一种自驱动MSM紫外探测器及其制备方法

一种自驱动msm紫外探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种自驱动msm紫外探测器及其制备方法。


背景技术：

2.紫外探测技术与红外和激光探测技术互补，是近年来受到广泛关注的一种光电检测技术，在紫外预警及侦察、紫外通讯、火警系统、环境污染监测、医学成像等领域具有极其重要的应用。领域内较为常见的紫外探测器主要是 si基光电二极管，但由于si禁带宽度较窄，必须依赖滤光系统，才能滤除可见光波，从而实现对紫外光的探测。相比之下，基于gan、algan等宽禁带半导体材料制备的紫外探测器可以直接探测紫外光线。宽禁带半导体材料的高电子饱和速度、高击穿电场、高热导率、抗高温和耐辐射等独特优点使其能够在高温，以及极端条件下工作。此外，通过调节algan材料的al组分，调节材料的禁带宽度，从而使得探测器探测波长在200～365nm范围内连续可调，非常适用于在可见光背景下辨别并监测日盲紫外辐射波段。
3.基于iii族氮化物基(如gan、aln、algan)薄膜的紫外探测器主要包含光电导型、肖特基结型、金属-半导体-金属(msm)型等平面探测器结构，和pin结等垂直或准垂直探测器结构。通常，msm探测器由肖特基或欧姆插指电极同时沉积在氮化物薄膜上，具有较小的电容，其薄膜无需掺杂，降低了因掺杂而产生的载流子散射现象和金半接触的缺陷密度，因而具有较快的响应速率，受到了人们的广泛关注。此外，msm结构紫外探测器制备简单，适合大规模产业化生产。
4.传统msm紫外探测器虽然结构简单，但因为仅仅依靠肖特基电极收集光生载流子，因此收集效率低，响应度较低。除此之外，传统msm紫外探测器因正负电极均沉积在同一薄膜上，因此电势相同，在零偏压条件下电流较低。这给长期、稳定的无需外加电源驱动的“自驱动”紫外探测器的开发带来了巨大的挑战。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自驱动msm紫外探测器及其制备方法，本发明提供的msm紫外探测器在msm结构的简单框架下实现了探测器响应度和整体性能的显著提升，使其可以进行自驱动探测。
6.本发明提供了一种自驱动msm紫外探测器，包括：
7.衬底；
8.设置在所述衬底表面的图形化低温结晶层，所述图形化低温结晶层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述图形化低温结晶层的形成温度为300～950℃；
9.设置在所述图形化低温结晶层表面和衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域的高温外延层，所述高温外延层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述高温外延层的形成温度为1000～1200℃；设置于所述图形化低温结晶层上的高温外延层为金属极性，设置于所述
衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域上的高温外延层为氮极性；
10.设置在所述高温外延层上的插指电极；所述插指电极由两组电极组成，一组电极设置于所述高温外延层的金属极性区域，另一组电极设置于所述高温外延层的氮极性区域。
11.优选的，所述衬底为蓝宝石衬底。
12.优选的，所述图形化低温结晶层的材料为aln或gan。
13.优选的，所述图形化低温结晶层的厚度为10～100nm。
14.优选的，所述高温外延层为单层结构或异质结结构；所述高温外延层的材料选择gan、aln和al
x
ga
1-x
n中的一种或多种，0＜x＜1。
15.优选的，所述高温外延层的厚度为100nm～10μm。
16.优选的，所述插指电极为欧姆电极或肖特基电极。
17.优选的，所述插指电极的材料选择ti、v、al、ni、pt和au中的一种或多种。
18.本发明提供了一种自驱动msm紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
19.a)在衬底表面沉积低温结晶层原料，得到低温结晶层；
20.所述低温结晶层的材料为纤锌矿结构的氮化物；所述沉积的温度为 300～950℃；
