[发明专利]氧化物半导体基光电探测器及提高其性能的方法

说明书

本发明提供一种提高氧化物半导体基光电探测器性能的方法及所得到的氧化物半导体基光电探测器，该方法对基片上的有源层材料表面进行氟元素掺杂，从而填充制备有源层材料过程中产生的氧空位，然后制作电极形成光电探测器，氟元素掺杂使得光电探测器的探测率提高、恢复时间缩短，有源层材料为氧化物半导体；本发明对氧化物半导体薄膜的表面进行氟元素掺杂来填充氧空位，即电极/半导体之间的界面缺陷，进而改善氧化物半导体基光电探测器性能；氟相较于氧具有更大的电负性，能与镓结合形成更为稳定的化学键，即镓‑氟键，因此能更加有效地对氧空位进行填充；氟表面掺杂不会影响到材料内部的晶格结构，且掺杂剂量可控、工艺简单、降低工艺兼容性。

技术领域

本发明属于电子信息材料与元器件领域，具体涉及一种通过氟表面掺杂改善氧化物半导体基光电探测器性能的方法及得到的光电探测器，可用于光电探测领域。

背景技术

近年来，光电探测技术受到了越来越多的关注，应用广泛，其主要包括了红外探测技术、紫外探测技术以及激光探测技术等。其中，红外探测技术可用于制备红外夜视仪和热像仪，用作远距离侦查、监视、跟踪和探测伪装等；紫外探测技术可用于燃烧过程检测、紫外泄漏检查、火灾防范以及导弹来袭预警等；激光探测技术可用于激光测距、激光雷达、激光目标指示等。

光电探测器通常可分为光电倍增管、电荷耦合器件及固态光电探测器几大类。其中，光电倍增管是利用光子激发光阴极来产生光电子，并通过外电极收集光电子以获得电信号，其通常具有较高的灵敏度。然而，光电倍增管的功耗较高，且体积庞大，容易破损，使用起来极为不便。电荷耦合器件具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、读出噪声低等优点。但是，电荷耦合器件的响应与波长无关，难以针对特定波长进行探测。固态光电探测器的有源区采用半导体材料，当入射光源发射的光子能量hν大于半导体材料的禁带宽度E_g时，光子能量被吸收，并产生电子-空穴对，从而使材料内部的载流子浓度升高，进而提高其导电能力。固态光电探测器具有体积小、功耗低的优势，且具有较高的波长分辨率、较宽的波长响应线性范围以及较短的响应时间，逐渐发展成为主流的光电探测手段。针对紫外探测，固态光电探测器多基于宽禁带半导体材料，其中氧化物薄膜是常见材料之一，它包括氧化锌(ZnO)、氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化镓(αβγδε-Ga₂O₃)等。ZnO、In₂O₃和SnO₂禁带宽度分别大约为3.37eV、3.6eV和3.6eV，可用于近紫外探测；Ga₂O₃的禁带宽度约为4.9eV，对可见光、近紫外和中紫外波段具有较高的透射率，多应用于日盲紫外探测。

氧空位是氧化物半导体材料中常见的一种缺陷，能显著影响固态光电探测器的性能，主要表现为：1、氧空位通常部分地位于氧化物半导体的浅施主能级，能给出电子，进而提高材料的载流子浓度以及导电能力，这使得探测器的暗电流(背景噪声)增加；2、电极/半导体界面处的氧空位缺陷还有助于诱发“陷阱辅助隧穿效应”，进一步的增加探测器的暗电流以及背景噪声；3、氧空位相关界面缺陷的存在，还会导致光生载流子的捕获和复合，从而减少有效的光生载流子数量，降低光电流；4、氧空位相关界面陷阱的存在还容易导致持续光电导效应，使探测器恢复时间变长。

研究者们尝试过多种方法来减少氧化物半导体中的氧空位数量，其中最常采用的是在氧气氛下高温退火。但是，高温退火会对薄膜材料的结晶质量产生不可控的影响，进而影响器件性能，而且高温工艺还会增加器件制备的难度和成本，降低工艺兼容性。

发明内容

为解决氧空位带来的电极/氧化物半导体界面缺陷的存在使得所制备的光电探测器性能恶化的问题，本发明提出一种提高氧化物半导体基光电探测器性能的方法及该方法制备得到的氧化物半导体基光电探测器。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：