基于Ⅲ-Ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器
及制作方法
技术领域
背景技术
[0002] 紫外探测技术的关键是研制高灵敏度、低噪声的紫外
传感器。传统的紫外光传感器用单晶
硅等感光材料和滤波片组成，但是由于Si和SiC对太阳光有响应，不是真正意义上的日盲材料，需要加装昂贵的滤波片，且灵敏度不够高，因此具有很大的局限性。
[0003] 宽禁带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料仅能对紫外光响应而产生光生载流子，因此适合于制作日光盲紫外探测器。光伏紫外探测器和光电导紫外探测器。光伏紫外探测器的工作原理是：利用p-n结、p-i-n结、Schottky结等内建
电场分离光生电子-空穴对，在探测器两端产生一定的光生伏特效应。这种探测器结构简单，不需要外加
偏压，操作方便，暗
电流低，但由于没有光电流增益，所以其响应灵敏度往往比较低。光电导型紫外探测器其基本工作原理是：当半导体
价带中的电子吸收足够大
能量的
光子后跃迁到导带，从而使半导体的电导率增加，即所谓的光电导效应。这种光电导紫外探测器结构简单，光电流内部增益极高，在同样的紫外光照射下具有很大的响应电流，相比传统的来说在各个方面都有了很大的提升，但仍存在一些不足的地方：(1)响应速度太慢，即存在光电导持续时间，增加了光响应时间，使紫外
光探测器的性能变差；(2)
暗电流大，光响应与入射光之间存在非线性变化关系，会出现假
信号现象，可能会引起测量出现差错。(3)光生载流子的寿命短。在光生载流子朝向不同的
电极扩散过程中，会有复合现象，从而减小光生载流子的寿命。这会降低探测器的性能。
发明内容
[0004] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种适应不同型号、及时检测、并自动控制的基于Ⅲ-Ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器及制作方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0006] 一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器，包括漏极、源极、第一半导体层、第二半导体层、位于第一和第二半导体界面处的
异质结沟道、衬底及
缓冲层、TiO2悬
浮栅极以及Ti金属层，其中，
[0007] 所述第一半导体层的下表面设置第二半导体层；所述第二半导体层的下方设置衬底及缓冲层；所述TiO2悬浮栅极位于第一半导体层的上表面，且处于所述源极和漏极之间；所述源极和漏极位于第一半导体层的上表面的两侧；所述第一半导体层和第二半导体层之间形成异质结沟道，并由于极化作用产生高
密度的二维电子气；所述源极和漏极与第一半导体形成欧姆
接触。
[0008] 优选地，所述第一半导体层的材料为AlGaN。
[0009] 优选地，所述第二半导体层的材料为GaN。
[0010] 优选地，所述TiO2悬浮栅极的材料为金红石或者锐
钛矿晶相TiO2，并制成
纳米管阵列。
[0011] 基于上述目的，本发明还提供了一种采用上述基于Ⅲ-Ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器的制作方法，包括以下步骤：
[0012] S10，在衬底及缓冲层上形成包括第二半导体层和第一半导体层组成
异质结构；
[0013] S20，在第一半导体层上，形成源电极和漏电极；
[0014] S30，在第一半导体层上设置Ti金属层；
[0015] S40，在第一半导体层上，采用
阳极氧化的方法将Ti氧化为TiO2纳米管阵列；
[0016] S50，选区
腐蚀形成TiO2悬浮栅极；
[0017] S60，采用
离子注入方式形成高阻区实现单元器件隔离，或
台面刻蚀实现器件间导电通道的阻断；
[0018] S70，划片和封装。
[0019] 优选地，所述S10中的衬底为蓝
宝石或Si或SiC。
[0020] 优选地，所述S10中的缓冲层包括AlN或多层AlGaN/GaN超晶格结构。
[0021] 优选地，所述S20具体为采用
电子束蒸发或
