一種基于斜向ZnO納米線陣列調制的AlGaN/GaN紫外探測器及其制備方法與流程

本發明涉及半導體的技術領域，特別涉及一種基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器及其制備方法。

背景技術：

紫外光對生態系統和人類自身都產生了不可忽視的影響，這就需要對紫外光進行實時、準確地監測。在快速發展的信息時代，新興的物聯網技術中多節點探測對紫外探測器的需求不斷增大，對器件的靈敏度和小型化也提出越來越高的要求。

zno為具有3.37ev禁帶寬度的直接帶隙半導體，具有高的激子束縛能，是作為紫外探測器的優越材料。目前，應用到紫外探測器的zno材料有zno薄膜、單根zno納米線、垂直結構的zno納米線陣列等。

現有的基于algan/ganhemt(高電子遷移率晶體管)結構的zno納米線調制的紫外探測器是使zno納米線垂直生長于hemt的柵極區域。常規algan/ganhemt器件采用外延層采用gan極性面，zno晶格結構與gan失配程度小，但不論是在柵極淀積zno種子層還是使zno在柵極區域直接生長，都只能生長垂直于柵極平面的zno納米線陣列；而且極性面的algan/gan異質結界面處產生的2deg(二維電子氣)是由于gan極化效應所產生，極性面會帶來斯塔克效應，使2deg難以耗盡，從而影響zno納米線對2deg濃度的調控，進而影響對紫外光探測的靈敏度。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明目的在于提供一種基于斜向生長的zno納米線陣列的紫外探測器，提高紫外探測器的靈敏度以及探測效率，實現對紫外光強度的實時、精準、高效檢測。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器，包括無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管和生長在所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管柵極區域的斜向zno納米線陣列；

所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管中的gan外延層為半極性面(11-22)的gan層；所述gan外延層包括gan緩沖層、gan溝道層和gan帽層；所述gan溝道層位于gan緩沖層的上表面；

所述斜向zno納米線陣列與柵極區域的平面夾角為30～35°。

優選的，所述斜向zno納米線陣列中zno納米線的直徑為50～500nm。

優選的，所述斜向zno納米線陣列中zno納米線的長度為1～4μm。

優選的，所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的結構自下而上依次包括：襯底、aln成核層、gan緩沖層、gan溝道層、algan勢壘層、gan帽層以及和gan帽層形成歐姆接觸的源電極和漏電極；

柵極區域位于源電極和漏電極之間；

所述柵極區域和源電極之間區域以及柵極區域和漏電極之間的區域被鈍化層覆蓋。

優選的，所述aln成核層的厚度為100～170nm；

所述gan緩沖層的厚度為1.5～3μm；

所述gan溝道層的厚度為10～30nm；

所述algan勢壘層的厚度為10～30nm；

所述gan帽層的厚度為1～4nm；

所述鈍化層的厚度為100～140nm。

優選的，所述鈍化層的成分為氮化硅或二氧化硅。

本發明提供了上述方案所述紫外探測器的制備方法，包括以下步驟：

提供無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管；

將鋅鹽、六亞甲基四胺和水混合，得到前體溶液；

將所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的上表面浸沒于所述前體溶液中，進行水熱反應。

優選的，所述水熱反應的溫度為70～90℃；所述水熱反應的時間為7～10h。

優選的，所述鋅鹽和六亞甲基四胺的摩爾比為1：1～1：2。

優選的，所述前體溶液中鋅鹽的濃度為2.5～20mmol/l，六亞甲基四胺的濃度為2.5～40mmol/l。

本發明提供了一種基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器，包括無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管和生長在無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管柵極區域的斜向zno納米線陣列；所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管中的gan外延層為半極性面(11-22)的gan層；所述gan外延層包括gan緩沖層、gan溝道層和gan帽層；所述gan溝道層位于gan緩沖層的上表面；所述斜向zno納米線陣列與柵極區域的平面夾角為30～35°。本發明提供的紫外探測器基于傳統的algan/gan高電子遷移率晶體管(hetm)結構，在無柵的高電子遷移率晶體管的柵極區域斜向生長zno納米線陣列，斜向生長zno納米線陣列感光面積更大，從而提高了探測器的探測效率；并且本發明提供的紫外探測器結構中gan外延層均為半極性面的gan層，形成的半極性面的algan/gan異質結結構能夠有效緩解斯塔克效應，解決極性面algan/gan異質結界面處二維電子氣難以耗盡的問題，使源漏間導電溝道更容易夾斷，從而提高探測器的靈敏度和響應速度；本發明提供的紫外探測器靈敏度高，響應速度快且體積小，可以應用于傳感器網絡的探測結節點，實現對紫外光強度的實時、精準、高效檢測。實施例表明，本發明提供的紫外探測器在波長為365nm的20mw/cm²的紫外光照下，偏壓為1v時，響應時間可達到400ms，光電流與暗電流之比可達到10⁶。

