本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電探測器，尤其涉及一種氧化鎵基垂直結(jié)構(gòu)紫外探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、日盲紫外光電探測器因其在軍用和民用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，近年來受到研究者們的廣泛關(guān)注。基于寬帶隙半導(dǎo)體材料的日盲紫外光電探測器已經(jīng)成為新一代的紫外探測器件。作為寬帶隙半導(dǎo)體材料之一的氧化鎵有 α相、 β相、 γ相、 δ相、 ε相、 κ相等6種不同的晶相結(jié)構(gòu)，其中 ε相氧化鎵的晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系，相較于單斜晶系的 β相氧化鎵， ε相氧化鎵具有更高的對稱性即沿c軸方向非反演對稱，從而表現(xiàn)出一定的鐵電極化特性（剩余極化強(qiáng)度為5~6?μc/cm），使得 ε相氧化鎵材料同時作為日盲光電探測器的鐵電層和光敏層成為可能。但是 ε相氧化鎵薄膜由于其亞穩(wěn)態(tài)性，獲得高質(zhì)量純的 ε相氧化鎵薄膜非常困難，這嚴(yán)重影響了 ε相氧化鎵基日盲紫外探測器件的性能。其次，現(xiàn)有的 ε相氧化鎵基日盲紫外探測器多為傳統(tǒng)平面電極結(jié)構(gòu)，其平面電場很難對 ε相氧化鎵薄膜進(jìn)行極化翻轉(zhuǎn)，這也嚴(yán)重限制了利用 ε相氧化鎵材料鐵電特性調(diào)控日盲探測器性能的發(fā)展。根據(jù)以往文獻(xiàn)資料，理論上 ε相氧化鎵薄膜上制備的肖特基勢壘的光電流增益來源于肖特基勢壘的耗盡區(qū)薄膜深能級缺陷的充放電過程，使得薄膜局部區(qū)域的感應(yīng)電流隨外加偏壓增大而增大。通過對鐵電薄膜材料施加正負(fù)偏置電壓，電偶極子會沿著電場方向排列，當(dāng)去極化場與異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場相同時，增強(qiáng)器件的光電流；當(dāng)去極化場與異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場相反時，減弱器件的光電流，實現(xiàn)去極化場對器件的電流調(diào)控，從而有效的提升探測器性能。

2、目前， ε相氧化鎵在許多不同的襯底上成功地生長，有報道稱以氯化鎵和氧氣為前驅(qū)體，采用鹵化物氣相外延法在550?℃下分別在氮化鎵（0001），氮化鋁（0001）、 β相氧化鎵（-201）等襯底上首次實現(xiàn)了純相的 ε相氧化鎵薄膜的外延生長，但是 ε相氧化鎵存在微小的取向差疇。另有研究發(fā)現(xiàn)在藍(lán)寶石襯底上生長立方氧化鎳層作為緩沖層，再外延生長 ε相氧化鎵薄膜用以抑制氧化鎳緩沖層可以阻止其他晶型的形成，從而保留純相的 ε相氧化鎵薄膜，但 ε相氧化鎵薄膜質(zhì)量仍有待改進(jìn)。同年還報道了在二氧化錫/藍(lán)寶石襯底上外延生長的 ε相氧化鎵薄膜，并觀察到了完整的 ε相氧化鎵薄膜鐵電滯回曲線。其他研究發(fā)現(xiàn)，直接在裸硅襯底上生長的 ε相氧化鎵薄膜晶體質(zhì)量和均勻性較差，在插入氮化鋁層后， ε相氧化鎵薄膜才能在硅襯底上成功生長。所有這些成果表明， ε相氧化鎵薄膜可以通過各種成熟的沉積方法生長，并有潛力用于進(jìn)一步的器件應(yīng)用。此外，部分文獻(xiàn)研究通過摻雜錫、鎂、鋅元素來實現(xiàn) ε相氧化鎵的p型導(dǎo)電。另有研究利用脈沖激光沉積（pld）技術(shù)在c面藍(lán)寶石襯底上沉積了單晶 ε相氧化鎵，并發(fā)現(xiàn)錫sn摻雜的 ε相氧化鎵薄膜的禁帶寬度隨著sn含量的增加而增加，但是過多的sn原子進(jìn)入晶格取代深能級的ga3+，并沒有增加器件的電導(dǎo)率，從而限制了器件性能。有報道通過磁控濺射和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（mocvd）技術(shù)構(gòu)建了摻雜鎂元素的 ε相氧化鎵薄膜金屬-半導(dǎo)體-金屬（msm）結(jié)構(gòu)的日盲光電探測器，該器件能夠穩(wěn)定運(yùn)行并且在不同外加電壓和光照強(qiáng)度驅(qū)動下具有穩(wěn)定的光開關(guān)特性。但是摻雜鎂mg的 ε相氧化鎵/未摻雜的 ε相氧化鎵和金au/鎂mg摻雜的 ε相氧化鎵界面處存在的大量缺陷，限制了一部分探測器的性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述問題，提供一種氧化鎵基垂直結(jié)構(gòu)紫外探測器及其制備方法。