磁控溅射方法将Ti沉积在第一半导体层上。
[0022] 优选地，所述S50中利用
干法刻蚀或湿法刻蚀定义TiO2悬浮栅极区域。
[0023] 优选地，所述S20包括以下步骤，
[0024] S21，在第一半导体表面上源极和漏极的区域进行金属沉积；
[0025] S22，采用快速
退火，同时实现源极和漏极的
欧姆接触。
[0026] 与
现有技术相比，本发明的有益效果如下：由于采用了TiO2纳米管阵列浮栅结构作为栅极，极大提高了对紫外光检测的灵敏度，噪声更小，另外工作条件可以不受环境因素的影响，使用范围广，响应速度也更快，结构简单。
附图说明
[0027] 图1为本发明
实施例的基于Ⅲ-Ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器的结构示意图；
[0028] 图2为本发明实施例的基于Ⅲ-Ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器的制作方法步骤
流程图。
具体实施方式
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0030] 相反，本发明涵盖任何由
权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、
修改、等效制作方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0031] 系统实施例1
[0032] 参见图1，所示为本发明一实施例的基于Ⅲ-Ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器的结构示意图，包括漏极1、源极2、第一半导体层3、第二半导体层4、位于第一和第二半导体界面处的二维电子气5、衬底及缓冲层6、TiO2悬浮栅极7以及Ti金属层8，其中，
[0033] 第一半导体层3的下表面设置第二半导体层4；第二半导体层4的下方设置衬底及缓冲层6；TiO2悬浮栅极7位于第一半导体层3的上表面，且处于源极2和漏极1之间；源极2和漏极1位于第一半导体层3的上表面的两侧；第一半导体层3和第二半导体层4之间形成异质结，并由于极化作用产生高密度的二维电子气5；源极2和漏极1与异质结中的二维电子气5连接形成欧姆接触。
[0034] 本发明将具有对栅电荷量高度敏感的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)结构与具有高光电转化效率的TiO2纳米管阵列相0结合，制成了通过悬浮栅调制二维电子气5浓度的日盲紫外光探测器。
[0035] TiO2是一种宽带隙的金属氧化物半导体，仅对340nm以下的紫外光线存在强吸收，且
稳定性高，因此TiO2在检测紫外光方面具有优异的性能。而TiO2纳米管阵列这种结构因为具有很大的
比表面积，进而可以表现出更高的光电转化效率。用TiO2纳米管阵列浮栅结构取代传统的栅极，既可以获得这种特殊结构具有灵敏检测紫外光的特性，又可以获得HEMT器件小的栅
电压控制较大漏源电流的特性，即使是很微弱的紫外光照射到传感器上面，也能通过这种栅极小电压控制漏源大电流的放大作用，将信号精确的呈现出来。
[0036] 上述探测器的工作过程：在没有紫外光照射时，悬浮栅的TiO2会
吸附空气中的氧
原子，其中一部分的氧原子会得到一个电子变成O2-(氧负离子)，由于O2-的生成进而导致异质结中二维电子气5的电子浓度降低，使得漏源之间电流较小，并处于一个稳定状态。当TiO2纳米管阵列浮栅受到紫外光照射后，由于光生载流子作用，在TiO2中将会产生电子-空穴对，其中空穴将会和吸附在TiO2纳米结构的O2-结合，使其变成氧原子，这相当于使HEMT器件的栅压提高，从而提高器件的沟道电流，该电流称为光电流。由于HEMT器件的跨导比较大，也就是一定的栅压(对应于栅电荷)变化会引起的源
漏电流较大的变化，通过这种放大作用就可以将信号精确的呈现出来，达到检测紫外光的目的。
[0037] 具体实施例中，第一半导体层3的材料为AlGaN；第二半导体层4的材料为GaN；TiO2悬浮栅极7的材料为金红石或者锐钛矿晶相TiO2，并制成纳米管阵列。
[0038] 系统实施例2