附圖說明

圖1為本發明實施例中襯底的剖面示意圖；

圖2為本發明實施例在襯底上制備aln成核層后所得結構的剖面示意圖；

圖3為本發明實施例在aln成核層上制備gan緩沖層后所得結構的剖面示意圖；

圖4為本發明實施例在gan緩沖層上制備gan溝道層后所得結構的剖面示意圖；

圖5為本發明實施例在gan溝道層上制備algan勢壘層后所得結構的剖面示意圖；

圖6為本發明實施例所得半極性algan/gan外延片結構的剖面示意圖；

圖7為本發明實施例在半極性algan/gan外延片表面制備源、漏電極后所得結構的剖面示意圖；

圖8為本發明實施例中沉積鈍化層后所得結構的剖面示意圖；

圖9為本發明實施例中所得無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管結構的剖面示意圖；

圖10為本發明實施例所得基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器結構的剖面示意圖；

圖11為向本發明實施例制備的基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器施加紫外光的示意圖；

圖1～圖11中：1-襯底；2-aln成核層；3-gan緩沖層；4-gan溝道層；5-二維電子氣；6-algan勢壘層；7-gan帽層；8-漏電極；9-源電極；10-鈍化層；11-斜向zno納米線陣列；12-紫外光；

圖12為本發明實施例1制備的斜向zno納米線陣列的掃描電子顯微鏡照片。

具體實施方式

本發明提供了一種基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器，包括無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管和生長在無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管柵極區域的斜向zno納米線陣列；

所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管中的gan外延層為半極性面(11-22)的gan層；所述gan外延層包括gan緩沖層、gan溝道層和gan帽層；所述gan溝道層位于gan緩沖層的上表面；

所述斜向zno納米線陣列與柵極區域的平面夾角為30～35°。

本發明提供的紫外探測器包括無柵的高電子遷移率晶體管。在本發明中，所述無柵的高電子遷移率晶體管的結構自下而上依次包括：襯底、aln成核層、gan緩沖層、gan溝道層、algan勢壘層、gan帽層以及和gan帽層形成歐姆接觸的源電極和漏電極。

在本發明中，所述無柵的高電子遷移率晶體管包括襯底。本發明對襯底材料沒有特殊要求，使用本領域中的常規襯底材料即可，優選為半極性m面的al2o3襯底；本發明對襯底的厚度沒有特殊要求，使用本領域技術人員熟知的厚度即可。

在本發明中，所述無柵的高電子遷移率晶體管包括設置在所述襯底表面的aln成核層。在本發明中，所述aln成核層的厚度優選為100～170nm，更優選為140～160nm，最優選為150nm。

在本發明中，所述無柵的高電子遷移率晶體管包括設置在所述aln成核層上表面的gan緩沖層。在本發明中，所述gan緩沖層為半極性面(11-22)的gan層；所述gan緩沖層的厚度優選為1.5～3μm，更優選為1.5～2.5μm，最優選為2μm。

在本發明中，所述無柵的高電子遷移率晶體管包括設置在所述gan緩沖層上表面的gan溝道層。在本發明中，所述gan溝道層為半極性面(11-22)的gan層；所述gan溝道層的厚度優選為10～30nm，更優選為25nm。

在本發明中，所述無柵的高電子遷移率晶體管包括設置在所述gan溝道層表面的algan勢壘層。在本發明中，所述algan勢壘層的厚度優選為10～30nm，更優選為20nm；所述algan勢壘層中al的摻雜濃度優選為0.1～0.3，更優選為0.25；在本發明的具體實施例中，所述algan勢壘層可以為al0.25ga0.75n。

在本發明中，gan溝道層和algan勢壘層形成algan/gan異質結，由于gan層的極化效應，在algan壁壘層和gan溝道層的界面處會形成高電子遷移率的二維電子氣；并且本發明中的gan外延層均為半極性面的gan，形成的半極性面algan/gan異質結能夠有效緩解斯塔克效應，解決極性面algan/gan異質結界面處二維電子氣難以耗盡的問題，在沒有光照時，二維電子氣濃度更低，相應暗電流更低，使源漏間導電溝道更容易夾斷，也更容易使器件在紫外光照下有更靈敏的反應，從而提高探測器的靈敏度和響應速度。