21.b)对所述低温结晶层进行图形化处理，得到表面设置有图形化低温结晶层的衬底；
22.c)对步骤b)得到的衬底表面进行高温外延生长，得到高温外延层；
23.所述高温外延层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述高温外延生长的温度为1000～1200℃；
24.在所述图形化低温结晶层上外延得到的高温外延层为金属极性，在所述衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域上外延得到的高温外延层为氮极性；
25.d)在所述高温外延层上沉积插指电极，得到自驱动msm紫外探测器；
26.所述插指电极由两组电极组成，一组电极沉积于所述高温外延层的金属极性区域，另一组电极沉积于所述高温外延层的氮极性区域。
27.优选的，还包括：对步骤d)得到的制品进行退火处理；所述退火处理的温度为300～800℃；所述退火处理的时间为30s～10min。
28.与现有技术相比，本发明提供了一种自驱动msm紫外探测器及其制备方法。本发明提供的紫外探测器包括：衬底；设置在所述衬底表面的图形化低温结晶层，所述图形化低温结晶层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述图形化低温结晶层的形成温度为300～950℃；设置在所述图形化低温结晶层表面和衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域的高温外延层，所述高温外延层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述高温外延层的形成温度为1000～1200℃；设置于所述图形化低温结晶层上的高温外延层为金属极性，设置于所述衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域上的高温外延层为氮极性；设置在所述高温外延层上的插指电极；所述插指电极由两组电极组成，一组电极设置于所述高温外延层的金属极性区域，另一组电极设置于所述高温外延层的氮极性区域。本发明提供的msm紫外探测器具有双极性结构，即同一衬底上，同时存在金属极性和氮极性畴(双极性氮化物)，而插指电极分别沉积在不同的极性畴上。由于两种极性面金属原子和氮原子排列方向相反，因此表面电势、表面能、背景载流子等特性均存在巨大差异，因此不同极性畴对于光生载流子的分离起到了促
进作用。本发明提供的msm紫外探测器在msm结构的简单框架下实现了探测器响应度和整体性能的显著提升，使其可以进行自驱动探测；解决平面氮化物基紫外光电探测器中载流子不能有效分离，导致紫外探测器不灵敏，对弱紫外信号的响应度差的问题，市场前景十分广阔。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
30.图1是本发明实施例提供的自驱动msm紫外探测器的侧视结构示意图；
31.图2是本发明实施例提供的自驱动msm紫外探测器的俯视结构示意图；
32.图3是本发明实施例提供的自驱动msm紫外探测器的制备流程图；
33.图4是本发明提供的双极性结构横向能带图；
34.图5是本发明实施例1提供的紫外探测器在暗场和光照下的i-v曲线图；
35.图6是本发明实施例2提供的紫外探测器在暗场和光照下的i-v曲线图。
具体实施方式
36.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明提供了一种自驱动msm紫外探测器，包括：
38.衬底；
39.设置在所述衬底表面的图形化低温结晶层，所述图形化低温结晶层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述图形化低温结晶层的形成温度为300～950℃；
40.设置在所述图形化低温结晶层表面和衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域的高温外延层，所述高温外延层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述高温外延层的形成温度为1000～1200℃；设置于所述图形化低温结晶层上的高温外延层为金属极性，设置于所述衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域上的高温外延层为氮极性；
