本发明涉及铁电半导体领域，特别涉及一种基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器及其制备方法。
背景技术：
1、日盲紫外光电探测器因为只响应220-280 nm紫外波段的光，不受其他波长光信号的干扰，所以具有背景噪声低、稳定性好等优点，目前被广泛应用于民生医疗、军事国防等领域。ga2o3材料具有4.6-4.9 ev的禁带宽度，其光响应波段直接对应于紫外波段，同时因为ga2o3材料是直接带隙半导体，具有光吸收率高的优点，且该材料还具有优异的化学和热稳定性，能够适应各种恶劣环境，所以ga2o3材料被广泛应用于日盲紫外光电探测器的制备。目前所开发的ga2o3日盲紫外光电探测器因需要外部电源的驱动，故存在大尺寸、大能耗以及不易于整合等缺点，而基于异质结结构的ga2o3日盲紫外光电探测器能够利用结效应实现自驱动，在无功率的条件下也能够正常工作，另外，异质结结构中的内建电场能够促进光生载流子的分离，提高探测器的响应度。
2、alscn材料可以利用sc组分调节禁带宽度，实现与ga2o3材料完美匹配的禁带宽度（4.6-5.2 ev），减小界面处的势垒峰，优化异质结界面质量，提高探测器性能。另外，alscn材料的宽禁带与紫外光的吸收光谱（220-280 nm）相对应，能够提高器件的光吸收率。同时，alscn材料还具有优越的铁电特性，其极化电场可以调节内建电场的强度和耗尽区的宽度，从而进一步促进光生载流子的分离，提高器件的响应度。因此，alscn被认为是制备ga2o3异质结高性能日盲紫外光电探测器的理想材料。
3、然而目前所应用的alscn材料都是施加垂直电场实现其纵向轴的极化翻转，这种纵向的极化翻转会引起alscn薄膜中非均匀畴的形成，从而导致alscn薄膜中漏电的增加，降低氧化镓异质结日盲探测器的光暗电流比和响应度。同时，纵向电场还会直接引起alscn铁电畴的成核，会增加光生载流子在陷阱中的俘获和复合而使其寿命缩短，延长氧化镓异质结日盲探测器的恢复时间。
4、综上所述，目前的纵向电场的alscn/ga2o3异质结日盲探测器存在alscn容易漏电以及铁电畴易成核的问题，导致alscn/ga2o3异质结日盲探测器的响应度难以长时间保持优异性能。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器及其制备方法，采用横向电场的alscn/ga2o3异质结构解决纵向电场的alscn漏电而导致的光暗电流比低的问题，同时仍然保持氧化镓异质结日盲探测器的高响应度的优点。
2、为实现以上目的，第一方面，本技术方案提供了一种基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，包括：衬底以及设置在衬底表面的至少一alscn/ga2o3异质结构，其中每一alscn/ga2o3异质结构包括刻蚀在衬底表面的独立的氧化镓块、沉积在氧化镓块一侧的alscn层、沉积在氧化镓块一侧的第一金属电极以及沉积在alscn层一侧的第二金属电极，且alscn层同氧化镓块形成横向电场。
3、本方案提供的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器中的alscn/ ga2o3异质结构形成横向电场，可以进一步促进光生载流子的分离；除此之外，横向电场直接作用于alscn层畴壁的运动，使铁电畴均匀分布，降低alscn铁电薄膜的漏电，从而提高器件的光暗电流比和响应度。
4、在一些实施例中，alscn层贴置氧化镓块的侧表面且alscn层覆盖部分氧化镓块的上表面设置，alscn层同氧化镓块沿着同一横向方向设置以形成横向电场。
5、具体的，alscn层由一体设置的薄膜上部和薄膜下部组成，其中薄膜上部位于薄膜下部的上方，薄膜上部的长度长于薄膜下部的长度，薄膜上部和薄膜下部之间形成包纳区域，氧化镓块的一侧被包裹在包纳区间内。此时，氧化镓块的上表面同薄膜上部接触，氧化镓块的侧表面同薄膜下部接触，以使得alscn层同氧化镓块沿着同一横向方向设置以形成横向电场。
6、在一些具体实施例中，薄膜上部和薄膜下部形成倒置的“l”型，此时， alscn层包裹氧化镓块的一侧。