在本發明中，所述無柵的高電子遷移率晶體管包括設置在所述algan勢壘層表面的gan帽層。在本發明中，所述gan帽層為半極性面(11-22)的gan層；所述gan帽層的厚度優選為1～4nm，更優選為2nm。

在本發明中，所述無柵的高電子遷移率晶體管包括與gan帽層形成歐姆接觸的源電極和漏電極。在本發明中，所述源電極和漏電極與gan帽層形成歐姆接觸；本發明對所述源電極和漏電極的材質沒有特殊要求，使用本領域中常規的源電極和漏電極即可；在本發明的具體實施例中，所述源電極和漏電極優選為ti/al/ni/au電極；所述ti/al/ni/au電極自下而上依次為ti層、al層、ni層和au層；所述ti層的厚度優選為20～30nm，更優選為25nm；所述al層的厚度優選為120～180nm，更優選為140～160nm；所述ni層的厚度優選為40～60nm，更優選為45～55nm；所述au層的厚度優選為40～150nm，更優選為60～120nm。

在本發明中，所述源電極和漏電極之間的間距優選為8～12μm，更優選為10μm；柵極區域位于源電極和漏電極之間；本發明對源電極和柵極區域之間的間距以及漏電極和柵極區域之間的間距沒有特殊要求，使用本領域技術人員熟知的間距即可；所述柵極區域和源電極之間區域以及柵極區域和漏電極之間的區域被鈍化層覆蓋；所述鈍化層的材質優選為氮化硅或氧化硅；所述氮化硅優選為si3n4；所述鈍化層的厚度優選為100～140nm，更優選為120nm。

本發明提供的紫外探測器包括生長在無柵高電子遷移率晶體管柵極區域的斜向zno納米線陣列。在本發明中，所述斜向zno納米線陣列與柵極區域的平面夾角優選為30～35°，更優選為32°；所述斜向zno納米線陣列中zno納米線的直徑優選為50～500nm，更優選為80～180nm，最優選為150nm；所述斜向zno納米線陣列中zno納米線的長度優選為1～4μm，更優選為2μm。

本發明利用半極性面(11-22)的gan帽層，使一維zno納米線在半極性面(11-22)gan帽層表面的柵極區域斜向生長，斜向的zno納米線陣列具有更大的感光面積，且表面活性高，對紫外光波段有較高的響應速率，在紫外光照下，能迅速調節柵極區域的電壓，改變algan/gan異質結界面處的二維電子氣濃度，進而改變紫外探測器的輸出電流，從而實現對紫外光的探測。

本發明提供了上述方案所述紫外探測器的制備方法，包括以下步驟：

提供無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管；

將鋅鹽、六亞甲基四胺和水混合，得到前體溶液；

將所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的上表面浸沒于所述前體溶液中，進行水熱反應。

本發明制備無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管。本發明對制備無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的制備方法沒有特殊要求，可以使用領域技術人員熟知的方法進行制備。在本發明的具體實施例中，所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的制備方法優選包括以下步驟：

(1)采用化學氣相沉積法依次在襯底表面沉積aln成核層、gan緩沖層、gan溝道層、algan勢壘層和gan帽層，得到半極性algan/gan外延片；

(2)采用干法刻蝕的方法刻蝕出有源區臺面，在半極性algan/gan外延片的有源區上刻蝕出源極區域和漏極區域，采用電子束蒸發法分別在源極區域和漏極區域制備源電極和漏電極；

(3)采用等離子體增強化學氣相沉積法沉積鈍化層；

(4)通過反離子刻蝕法去除柵極區域、源電極和漏電極上的鈍化層，得到無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管；

本發明對上述方案中采用的化學氣相沉積法、干法刻蝕、電子束蒸發法、等離子體增強化學氣相沉積法和反離子刻蝕法的具體操作方法和操作條件沒有特殊要求，使用本領域技術人員熟知的操作方法和操作條件進行制備即可。

本發明將鋅鹽、六亞甲基四胺和水混合，得到前體溶液。在本發明中，所述鋅鹽優選為六水合硝酸鋅或二水合醋酸鋅；所述鋅鹽和六亞甲基四胺的摩爾比優選為1：1～1：2，更優選為1：1；所述前體溶液中的鋅鹽的濃度優選為2.5～20mmol/l，更優選為10mmol/l；所述前體溶液中六亞甲基四胺的質量濃度優選為2.5～40mmol/l，更優選為10mmol/l；本發明利用六亞甲基四胺為封端劑并提供堿性環境，促進氧化鋅的成核和生長。