41.设置在所述高温外延层上的插指电极；所述插指电极由两组电极组成，一组电极设置于所述高温外延层的金属极性区域，另一组电极设置于所述高温外延层的氮极性区域。
42.参见图1～2，图1是本发明实施例提供的自驱动msm紫外探测器的侧视结构示意图，图2是本发明实施例提供的自驱动msm紫外探测器的俯视结构示意图；其中，1为衬底，2为图形化低温结晶层，3为高温外延层，3a为高温外延层的金属极性区域，3b为高温外延层的氮极性区域，4为插指电极，区间a为插指电极的长度，区间b为插指电极的周期值(插指电极的宽度一般为周期值的1/4)。
43.本发明提供的紫外探测器包括衬底1、图形化低温结晶层2、高温外延层3 和插指
电极4。其中，衬底1优选为蓝宝石衬底，具体可选择2英寸的平片蓝宝石。
44.在本发明提供的紫外探测器中，图形化低温结晶层2设置在衬底1的表面，由沉积得到的低温结晶层经过图形化处理后形成。其中，所述沉积的温度为 300～950℃，具体可为300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、 650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃或950℃；图形化低温结晶层2 的图形结构为插指状图形；图形化低温结晶层2的材料为纤锌矿结构的氮化物，优选为aln或gan；图形化低温结晶层2的厚度为10～100nm，具体可为 10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。
45.在本发明提供的紫外探测器中，高温外延层3设置在图形化低温结晶层2 表面和衬底1表面未覆盖图形化低温结晶层2的区域，由氮化物原料在图形化低温结晶层2表面和衬底1表面未覆盖图形化低温结晶层2的区域进行高温外延得到。其中，所述高温外延的温度为1000～1200℃，具体可为1000℃、1050℃、 1100℃、1150℃或1200℃；高温外延层3可以是单层结构，也可以是异质结结构；高温外延层3的材料优选为gan、aln和al
x
ga
1-x
n(0＜x＜1)中的一种或多种，所述al
x
ga
1-x
n具体可为al
0.6
ga
0.4
n；高温外延层3的厚度优选为 100nm～10μm，具体可为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm。在本发明提供的一个实施例中，高温外延层3为单层结构，其厚度优选为1～10μm，具体可为5μm。在本发明提供的另一个实施例中，高温外延层3为异质结结构，具体可al
x
ga
1-x
n/aln异质结结构；其中，al
x
ga
1-x
n层的厚度优选为100nm～1μm，具体可为500nm；aln层的厚度优选为1～5μm，具体可为2μm。
46.在本发明提供的紫外探测器中，由于纤锌矿结构的氮化物具有非中心对称的特点，因此其在衬底上外延得到的氮化物薄膜具有(0001)金属极性和 (000-1)氮极性两种极性面。具体到本发明，设置于图形化低温结晶层2上的高温外延层3a为金属极性，设置于衬底1表面未覆盖图形化低温结晶层区域上的高温外延层3b为氮极性。
47.在本发明提供的紫外探测器中，插指电极4设置在高温外延层3上，插指电极4由两组电极组成，一组电极设置于高温外延层的金属极性区域3a，另一组电极设置于高温外延层的氮极性区域3b。在本发明中，插指电极4既可以选择与氮化物之间无势垒的欧姆电极，也可以选择与氮化物之间形成一定势垒高度的肖特基电极；插指电极4的材料优选为ti、v、al、ni、pt和au中的一种或多种；插指电极4的厚度优选为50～500nm，具体可为50nm、60nm、70nm、 80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、 170nm、180nm、190nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm 或500nm。在本发明提供的一个实施例中，插指电极4为ni/au插指电极，ni 层厚度优选为10～50nm，具体可为30nm；au层厚度优选为50～500nm，具体可为60nm。在本发明提供的另一个实施例中，插指电极4为ti/al/ni/au插指电极， ti层厚度优选为5～20nm，具体可为10nm；al层的厚度优选为50～200nm，具体可为100nm；ni层的厚度优选为10～50nm，具体可为30nm；au层的厚度优选为10～300nm，具体可为30nm。
