[发明专利]一种利用β相氧化镓晶体(100)面内各向异性制备高性能日盲探测器的方法

说明书

本发明涉及一种利用β相氧化镓晶体(100)面内各向异性制备高性能日盲探测器的方法，包括：(1)条状β相Ga₂O₃晶体的加工及定向：获得β相Ga₂O₃晶体的(100)解理面，即bc面；再获取条状β相Ga₂O₃晶体；(2)对步骤(1)获取的条状β相Ga₂O₃晶体依次进行清洗、光刻定义电极图形、ICP刻蚀、生长电极制备得到MSM型日盲探测器。本发明器件性能实现了133A/W的超高响应度，大的外量子效率约为6.61×10⁴％以及较短的响应时间。本发明制备的各项异性光探测器件有助于对氧化镓材料的各向异性特性进行深入理解，为制备高性能光探测器件提供指导。

技术领域

本发明涉及一种利用β相氧化镓晶体(100)面内各向异性制备高性能日盲探测器的方法，属于半导体技术领域。

背景技术

因为大气臭氧层对200-280nm波长光的强烈吸收，地球表面没有该波段的太阳辐射，因此该波段称为日盲区。日盲探测器具有超低背景干扰、超高信噪比、全天候、高灵敏度等优点，在火焰探测、臭氧空洞检测、水下通信、导弹预警、跟踪和制导等军民应用领域极具潜力。目前商用日盲探测器大多用硅材料制备，但因硅的禁带宽度小(～1.1eV)，一方面对可见、红外波段也具有响应，必须要借助高通滤光片等实现对日盲波段的单响应，另一方面其日盲光吸收截面相对较小，因而硅基日盲探测器具有成本较高、灵敏度度低、信噪比相对较低等问题。近些年，多元化合物作为日盲探测材料也引起了关注，例如Al_xGa_1-xN、Zn_xMg_1-xO、Zn_xGa_1-xO等，但这些多元化合物材料的带隙宽度、缺陷态密度等受原子比例影响敏感，而原子比例范围受限，超过一定比例容易有组分析出、分布不均等一系列问题，导致生长工艺苛刻、难以掌控，材料生长的均匀性、可重复性较差，难以实现理想、可靠的日盲响应。氧化镓具有～4.9eV的超宽禁带，对应的紫外吸收截止边(～254nm)落在日盲波段，工艺上可以通过熔体法生长高质量单晶，成本低，而且二元化合物成分简单，不需要合金化过程来调节带隙，工艺简单、易于掌控，材料生长的均匀性、可重复性、稳定性极高，是制备日盲探测器的一种理想的新型材料。

受益于氧化镓高质量大尺寸单晶生长技术的突破，氧化镓基日盲探测器技术自2013年起开始备受关注，目前器件制备工艺发展迅速，部分氧化镓器件实现了高的光暗电流比、高响应度、大的外量子效率、快速的响应速度等指标。然而，相关基础研究相对薄弱，比如如何结合晶体物性的各向异性优化器件设计等研究几近空白，导致器件性能还有很大提升空间有待开发。近些年已有文献报道了氧化镓的光学带隙具有各向异性(在不同晶轴方向带隙宽度不同)[F.Ricci,F.Boschi,A.Baraldi,A.Filippetti,M.Higashiwaki,A.Kuramata,V.Fiorentini,R.Fornari,J.Phys.:Condens.Matter,28,224005(2016).]，生长过程中可产生各向异性的缺陷并导致材料的刻蚀速度具有各向异性[Y.W.Zhang,A.Mauze,J.S.Speck,Appl.Phys.Lett.,115,013501(2019).]，以及热导率也具有各向异性[M.Slomski,N.Blumenschein,P.P.Paskov,J.F.Muth,T.Paskova,J.Appl.Phys.,121,235104(2017).]，但上述报道都是材料物理性质的各向异性。2018年有文章报道了不同晶面(_201)及(010)上制备的垂直肖特基二极管器件，但仅研究了垂直于该晶面的两个方向对器件电学性质的影响[H.Q.Fu,H.Chen,X.Q.Huang,I.Baranowski,J.Montes,T.H.Yang,Y.J.Zhao,IEEE Trans.Electron Device,65,3507-3513(2018).]。目前，尚未有较为系统的关于材料各向异性(如面内各向异性)对器件性能的影响以及基于各向异性优化器件设计的相关报道。

发明内容