7、在一些实施例中，alscn层全覆盖氧化镓块的侧表面，部分覆盖氧化镓块的上表面。具体的，alscn层的薄膜下部接触衬底，且薄膜下部贴置氧化镓块的侧面的表面积不小于氧化镓块的侧表面的表面积，薄膜上部贴置氧化镓块的侧面的表面积小于氧化镓块的上表面的表面积。
8、具体的，薄膜下部贴置氧化镓块的侧面的表面积同于氧化镓块的侧表面的表面积，薄膜下部贴置氧化镓块的侧面的长度同于氧化镓块的侧表面的长度，薄膜下部贴置氧化镓块的侧面的宽度同于氧化镓块的侧表面的宽度。薄膜上部贴置氧化镓块的侧面的宽度同于氧化镓块的上表面的宽度，薄膜上部贴置氧化镓块的侧面的长度小于氧化镓块的上表面的长度。
9、另外，本方案的第一金属电极沉积在氧化镓块远离alscn层的一侧，第二金属电极沉积在alscn层远离氧化镓块的一侧，第一金属电极和第二金属电极分置于alscn/ga2o3异质结构的两侧，配合alscn层和氧化镓块形成横向电场，横向电场有助于加速光生电子-空穴对的分离，并减少它们重新结合的概率，从而提高器件的响应速度和效率。
10、在一些实施例中，第一金属电极沉积在氧化镓块的表面且底部接触衬底设置，第二金属沉积在alscn层的表面且底部接触衬底设置。
11、本方案的第一金属电极和第二金属电极选择为au、ag、ti、cr、ni、al、pt、w、cu、mg中的一种或多种。
12、另外，在一些实施例中，氧化镓块包括生长在衬底上的氧化镓薄膜以及生长在氧化镓薄膜上的第一金属硬掩膜层，其中第一金属硬掩膜层中的金属为ti、ni、cr、w、pt、al或者ag中的一种或者多种，第一金属硬掩膜层的厚度为10~500 nm，氧化镓薄膜的厚度约在200~300nm。这是由于太薄的氧化镓层会导致光吸收率较低，而太厚的氧化镓层会导致光生载流子复合率增加，从而降低光电转化效率。另外，本方案设置第一金属硬掩膜层是为了在刻蚀工艺中对氧化镓光刻图案进行保护。
13、同样的，在一些实施例中，alscn层包括生长在氧化镓块上的alscn铁电薄膜以及生长在alscn铁电薄膜上的第二金属硬掩膜层，其中第二金属硬掩膜层中的金属为ti、ni、cr、w、pt、al或者ag中的一种或者多种，第二金属硬掩膜层的厚度为10~500 nm，alscn层的厚度在10~70nm之间。这是由于太薄的alscn薄膜不能够提供足够的分离电荷，会导致光电响应度低；太厚的alscn薄膜其铁电翻转电压较大，导致器件击穿。同样的，本方案设置第二金属硬掩膜层的目的是为了在刻蚀工艺中对alscn光刻图案进行保护。
14、第二方面，本方案提供了一种基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器的制备方法，包括以下步骤：
15、s1：在衬底上生长氧化镓薄膜，在氧化镓薄膜上生长第一金属硬掩膜层后进行刻蚀形成独立的氧化镓块；
16、s2：在每一独立的氧化镓块的一侧沉积刻蚀第一金属电极；
17、s3：在氧化镓块上生长alscn铁电薄膜，在alscn铁电薄膜上生长第二金属硬掩膜层后进行刻蚀形成alscn层，其中alscn层同氧化镓块形成横向电场；
18、s4：在alscn层的一侧沉积刻蚀第二金属电极。
19、在步骤s1中，清洗并干燥衬底后在衬底上生长氧化镓薄膜。
20、在一些实施例中，衬底分别经过丙酮、异丙醇和去离子水经过丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗后用氮气枪吹干干燥，这样的好处在于可确保衬底的表面清洁没有杂质，为后续的处理提供干净的界面。在一些实施例中，超声1-20min，优选的，可超声20min，清洗后用氮气枪吹干。
21、需要说明的是，本方案对衬底先用丙酮清洗后再用异丙醇清洗的好处在于丙酮能溶于异丙醇溶液，这样的方式可利于异丙醇去除多余的丙酮，避免对衬底对器件性能造成影响。
22、在一些实施例中，衬底的衬底材料需要同氧化镓薄膜相匹配，衬底的衬底材料选择为蓝宝石、单晶硅、二氧化硅、氮化镓、碳化硅、石英、氧化镓的一种或任意两种以上的组合。