48.本发明还提供了一种自驱动msm紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
49.a)在衬底表面沉积低温结晶层原料，得到低温结晶层；
50.所述低温结晶层的材料为纤锌矿结构的氮化物；所述沉积的温度为 300～950℃；
51.b)对所述低温结晶层进行图形化处理，得到表面设置有图形化低温结晶层的衬底；
52.c)对步骤b)得到的衬底表面进行高温外延生长，得到高温外延层；
53.所述高温外延层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述高温外延生长的温度为1000～1200℃；
54.在所述图形化低温结晶层上外延得到的高温外延层为金属极性，在所述衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域上外延得到的高温外延层为氮极性；
55.d)在所述高温外延层上沉积插指电极，得到自驱动msm紫外探测器；
56.所述插指电极由两组电极组成，一组电极沉积于所述高温外延层的金属极性区域，另一组电极沉积于所述高温外延层的氮极性区域。
57.参见图3，图3是本发明实施例提供的自驱动msm紫外探测器的制备流程图；其中，1为衬底，2’为未图形化的低温结晶层、2为图形化低温结晶层，3 为高温外延层，3a为高温外延层的金属极性区域，3b为高温外延层的氮极性区域，4为插指电极。
58.在本发明提供的制备方法中，首先在衬底1的表面沉积低温结晶层原料。其中，所述衬底1优选为蓝宝石衬底，具体可选择2英寸的平片蓝宝石；所述低温结晶层原料根据所采用的沉积工艺和所要制备的低温结晶层的材料组成进行选择；所述沉积的方式优选为金属有机气相外延沉积(mocvd)、分子束外延(mbe)或磁控溅射；所述沉积的温度为300～950℃，具体可为300℃、 350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、 850℃、900℃或950℃，其中，采用mocvd进行沉积时的温度优选为 700～950℃，采用磁控溅射进行沉积时的温度优选为300～500℃；所述mocvd 的压强优选为100～200torr，具体可为100torr、110torr、120torr、130torr、140torr、 150torr、160torr、170torr、180torr、190torr或200torr；所述磁控溅射的压强优选为1
×
10-5
pa～5
×
10-5
pa，具体可为1
×
10-5
pa、1.5
×
10-5
pa、2
×
10-5
pa、2.5
ꢀ×
10-5
pa、3
×
10-5
pa、3.5
×
10-5
pa、4
×
10-5
pa、4.5
×
10-5
pa或5
×
10-5
pa。沉积结束后，在衬底1表面形成低温结晶层2’，如图3(b)所示。在本发明中，沉积形成的低温结晶层2’的材料为纤锌矿结构的氮化物，优选为aln或gan；沉积形成的低温结晶层2’的厚度为10～100nm，具体可为10nm、20nm、30nm、 40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。
59.在本发明提供的制备方法中，得到低温结晶层2’后，对低温结晶层2’进行图形化处理。本发明对所述图形化处理的具体方式和处理条件没有特别限定，能够将低温结晶层2’制备成所需的图形化结构即可。图形化处理结束后，得到表面设置有图形化低温结晶层2的衬底1，如图3(c)所示。