得到前體溶液后，本發明將所述無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的上表面浸沒于所述前體溶液中，進行水熱反應。在本發明中，所述水熱反應的溫度優選為70～90℃，更優選為75～85℃，最優選為80℃；所述水熱反應的時間優選為7～10h，更優選為7.5～9h，最優選為8h；本發明優選使用反應釜進行水熱反應。本發明對于無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的上表面的浸沒程度沒有特殊要求，使晶體管上表面的柵極區域能夠和前體溶液接觸即可。

本發明通過水熱反應在半極性面的gan帽層表面的柵極區域生長氧化鋅納米線陣列，無需任何特殊控制即可在柵極區域得到斜向生長的zno納米線陣列，且生長之前無需制備氧化鋅種子層，制備方法簡單，容易實施。

本發明提供的紫外探測器靈敏度高，響應速度快，具有廣闊的應用前景。

本發明提供的紫外探測器的工作原理如下：

在黑暗條件下，氧氣吸附于斜向zno納米線表面，形成氧負離子，在zno納米線耗盡層建立負電位，將二維電子氣(2deg)推向gan溝道層，algan/gan異質結界面處2deg濃度降低，此時有微弱的暗電流；

在365nm波段紫外光照下，zno納米線內產生大量電子-空穴對，空穴向zno納米線表面的耗盡層移動，與氧負離子重新結合，zno納米線表面的負電位降低，進而使algan/gan異質結界面處2deg濃度增加，使器件輸出電流增大，從而實現對柵極區域電壓的調控，改變器件的輸出電流，通過光響應電流和暗電流的比值大小，確定紫外光的相對強弱。

在本發明的具體實施例中，所述紫外探測器的工作流程如下：

(1)在沒有紫外光照的情況下，對本發明提供的紫外探測器施加電壓偏置，此時有微弱的暗電流；

(2)對本發明提供的紫外探測器生長有斜向zno納米線陣列的柵極區域進行紫外光照射；

(3)得到紫外光照下的光響應電流；

(4)通過光響應電流與暗電流的比值大小，感應紫外光的相對強弱；

(5)撤除紫外光，器件恢復到暗電流狀態。

下面結合實施例對本發明提供的基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器及其制備方法進行詳細的說明，但是不能把它們理解為對本發明保護范圍的限定。

實施例1

采用金屬有機化學氣相沉積(mocvd)的方法在m面al2o3襯底上生長150nmaln成核層，如圖1～圖2所示；

采用mocvd的方法在aln成核層表面沉積2μm厚的半極性面(11-22)gan緩沖層，如圖3所示；

采用mocvd的方法在gan緩沖層表面生長25nm厚的半極性面(11-22)gan溝道層，如圖4所示；

采用mocvd的方法在gan溝道層表面生長20nm厚的al0.25ga0.75n勢壘層，如圖5所示；

采用mocvd的方法在al0.25ga0.75n勢壘層表面生長2nm厚的半極性面(11-22)gan帽層，得到半極性algan/gan外延片，如圖6所示；

在半極性algan/gan外延片上進行光刻，依次通過甩膠、前烘、曝光、后烘、顯影制備出有源區圖形；采用反應離子蝕刻機中用bcl3和cl2氣體對外延片進行刻蝕，刻蝕深度為300nm，隔離出有源區；旋凃光刻膠，通過光刻制備出源漏電極區域；用電子束蒸發制備ti/al/ni/au(30/180/40/150nm)層，然后將光刻膠剝離，在900℃的n2氛圍下快速熱退火處理35秒，從而制備出源漏電極，并與gan帽層構成歐姆接觸，如圖7所示；

采用等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)淀積120nm厚的si3n4介質作為鈍化層，如圖8所示；

旋凃光刻膠，通過光刻制備出柵極區域和源漏電極孔，以光刻膠作為掩膜，通過反應離子刻蝕，用cf4等離子體去除柵極區域和源漏電極上的si3n4鈍化層，然后將光刻膠剝離，得到無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管，如圖9所示；