23、在步骤s1中，采用mocvd或者pld工艺在衬底上生长沉积氧化镓薄膜。当采用mocvd工艺时，氮气流量范围为1~100 sccm，氧气流量范围为1~100 sccm，氩气流量范围为1~100sccm，生长压强为0.1~10 pa，生长温度为700~1000 ℃，射频功率为10~200 w，生长时间为10~90 min；当采用pld工艺时，激光能量为1~500 mj/脉冲，氧气压力为0.1~10pa，沉积温度为500~1000℃，沉积时间为10~60 min。
24、另外，步骤s1中在衬底上沉积生长氧化镓薄膜后对氧化镓薄膜将进行光刻并生长第一金属硬掩膜层，将生长第一金属硬掩膜层的氧化膜薄膜进行刻蚀形成独立的氧化镓块。
25、在一些实施例中，本方案的第一金属硬掩膜层的金属选择为ti、ni、cr、w、pt、al或者ag中的一种或者多种，且第一金属硬掩模层的厚度为10~500 nm。另外，在一些实施例中，本方案采用icp刻蚀、反应离子刻蚀（rie）或者离子束刻蚀（ibm）的一种或多种刻蚀工艺在生长第一金属硬掩膜层的氧化膜薄膜进行刻蚀形成独立的氧化镓块。
26、需要说明的是，本方案的衬底上刻蚀沉积有多个氧化镓块，其中多个氧化镓块以阵列的形式分布在衬底上，对应的，本方案采用阵列形式的模板对生长第一金属硬掩膜层的氧化膜薄膜进行刻蚀。
27、在步骤s2中，通过金属束蒸发、热蒸发或者磁控溅射的方式在每一独立的氧化镓块的一侧沉积刻蚀第一金属电极。
28、在一些实施例中，在每一独立的氧化镓块的一侧采用套刻的方式沉积刻蚀第一金属电极。
29、在一些实施例中，第一金属电极的金属材料选择为au、ag、ti、cr、ni、al、pt、w、cu、mg中的一种或多种。
30、在步骤s3中，在步骤s2得到的已经刻蚀有第一金属电极的氧化镓块上生长alscn铁电薄膜，在alscn铁电薄膜上生长第二金属硬掩膜层，对具有第二金属硬掩膜层的alscn铁电薄膜进行套刻刻蚀形成alscn层。
31、在一些实施例中，在步骤s2得到的已经刻蚀有第一金属电极的氧化镓块上通过溅射（sputtering）、分子束外延（mbe）、金属有机化学气相沉积（mocvd）的方式生长alscn铁电薄膜。
32、在一些实施例中，第二金属硬掩膜层中的金属为ti、ni、cr、w、pt、al或者ag中的一种或者多种，第二金属硬掩膜层的厚度为10~500 nm。
33、在一些实施例中，采用等离子体刻蚀（icp）、反应离子刻蚀（rie）或者离子束刻蚀（ibm）中的一种或者多种对具有第二金属硬掩膜层的alscn铁电薄膜进行套刻刻蚀形成alscn层。需要说明的是，刻蚀得到的alscn层需要对应于当前的氧化镓块，且alscn层全覆盖氧化镓块的侧表面，部分覆盖氧化镓块的上表面，以使得alscn层同氧化镓块形成横向电场，具体的结构可参考上述内容介绍。
34、在步骤s4中，在alscn层的一侧通过电子束蒸发、热蒸发或者磁控溅射的方式沉积刻蚀第二金属电极。
35、在一些实施例中，第二金属电极为au、ag、ti、cr、ni、al、pt、w、cu、mg中的一种或多种。
36、如上所述，在一具体实施例中，本方案提供的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器的制备方法通过电感耦合等离子体（icp）刻蚀设备将氧化镓单晶薄膜刻蚀成独立的氧化镓块，采用标准的电极蒸镀和刻蚀技术在氧化镓块一侧形成金属电极，再沉积一层alscn铁电薄膜并光刻、刻蚀成独立的alscn/ga2o3异质结构的器件模块，采用标准的电极蒸镀技术在alscn薄膜上沉积并刻蚀另一端的金属电极得到基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，该基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器采用横向电场alscn/ ga2o3作为异质结结构，利用横向电场翻转下alscn优越的铁电特性，提高器件的响应度，同时，通过横向电场下异质结结构的低漏电，实现了高光暗电流比以及高响应度。
37、相较现有技术，本技术方案具有以下特点和有益效果：