60.在本发明提供的制备方法中，得到表面设置有图形化低温结晶层2的衬底1后，在其表面进行高温外延生长。其中，所述高温外延生长的原料根据所采用的高温外延工艺和所要制备的高温外延层的材料组成进行选择；所述高温外延生长的方式优选为金属有机气相外延沉积(mocvd)或分子束外延 (mbe)；所述高温外延生长的温度为1000～1200℃，具体可为1000℃、 1050℃、1100℃、1150℃或1200℃；所述高温外延生长的压强优选为 100～200torr，具体可为100torr、110torr、120torr、130torr、140torr、150torr、 160torr、170torr、180torr、190torr或200torr。高温外延结束后，在图形化低温结晶层2和衬底1表面未覆盖图形化低温结晶层2的区域上形成高温外延层3，其中，在图形化低温结晶层2上外延形成的高温外延层3a为金属极性，在衬底1表面未覆盖图形化低温结晶层区域上外延形成的高温外延层3b为氮极性，如图3(d)所示。在本发明中，外延形成的高温外延层3可以是
单层结构，也可以是异质结结构；外延形成的高温外延层3的材料优选为gan、 aln和al
x
ga
1-x
n(0＜x＜1)中的一种或多种，所述al
x
ga
1-x
n具体可为 al
0.6
ga
0.4
n；外延形成的高温外延层3的厚度优选为100nm～10μm，具体可为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、 1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm。在本发明提供的一个实施例中，外延形成的高温外延层3为单层结构，其厚度优选为 1～10μm，具体可为5μm。在本发明提供的另一个实施例中，外延形成的高温外延层3为异质结结构，具体可为al
x
ga
1-x
n/aln异质结结构；其中，al
x
ga
1-x
n 层的厚度优选为100nm～1μm，具体可为500nm；aln层的厚度优选为1～5μm，具体可为2μm。
61.在本发明提供的制备方法中，得到高温外延层3后，在高温外延层3上沉积插指电极4。其中，所述沉积采用的原料根据所采用的沉积工艺和所要制备的插指电极的材料组成进行选择；所述沉积的方式优选为电子束蒸镀沉积或热蒸镀沉积；所述沉积的温度优选为15～35℃，具体可为15℃、20℃、25℃(室温)、30℃或35℃；所述沉积的压强优选为1
×
10-4
～10
×
10-4
pa，具体可为1
×ꢀ
10-4
pa、2
×
10-4
pa、3
×
10-4
pa、4
×
10-4
pa、5
×
10-4
pa、6
×
10-4
pa、7
×
10-4
pa、 8
×
10-4
pa、9
×
10-4
pa或10
×
10-4
pa；所述沉积的速率优选为0.1～1a/s，具体可为0.1a/s、0.2a/s、0.3a/s、0.4a/s、0.5a/s、0.6a/s、0.7a/s、0.8a/s、0.9a/s 或1a/s。沉积结束后，在高温外延层表面形成插指电极4，插指电极4由两组电极组成，一组电极设置于高温外延层的金属极性区域3a，另一组电极设置于高温外延层的氮极性区域3b，如图3(e)所示。在本发明中，形成的插指电极4既可以是与氮化物之间无势垒的欧姆电极，也可以是与氮化物之间形成一定势垒高度的肖特基电极；形成的插指电极4的材料优选为ti、v、al、ni、 pt和au中的一种或多种；形成的插指电极4的厚度优选为50～500nm，具体可为 50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、 150nm、160nm、170nm、180nm、190nm、200nm、250nm、300nm、350nm、 400nm、450nm或500nm。在本发明提供的一个实施例中，形成的插指电极4 为ni/au插指电极，ni层厚度优选为10～50nm，具体可为30nm；au层厚度优选为50～100nm，具体可为60nm。在本发明提供的另一个实施例中，形成的插指电极4为ti/al/ni/au插指电极，ti层厚度优选为5～20nm，具体可为10nm；al 层的厚度优选为50～200nm，具体可为100nm；ni层的厚度优选为10～50nm，具体可为30nm；au层的厚度优选为10～50nm，具体可为30nm。
