基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及日盲紫外探测器领域，尤其涉及一种基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器及其制备方法。

背景技术

由于大气层中臭氧的强吸收及散射作用，太阳光中波长小于280nm的部分几乎无法到达地球表面。因此紫外日盲探测器受自然光影响很小，其在监视臭氧空洞、焰火探测和超高音速飞行器尾焰探测及追踪等诸多领域具有极大的商业和军事应用价值。现有的紫外探测器一般由硅制成，但由于硅的禁带宽度为1.1eV，为了达到更好的探测效果，需要借助日盲滤波片，因而增加了成本。

氧化镓作为一种超宽禁带的半导体，其禁带宽度达到了4.9eV，理论截止波长约为254nm，处于UVC日盲波段，是用于制备紫外日盲探测器的天然优选材料。目前常见的氧化镓探测器均是金属-半导体-金属的结构，电极接触为肖特基接触，例如，专利2019107326175提出的基于非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器及其制备方法，该专利公开了一种日盲紫外探测器，该探测器以高分子(如PET、聚酰亚胺)薄膜或织物为柔性衬底，使用超宽禁带半导体氧化镓(Ga

但是，上述专利具有以下缺陷：

上述专利中电极接触为肖特基接触，而肖特基接触常常伴随着缺陷辅助隧穿，暗电流偏大；同时电极的内部光致发射的存在，即电极吸收了能量小于氧化镓禁带宽度的光子，产生了光生电子并漂移、跃迁过势垒进入半导体内部并形成光生电流，使得探测器在长波部分有响应，降低了紫外/可见抑制比。

发明内容

发明目的：本发明旨在针对现有技术中存在的上述不足，提出一种基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器及其制备方法，在金属-半导体-金属的结构的基础上，通过加入一层绝缘层形成金属-绝缘层-半导体结构，降低暗电流和减小内部光致发射，从而提高光暗电流抑制比。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：

基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器，包括：由镍、金电极构成的电极层，绝缘氧化铝层，及氧化镓半导体衬底，电极层、绝缘氧化铝层、氧化镓半导体衬底由上至下依次设置，形成金属-绝缘层-半导体结构。

本发明在电极和氧化镓半导体衬底之间引入绝缘氧化铝层，氧化铝的禁带宽度为9.0eV，高于氧化镓，因此不会吸收可见光，降低了金属电极吸收光产生的光生电子隧穿进入半导体内部的概率，从而提高日盲探测器的紫外/可见抑制比，另一方面，氧化铝层的存在使电子所需跃过的势垒增大，也减小了在肖特基接触里存在的缺陷辅助的隧穿导致的电流，减小了暗电流，因此，这种结构的探测器紫外/可见抑制比高于传统的金属-半导体-金属结构的探测器。

针对上述基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器，以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述镍、金电极为叉指电极。

可选的，所述绝缘氧化铝层的厚度为2-5nm。

可选的，所述氧化镓半导体衬底为氧化镓单晶或外延片。

本发明还提出基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器的制备方法，用于制备所述的基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器，所述方法包括以下步骤：

(1)采用原子层沉积法在非故意掺杂的氧化镓半导体衬底上生长一层氧化铝薄膜作为绝缘氧化铝层；

(2)在绝缘氧化铝层的表面旋涂光刻胶，然后利用光刻、显影技术在绝缘氧化铝层涂覆光刻胶的一面上制备所述镍、金电极图案；

(3)在所制备镍、金电极图案上利用电子束蒸发法分别沉积金属镍和金，得到厚度小于光刻胶厚度的镍、金电极。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

相比于现有的金属-半导体-金属结构，本发明提出的金属-绝缘层-半导体结构有效地减小了内部光致发射，抑制了可见部分的光电流；同时绝缘层的存在增大了电子所需的隧穿距离，降低了隧穿概率，降低了器件的暗电流。综上所述，金属-绝缘层-半导体结构的探测器具有更高的紫外/可见抑制比。

附图说明

图1为实施例涉及的基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器的纵剖面图；

图2为镍、金电极的俯视图；

图3为本发明提出的金属-绝缘层-半导体结构日盲紫外探测器与现有的金属-半导体-金属结构日盲紫外探测器的光暗电流特性对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

实施例：

本实施例示例性地给出一种基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器，如图1所示，包括：由镍、金电极构成的电极层1，绝缘氧化铝层2，及氧化镓半导体衬底3，电极层1、绝缘氧化铝层2、氧化镓半导体衬底3由上至下依次设置，形成金属-绝缘层-半导体结构。其中，氧化镓半导体衬底3为非故意掺杂生长所成，载流子浓度1-5×10

上述基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器的制备方法如下：

(1)采用化学气相沉积的方法在蓝宝石衬底上外延一层厚度为5-9μm的氧化镓薄膜，或者利用厚度为650μm氧化镓的单晶作为器件的氧化镓半导体衬底3。氧化镓是非故意掺杂的，其载流子浓度约为3-5×10

(2)在氧化镓半导体衬底3上利用原子层沉积的方法沉积一层绝缘的氧化铝薄膜作为绝缘氧化铝层2，其厚度为2-5nm，生长温度为300℃；

(3)在绝缘氧化铝层2表面旋涂光刻胶，光刻胶采用AZ5214反转胶；

(4)利用光刻，在绝缘氧化铝层2上形成叉指电极的图案；

(5)利用电子束蒸发沉积按顺序先后沉积金属镍、金，其厚度分别为50、100nm，单个器件面积为长、宽分别为380μm、240μm的矩形；叉指电极共5对，单根长度为200μm，宽度为20μm，相对的电极间距为20μm；

(6)剥离金属，并去除残余光刻胶。

图3所示为本实施例所述基于氧化镓的金属绝缘层半导体结构日盲紫外探测器与现有的金属-半导体-金属结构的探测器在254nm波长光照下的电流和暗电流特性对比图。由图3可以看出，相比于金属-半导体-金属结构，金属-绝缘层-半导体结构的器件暗电流更低，达到了仪器的测量极限(10

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。