38、本方案提供了一种独特的横向电场的alscn/ ga2o3异质结构设计，其中alscn层铁电薄膜不仅覆盖氧化镓块的侧面，还部分覆盖其上表面，形成了一个高效的横向电场，通过横向电场的作用可以有效地促进光生载流子的分离，减少它们的复合概率，从而提高光暗电流比；同时横向电场还有助于优化alscn层铁电薄膜中的畴分布，降低alscn铁电薄膜的漏电，进一步提高器件的响应度，不仅提高了日盲探测器的光暗电流比和响应度，还增强了器件的稳定性和可靠性，对于开发高性能的日盲紫外探测器具有重要意义。
1.一种基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，其特征在于，包括：衬底以及设置在衬底表面的至少一alscn/ga2o3异质结构，其中每一alscn/ga2o3异质结构包括刻蚀在衬底表面的独立的氧化镓块、沉积在氧化镓块一侧的alscn层、沉积在氧化镓块一侧的第一金属电极以及沉积在alscn层一侧的第二金属电极，且alscn层同氧化镓块形成横向电场。
2.根据权利要求1所述的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，其特征在于，alscn层贴置氧化镓块的侧表面且alscn层覆盖部分氧化镓块的上表面设置，alscn层同氧化镓块沿着同一横向方向设置以形成横向电场。
3.根据权利要求1所述的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，其特征在于，alscn层由一体设置的薄膜上部和薄膜下部组成，其中薄膜上部位于薄膜下部的上方，薄膜上部的长度长于薄膜下部的长度，薄膜上部和薄膜下部之间形成包纳区域，氧化镓块的一侧被包裹在包纳区间内。
4.根据权利要求3所述的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，其特征在于，薄膜下部贴置氧化镓块的侧面的表面积不小于氧化镓块的侧表面的表面积，薄膜上部贴置氧化镓块的侧面的表面积小于氧化镓块的上表面的表面积。
5.根据权利要求1所述的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，其特征在于，氧化镓块包括生长在衬底上的氧化镓薄膜以及生长在氧化镓薄膜上的第一金属硬掩膜层，其中第一金属硬掩膜层中的金属为ti、ni、cr、w、pt、al或者ag中的一种或者多种。
6.根据权利要求1所述的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，其特征在于，alscn层包括生长在氧化镓块上的alscn铁电薄膜以及生长在alscn铁电薄膜上的第二金属硬掩膜层，其中第二金属硬掩膜层中的金属为ti、ni、cr、w、pt、al或者ag中的一种或者多种。
7.根据权利要求1所述的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器，其特征在于，第一金属电极沉积在氧化镓块远离alscn层的一侧，第一金属电极选择为au、ag、ti、cr、ni、al、pt、w、cu、mg中的一种或多种；第二金属电极沉积在alscn层远离氧化镓块的一侧，第二金属电极选择为au、ag、ti、cr、ni、al、pt、w、cu、mg中的一种或多种。
8.一种基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器的制备方法，其特征在于，采用mocvd或者pld工艺在衬底上生长沉积氧化镓薄膜，当采用mocvd工艺时，氮气流量范围为1~100 sccm，氧气流量范围为1~100 sccm，氩气流量范围为1~100 sccm，生长压强为0.1~10 pa，生长温度为700~1000 ℃，射频功率为10~200 w，生长时间为10~90 min；当采用pld工艺时，激光能量为1~500 mj/脉冲，氧气压力为0.1~10pa，沉积温度为500~1000℃，沉积时间为10~60 min。
10.根据权利要求8所述的基于横向电场的alscn氧化镓日盲探测器的制备方法，其特征在于，采用阵列形式的模板对生长第一金属硬掩膜层的氧化膜薄膜进行刻蚀。