62.在本发明提供的制备方法中，完成插指电极4的沉积后，即制备获得了本发明提供的自驱动msm紫外探测器。本发明优选对制备得到的自驱动 msm紫外探测器进行退火处理，以改善金属电极与氮化物薄膜的接触特性，降低器件暗态下的漏电电流。其中，所述退火处理的温度优选为300～800℃，具体可为300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、 750℃或800℃；所述退火处理的时间优选为30s～10min，具体可为30s、1min、 1.5min、2min、2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min、5min、6min、7min、8min、9min或10min。
63.本发明提供和制备的msm紫外探测器具有双极性结构，即同一衬底上，同时存在金属极性和氮极性畴(双极性氮化物)，而插指电极分别沉积在不同的极性畴上。由于两种极性面金属原子和氮原子排列方向相反，因此表面电势、表面能、背景载流子等特性均存在巨大差异，因此不同极性畴对于光生载流子的分离起到了促进作用。本发明提供和制备的msm紫外探测器在 msm结构的简单框架下实现了探测器响应度和整体性能的显著提升，使其可
以进行自驱动探测；解决平面氮化物基紫外光电探测器中载流子不能有效分离，导致紫外探测器不灵敏，对弱紫外信号的响应度差的问题，市场前景十分广阔。
64.更具体来说，本发明提供和制备的msm紫外探测器具有以有益效果：
65.1)由于自发极化方向相反，因此氮极性和金属极性的能带弯曲方向相反。此外，由于表面悬挂键的原因，氮极性薄膜内的非故意掺杂氧原子含量较高，导致氮极性区域背景电子浓度较高，因而费米能更靠近导带。当光生载流子在薄膜中产生时，由于金属极性导带和价带比氮极性更高，因此电子向氮极性迁移，空穴向金属极性迁移。这一内建电场的存在有利于电子和空穴被电极有效收集，有利于提高紫外探测器的探测响应度、灵敏度和紫外/可见抑制比。涉及的相关技术机理示意图如图4所示，图4是本发明提供的双极性结构横向能带图，图中，evac为真空能级，ec为导带，ef为费米能，ev为价带。
66.2)传统msm探测器由肖特基或欧姆插指电极同时沉积在氮化物薄膜上，具有较小的电容，制备简单，其薄膜无需掺杂，降低了因掺杂而产生的载流子散射现象和金半接触的缺陷密度，因而具有较快的响应速率。但由于其无内建电场，因此载流子的收集效率不高，响应度较低(相比于pin等其他紫外探测器结构)。本专利提出的结构结合了msm制备简单、无需掺杂和pin探测器响应度高、可以进行自驱动探测等优点，为新型高效紫外探测器提供了一种新的解决方案。
67.为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
68.实施例1
69.制备自驱动msm紫外探测器，具体步骤如下：
70.a)在2英寸平片蓝宝石上基于mocvd技术沉积20nm的aln低温结晶层；其中，结晶层沉积的温度为850℃，沉积的压强为150torr，沉积所采用的铝源为三甲基铝(tma)、氮源为氨气(nh3)。
71.b)在沉积有低温结晶层的衬底表面旋涂1.5μm厚的光刻胶，采用接触式曝光仪曝光显影，在光刻胶层上形成插指状图形化结构；其中，曝光时间为8 秒，显影时间为30秒；插指结构周期值分别为16和24微米，长度500微米。
72.c)基于等离子体刻蚀，去除光刻胶层曝光部分的aln低温结晶层，使用丙酮去除光刻胶刻蚀阻挡层，得到图形化aln低温结晶层；刻蚀过程中，刻蚀腔体压强10mtorr，rf/icp功率为100/300w，cl2和bcl3等离子体流量分别为10sccm、25sccm。
73.d)将具有图形化aln低温结晶层的蓝宝石衬底放入mocvd腔体中进行高温外延，生长5μm的gan高温外延层；其中，高温外延的温度为1050℃，压强为150torr，所采用的载气为h2、镓源为三甲基铝(tmg)、氮源为氨气 (nh3)；高温外延结束后，在低温结晶层的区域外延得到的薄膜为金属极性，而在已被刻蚀的区域(即暴露出的蓝宝石衬底)外延得到的薄膜为氮极性。
74.e)基于电子束蒸镀沉积技术在gan高温外延层表面沉积ni/au插指电极(ni为底层，au为顶层)；其中，沉积的温度为室温，沉积的压强为4
×
10-4
pa， ni和au的沉积速率均为0.5a/s，最终厚度分别为30nm、60nm；沉积完成后，在gan高温外延层上得到插指电极，插指电极由两组电极组成，一组电极完全置于金属极性gan高温外延层上，另一组电极完全置于氮极性gan高温外延上，插指电极的宽度尺寸为4和6微米。
