掉阻挡层中累积的光生电子，降低光生载流子的复合概率，进一步提高响应度。

6、进一步，所述衬底1，采用(0001)晶向的si面无掺杂4h-sic衬底，其厚度为0.45～0.55mm，大小为200μm×200μm；

7、进一步，所述缓冲层2，采用无掺杂的aln材料，其位于衬底之上，厚度为10nm～15nm，大小、形状与衬底一致。

8、进一步，所述n型宽禁带半导体β-ga2o3层41，其位于缓冲层2之上，厚度为250nm～350nm，大小、形状与衬底1一致，电子浓度为1×1015cm-3；

9、进一步，所述sb2o3范德华材料插层42，其厚度为20nm～100nm，大小为180μm×200μm，无掺杂；

10、进一步，所述p型掺杂si外延层43，其厚度为250nm～350nm，其大小为160μm×200μm，空穴掺杂浓度约为1×1015cm-3；

11、进一步，所述底电极3，采用金属材料ti，其厚度与sb2o3范德华材料插层42一致，形状为条状，大小为20μm×200μm；

12、进一步，所述顶电极5，采用金属材料al，其厚度为50nm～100nm，形状为条状，大小为20μm×200μm，位于在p型si外延层43顶部远离底电极的边缘的一侧，与该p型si形成欧姆接触。

13、2.一种pin型范德华异质结深紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

14、1)选择(0001)晶向的si面无掺杂4h-sic衬底，对其进行清洗并用氮气干燥；

15、2)采用mocvd法在衬底上外延厚度为10nm～15nm的无掺杂aln缓冲层2；

16、3)制作感光层4：

17、3a)通过rf磁控溅射法在缓冲层上外延250nm～350nm厚的氧化镓，并在真空中退火使之结晶为β-ga2o341；

18、3b)通过真空热蒸镀设备与插层掩模版，在退火后的β-ga2o3层上部十分之九位置处淀积厚度为20nm～100nm的sb2o3范德华材料插层42；

19、3c)通过rf磁控溅射法、p型单晶硅靶材料和p型si外延层掩模版在sb2o3范德华材料插层42顶部九分之八位置处制备250nm～350nm厚的p型si外延层43；

20、4)使用真空热蒸镀设备和底电极掩膜版，在β-ga2o3的顶部十分之九至边缘位置处制备与范德华材料厚度相同的ti底电极3；

21、5)使用真空热蒸镀设备和顶电极掩模版在p型si外延层43顶部制备50nm～100nm厚的al顶电极5，完成光电探测器的制备。

22、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

23、第一，本发明的感光层由于采用多层半导体材料复合结构，可形成电子单极阻挡层，即在外加适当的反偏电压和深紫外光照射的情况下，光生电子将难以穿过sb2o3插层，在n型β-ga2o3层和p型硅间流动，而光生空穴在内建电场的作用下可自由地从n型β-ga2o3层经sb2o3插层注入p型硅外延层中，使得在空间上可将光生电子与光生空穴相互分离，降低了光生载流子的复合概率，进而可从而在提高器件响应速度的情况下，提高器件的光电导增益和响应度。

24、第二，本发明由于底电极位于β-ga2o3层上的一侧，其与sb2o3范德华材料插层处于同一层内，且同时与β-ga2o3层和sb2o3插层接触，可以抽取sb2o3插层中积累的光生电子，进一步促进光生载流子的相互分离，降低sb2o3材料中的光生载流子的复合概率，增加了sb2o3材料中的光生空穴寿命，提高了器件的光电导增益和响应度。

25、第三，本发明采用宽禁带半导体材料(100)晶向的β-ga2o3作为n型光敏材料。相较于常用的(-201)晶向的β-ga2o3材料，(100)晶向的β-ga2o3禁带宽度更大，日盲特性更好，制备难度也更低。同时由于(100)晶向，其迁移率更低、晶体内缺陷浓度更低，这种较低的输运性能和更好的晶体质量可使得所制备的光电探测器噪声更低，实现更高的比探测率。

26、第四，本发明采用sb2o3范德华材料作为中间插层，由于sb2o3是一种无机分子晶体，并以sb4o6的形式存在，因而可通过简易的真空热蒸镀的物理方式制备大面积薄膜。同时由于sb4o6分子是一种范德华材料，不存在悬挂键。因此，sb2o3与β-ga2o3、si形成的范德华异质结具有很高的界面质量，极大地弱化了界面复合，降低了光生载流子的损耗，可以提高器件的响应度、响应速度和比探测率。