2、本發(fā)明第一目的在于提供一種氧化鎵基垂直結(jié)構(gòu)紫外探測器，包括自下而上設(shè)置的底電極、襯底、緩沖層、 ε相氧化鎵層和頂電極；

3、所述緩沖層為氧化鎳；所述襯底為硅襯底；

4、所述頂電極和所述底電極用于施加偏壓，實現(xiàn)對所述 ε相氧化鎵層的極化偏轉(zhuǎn)。

5、優(yōu)選的，緩沖層為氧化鎳（111），所述緩沖層的厚度為1~50nm。

6、優(yōu)選的， ε相氧化鎵層的厚度為0.1~10μm；所述襯底為硅（111）襯底。

7、優(yōu)選的，頂電極為點電極，所述點電極的材料為導(dǎo)電率高于5×106s/m、粘附性強(qiáng)的電極材料。

8、優(yōu)選的，點電極的直徑10μm。

9、優(yōu)選的，底電極和所述頂電極的電極厚度為10~200nm；所述頂電極的材料為鎳、金、鈦、鉑或?qū)щ娿y漿；所述底電極的材料為導(dǎo)電銀漿。

10、本發(fā)明第二目的在于提供一種氧化鎵基垂直結(jié)構(gòu)紫外探測器的制備方法，具體包括如下步驟：

11、s1.對襯底進(jìn)行清洗，清洗后將襯底放置于磁控濺射的生長腔中；

12、s2.采用磁控濺射法在襯底上進(jìn)行緩沖層的生長；

13、s3.將緩沖層取出后，再放置在mocvd反應(yīng)腔室中進(jìn)行 ε相氧化鎵層的生長；

14、s4.在ε相氧化鎵層上涂抹光刻膠，經(jīng)過前烘、曝光、后烘、顯影，在光刻膠上形成金屬電極圖案；

15、s5.采用電子束沉積的方法在金屬電極圖案區(qū)域上沉積金屬；進(jìn)行l(wèi)ift-off工藝，剝離后得到頂電極；

16、s6.在襯底背向緩沖層的表面均勻涂覆電極材料，經(jīng)熱板烘烤后得到底電極，完成氧化鎵基垂直結(jié)構(gòu)紫外探測器的制備。

17、優(yōu)選的，步驟s3中 ε相氧化鎵層的生長溫度為600~700℃，生長時間為100~150分鐘，生長壓強(qiáng)為750~850pa。

18、優(yōu)選的，步驟s2中磁控濺射的射頻功率為130~180w，濺射時氣壓為0.3~1pa，氧氣流量為10~15sccm，氬氣流量為5~10sccm，生長時間10~30分鐘。

19、優(yōu)選的，步驟s4中的沉積溫度為室溫，金屬靶材為鉑，預(yù)濺射時間為1~5分鐘，沉積時間為15~25分鐘。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠取得如下有益效果：

21、本發(fā)明提出了一種在合適的襯底上外延生長高質(zhì)量 ε相氧化鎵薄膜后構(gòu)建垂直結(jié)構(gòu)日盲紫外探測器進(jìn)行 ε相氧化鎵薄膜鐵電極化研究。本發(fā)明提供的氧化鎵基垂直結(jié)構(gòu)紫外探測器制備方法的優(yōu)點在于一方面無需對 ε相氧化鎵薄膜引入摻雜、表面處理或者高溫退火等技術(shù)手段；另一方面，對鐵電薄膜材料施加正負(fù)偏置電壓，電偶極子會沿著電場方向排列，當(dāng)去極化場與異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場相同時，增強(qiáng)器件的光電流；當(dāng)去極化場與異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場相反時，減弱器件的光電流，實現(xiàn)去極化場對器件的電流調(diào)控，從而有效的提升探測器性能。