通過水熱法在柵極生長斜向zno納米線陣列：將六水合硝酸鋅(zn(no3)2·6h2o)10mmol和六亞甲基四胺(hmta)10mmol溶解于1l去離子水中，攪拌均勻，作為zno納米線生長的前體溶液；取20ml前體溶液放入水熱反應釜中，再將無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的上表面朝下放置，使其懸浮于反應釜中，與溶液表面相接觸，在80℃的條件下反應8h，在柵極區域得到斜向的zno納米線陣列；將長有斜向zno納米線陣列的器件用去離子水洗滌，并用氮氣吹干，得到基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器，如圖10所示。

對本發明提供的紫外探測器施加紫外線的示意圖如圖11所示；

使用掃描電子顯微鏡對得到的斜向zno納米線陣列進行觀察，所得結果如圖12所示；根據圖12可以看出，所測量的斜向zno納米線與柵極區域的夾角為34.7°，納米線長度為1.2826μm，對整體的斜向zno納米線陣列而言，與柵極區域的夾角范圍為30～35°，納米線平均長度約為2μm；

對zno納米線平均直徑進行檢測，可得zno納米線的平均直徑約為200nm。

對所得紫外探測器的紫外探測性能進行檢測，在波長為365nm的20mw/cm²的紫外光照下，偏壓為1v時，響應時間可達到400ms，光電流與暗電流之比可達到10⁶。

實施例2

以m面al2o3為襯底，使用實施例1中的方法制備無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管，控制aln成核層厚度為140nm、gan緩沖層厚度為1.5μm、gan溝道層厚度為20nm、algan勢壘層厚度為15nm、gan帽層的厚度為1.5nm，源電極和漏電極與實施例1一致；

通過水熱法在柵極區域生長斜向zno納米線陣列：將六水合硝酸鋅(zn(no3)2·6h2o)10mmol和六亞甲基四胺(hmta)20mmol溶解于1l去離子水中，攪拌均勻，作為zno納米線生長的前體溶液；取30ml前體溶液放入水熱反應釜中，再將無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的上表面朝下放置，使其懸浮于反應釜中，與溶液表面相接觸，在90℃的條件下反應7.5h，在柵極區域得到斜向的zno納米線陣列；將長有斜向zno納米線陣列的器件用去離子水洗滌，并用氮氣吹干，得到基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器。

使用掃描電子顯微鏡對得到的斜向zno納米線陣列進行觀察，可得斜向zno納米線陣列與柵極區域的夾角范圍為30～35°，納米線平均長度約為1.2μm；

對zno納米線平均直徑進行檢測，可得zno納米線的平均直徑約為150nm。

對所得紫外探測器的紫外探測性能進行檢測，在波長為365nm的20mw/cm²的紫外光照下，偏壓為1v時，響應時間可達到400ms，光電流與暗電流之比可達到10⁶。

實施例3

以m面al2o3為襯底，使用實施例1中的方法制備無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管，控制aln成核層厚度為160nm、gan緩沖層厚度為2.5μm、gan溝道層厚度為15nm、algan勢壘層厚度為12nm、gan帽層的厚度為2.5nm，源電極和漏電極與實施例1一致；

通過水熱法在柵極區域生長斜向zno納米線陣列：將六水合硝酸鋅(zn(no3)2·6h2o)20mmol和六亞甲基四胺(hmta)20mmol溶解于1l去離子水中，攪拌均勻，作為zno納米線生長的前體溶液；取30ml前體溶液放入水熱反應釜中，再將無柵的algan/gan高電子遷移率晶體管的上表面朝下放置，使其懸浮于反應釜中，與溶液表面相接觸，在75℃的條件下反應9h，在柵極區域得到斜向的zno納米線陣列；將長有斜向zno納米線陣列的器件用去離子水洗滌，并用氮氣吹干，得到基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器。

使用掃描電子顯微鏡對得到的斜向zno納米線陣列進行觀察，可得斜向zno納米線陣列與柵極區域的夾角為范圍為30～35°，納米線平均長度約為2.5μm；

對zno納米線平均直徑進行檢測，可得zno納米線的平均直徑約為300nm。

對所得紫外探測器的紫外探測性能進行檢測，在波長為365nm的20mw/cm²的紫外光照下，偏壓為1v時，響應時間可達到400ms，光電流與暗電流之比可達到10⁶。

由以上實施例可知，本發明制備的基于斜向zno納米線陣列調制的algan/gan紫外探測器通過在柵極區域生長斜向的zno納米線陣列，提高了探測器的靈敏度和響應速度，可以實現對紫外光強度的實時、精準、高效檢測，具有廣闊的應用前景。

由以上實施例可知，本發明以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。