[0039] 在本实施例中，衬底采用蓝宝石，缓冲层采用AlN，第一半导体层3采用了20nm厚的Al0.3GaN，第二半导体层4采用2μm厚的GaN，第一半导体层3和第二半导体层4之间形成异质结；源极和漏极首先采用
电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au(20/130/50/150nm)，然后在N2保护气氛下进行880℃快速热退火获得良好的欧姆接触。TiO2悬浮栅极7，首先采用电子束蒸发在已经制得源、漏电极的材料表面沉积10nm Ti
薄膜，然后采用选区刻蚀或剥离的方式将源漏电极上方的Ti金属去除，但是整个Ti金属层保持电连通，接着采用阳极氧化法获得TiO2纳米管阵列结构，阳极氧化结束后剩余Ti膜的厚度约为2nm；采用干法刻蚀在栅电极
位置保留TiO2纳米管阵列，获得悬浮栅；采用干法刻蚀的方法获得台面隔离，刻蚀深度约为100nm；
[0040] 系统实施例3
[0041] 在本实施例中，衬底采用Si，缓冲层采用AlN，第一半导体层3采用了10nm厚的AlN，第二半导体层4采用2μm厚的GaN，第一半导体层3和第二半导体层4之间形成异质结；源极2和漏极1首先采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au(20/150/50/150nm)，然后在N2保护气氛下进行900℃快速热退火获得良好的欧姆接触。TiO2悬浮栅极7，首先采用电子束蒸发在AlN表面沉积10nm Ti薄膜，然后采用阳极氧化法获得TiO2纳米管阵列结构，阳极氧化结束后剩余Ti膜的厚度约为3nm；采用干法刻蚀的方法获得台面隔离，刻蚀深度约为180nm；
[0042] 制作方法实施例
[0043] 与上述系统对应的，本发明还提供了一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器的制作方法，参见图2，包括以下步骤：
[0044] S10，在衬底及缓冲层上形成包括第二半导体层和第一半导体层组成异质结构；
[0045] S20，在第一半导体层和第二半导体层组成的异质结构上，形成源电极和漏电极；
[0046] S30，在第一半导体层上设置Ti金属层
[0047] S40，在第一半导体层上，采用阳极氧化的方法将Ti氧化为TiO2纳米管阵列；
[0048] S50，选区腐蚀形成TiO2悬浮栅极；
[0049] S60，采用离子注入方式形成高阻区实现器件隔离，或台面刻蚀实现器件间导电通道的阻断；
[0050] S70，划片和封装。
[0051] 具体实施例中，S10中的衬底为蓝宝石或Si或SiC，缓冲层包括AlN或多层AlGaN/GaN超晶格结构。可采用的
外延技术有金属有机化合物
化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氢化物
气相外延(HVPE)等。
[0052] S20包括以下步骤，
[0053] S21，在第一半导体表面上源极和漏极的区域进行金属沉积；
[0054] S22，采用快速退火，同时实现源极和漏极的欧姆接触。
[0055] S30具体为采用电子束蒸发或磁控溅射方法将Ti沉积在第一半导体层上。
[0056] S50中利用干法刻蚀或湿法刻蚀定义TiO2悬浮栅极区域，为了提高TiO2在第一半导体表面的附着
力，保留厚度为1～5nm Ti薄膜。
[0057] 在保证TiO2悬浮栅与第一半导体的力学稳定性的前提下，所述Ti金属层的厚度可以为0。
[0058] 本发明第一半导体层的下表面设置第二半导体层；第二半导体层的下方设置衬底及缓冲层；第一半导体的禁带宽度大于第二半导体；TiO2悬浮栅极位于第一半导体层的上表面，且处于所述源极和漏极之间；源极和漏极位于第一半导体层的上表面的两侧；源极和漏极与第一半导体形成欧姆接触；第一半导体层和第二半导体层之间形成异质结沟道，并由于极化作用产生高密度的二维电子气，但是在没有紫外光照射时，由于
化学吸附作用，TiO2悬浮栅上会有大量的负电荷，使得沟道中2DEG浓度很小；当有紫外光照射于TiO2悬浮栅极时，负电荷消失，源漏电流将会显著增大，实现紫外探测。
[0059] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