75.f)将步骤e)得到的器件放入快速热退火炉中，600c退火1min，得到自驱动msm紫外
探测器。
76.对本实施例制备的自驱动msm紫外探测器的光电性质进行测试，具体方法为：将紫外探测器的金属极性之上的电极和氮极性之上的电极分别接通电源正极和负极，在暗态和2.67mw/cm2的紫外光照条件下分别测试器件的电压
ꢀ‑
电流相应曲线；同时在相同条件下制备均匀ga极性gan msm，并进行对比。测试结果如图5所示，图5是本发明实施例1提供的紫外探测器在暗场和光照下的i-v曲线图，其中，(a)图为均匀ga极性gan msm紫外探测器的 i-v曲线图，(b)图为实施例1制备的自驱动msm紫外探测器的i-v曲线图。通过图5可以看出，在反向偏压条件下，本实施例制备的msm探测器的光/ 暗比例超过1000倍，远高于传统结构的100倍；此外，电流量级大大提升，紫外响应度大于50a/w，避免了低电流条件下的噪音，提高了探测稳定性。
77.实施例2
78.a)在2英寸平片蓝宝石上基于磁控溅射技术沉积50nm的aln低温结晶层；其中，结晶层沉积的温度为400℃，沉积的压强为3
×
10-5
pa，沉积所采用的铝源为金属铝靶、氮源为氮气(n2)。
79.b)通过步进曝光技术在沉积有aln低温结晶层的蓝宝石衬底表面进行图形化处理形成插指状图形化结构；其中，插指结构周期值为16微米，长度500 微米。
80.c)沉积ti刻蚀阻挡层，沉积厚度为50nm；基于湿法刻蚀技术刻蚀下部的aln低温结晶层；其中，所使用的刻蚀剂为3mol/l的koh水溶液，刻蚀的温度为70℃；刻蚀结束后，使用去离子水清洗样品，之后使用hf溶液去除ti刻蚀阻挡层，得到图形化aln低温结晶层。
81.d)将具有图形化aln低温结晶层的蓝宝石衬底放入mocvd腔体中进行高温外延，先生长2μm的aln，再生长500nm的al
0.6
ga
0.4
n，形成 al
0.6
ga
0.4
n/aln异质结结构；其中，高温外延的温度为1200℃，压强为100torr，所采用的载气为h2、镓源为三甲基铝(tmg)、三甲基铝(tma)，氮源为氨气(nh3)；高温外延结束后，在低温结晶层的区域外延得到的薄膜为金属极性，而在已被刻蚀的区域(即暴露出的蓝宝石衬底)外延得到的薄膜为氮极性。
82.e)基于步进曝光技术进一步制备电极图形，并基于热蒸镀沉积 ti/al/ni/au插指电极(ti为底层，au为顶层)，其中，沉积的温度为室温，沉积的压强为4
×
10-4
pa，ti、al、ni、au的沉积速率均为0.5a/s，最终的沉积厚度分别为10nm、100nm、30nm、30nm；沉积完成后，在高温外延层上得到插指电极，插指电极由两组电极组成，一组电极完全置于金属极性高温外延层上，另一组电极完全置于氮极性高温外延上，插指电极的宽度尺寸为4 微米。
83.f)将步骤e)得到的器件放入快速热退火炉中，800c退火2min，得到自驱动msm紫外探测器。
84.对本实施例制备的自驱动msm紫外探测器的光电性质进行测试，具体方法为：将紫外探测器的金属极性之上的电极和氮极性之上的电极分别接通电源正极和负极，在暗态和20μw/cm2的240nm单色紫外光照条件下分别测试器件的电压-电流相应曲线；同时在相同条件下制备均匀金属极性al
0.6
ga
0.4
n 异质结msm，并进行对比。测试结果如图6所示，图6是本发明实施例2提供的紫外探测器在暗场和光照下的i-v曲线图，其中，(a)图为均匀金属极性al
0.6
ga
0.4
n异质结msm紫外探测器的i-v曲线图，(b)图为实施例2制备的自驱动msm紫外探测器的i-v曲线图。通过图6可以看出，与传统结构相比，本实施例制备的msm探测器的光/暗比例比传统结构更高，因此紫外响应度更大，此外在0偏压条件下，本实施例提供的紫外探测
器具有明显的光响应，而传统结构0偏压并未响应。因此本实施例提供的紫外探测器适合用于自驱动紫外探测器。
85.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。

技术特征：
1.一种自驱动msm紫外探测器，包括：衬底；设置在所述衬底表面的图形化低温结晶层，所述图形化低温结晶层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述图形化低温结晶层的形成温度为300～950℃；设置在所述图形化低温结晶层表面和衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域的高温外延层，所述高温外延层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述高温外延层的形成温度为1000～1200℃；设置于所述图形化低温结晶层上的高温外延层为金属极性，设置于所述衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域上的高温外延层为氮极性；设置在所述高温外延层上的插指电极；所述插指电极由两组电极组成，一组电极设置于所述高温外延层的金属极性区域，另一组电极设置于所述高温外延层的氮极性区域。2.根据权利要求1所述的自驱动msm紫外探测器，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。3.根据权利要求1所述的自驱动msm紫外探测器，其特征在于，所述图形化低温结晶层的材料为aln或gan。4.根据权利要求1所述的自驱动msm紫外探测器，其特征在于，所述图形化低温结晶层的厚度为10～100nm。5.根据权利要求1所述的自驱动msm紫外探测器，其特征在于，所述高温外延层为单层结构或异质结结构；所述高温外延层的材料选择gan、aln和al
x
ga
1-x
n中的一种或多种，0＜x＜1。6.根据权利要求1所述的自驱动msm紫外探测器，其特征在于，所述高温外延层的厚度为100nm～10μm。7.根据权利要求1所述的自驱动msm紫外探测器，其特征在于，所述插指电极为欧姆电极或肖特基电极。8.根据权利要求1所述的自驱动msm紫外探测器，其特征在于，所述插指电极的材料选择ti、v、al、ni、pt和au中的一种或多种。9.一种自驱动msm紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：a)在衬底表面沉积低温结晶层原料，得到低温结晶层；所述低温结晶层的材料为纤锌矿结构的氮化物；所述沉积的温度为300～950℃；b)对所述低温结晶层进行图形化处理，得到表面设置有图形化低温结晶层的衬底；c)对步骤b)得到的衬底表面进行高温外延生长，得到高温外延层；所述高温外延层的材料为纤锌矿结构的氮化物，所述高温外延生长的温度为1000～1200℃；在所述图形化低温结晶层上外延得到的高温外延层为金属极性，在所述衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域上外延得到的高温外延层为氮极性；d)在所述高温外延层上沉积插指电极，得到自驱动msm紫外探测器；所述插指电极由两组电极组成，一组电极沉积于所述高温外延层的金属极性区域，另一组电极沉积于所述高温外延层的氮极性区域。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，还包括：对步骤d)得到的制品进行退火处理；所述退火处理的温度为300～800℃；所述退火处理的时间为30s～10min。

技术总结
本发明属于半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种自驱动MSM紫外探测器及其制备方法。本发明提供的紫外探测器包括：衬底；设置在衬底表面的图形化低温结晶层；设置在图形化低温结晶层表面和衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域的高温外延层；设置于所述图形化低温结晶层上的高温外延层为金属极性，设置于所述衬底表面未覆盖图形化低温结晶层区域上的高温外延层为氮极性；设置在所述高温外延层上的插指电极；插指电极由两组电极组成，一组电极设置于高温外延层的金属极性区域，另一组电极设置于高温外延层的氮极性区域。本发明提供的MSM紫外探测器在MSM结构的简单框架下实现了探测器响应度和整体性能的显著提升，使其可以进行自驱动探测。进行自驱动探测。进行自驱动探测。


技术研发人员：郭炜 国琛雨 陈荔 叶继春
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2020.11.23
技术公布日：2022/5/25