專利名稱：半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件及其制造方法，特別是涉及ー種低成本大尺寸寬帶隙非晶態(tài)氧化物半導體的金屬-半導體-金屬(MSM)型紫外探測器及其制造方法。
背景技術：
近年來，隨著天文、高能物理、空間技術等領域的研究和探索工作的不斷深入，對紫外探測技術和探測材料提出了更高的要求。紫外(UV)探測技術是繼紅外和激光探測技術之后發(fā)展起來的又一軍民兩用光電探測技術，在軍事和民用方面均有很高的應用價值。軍事上，紫外探測技術可用于導彈制導、導彈預警、紫外通信、紫外干擾、光電對抗等領域，這些已引起軍方的高度重視。紫外探測技術在民用領域巾，可用于紫外天文學、紫外樹脂同化、燃燒工程及紫外水浄化處理巾的紫外線測量、火焰探測、生物效應、天際通信及環(huán)境污染檢測等非常廣泛的領域。 相比于傳統(tǒng)紅外探測器，紫外探測具備獨特優(yōu)勢比如說紫外探測可以用于在白天探測導彈或飛機，如果此時用紅外，會受日光影響。紫外線在進入大氣層時被吸收(200-290nm,日盲區(qū))，而紅外線則能穿過大氣，所以大氣環(huán)境里的紅外干擾比較嚴重，而紫外環(huán)境相對較干凈。所以紫外探測器可以在強紅外干擾環(huán)境下探測熱源。而且現(xiàn)在有的加油站里也在用紫外熱源探測器來探測是否有危險熱源。而紅外探測器就容易因為干擾熱源太多而產(chǎn)生誤報警。紫外探測技術的關鍵是研制高靈敏度、低噪聲的紫外探測器。紫外成像的探測器可大致分為兩類光明極探測器和半導體探測器。相比光明極探測器，半導體紫外探測不僅更緊湊，更堅固，具有更高的量子效率，驅動電壓更低，而且還能在高溫環(huán)境中獲得更好的穩(wěn)定性。典型的紫外固體探測器有Si (或者GeSi，PtSi等)紫外探測器、SiC紫外探測器以及AlGaN (或者GaN)紫外探測器。制作的エ藝方法包括化學氣相沉積法(CVD)、金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積法(PLD)、溶膠-凝膠法(SOL-GEL)、水熱法等。上述方法中半導體材料一般處于多晶態(tài)、晶態(tài)或者超晶格。ZnO是ー種直接帶隙寬禁帶氧化物半導體材料，可作為紫外探測器的材料，室溫下其禁帶寬度約為3. 37eV，激子復合能高達60meV。不僅如此，ZnO還具有生長溫度低、較低的電子誘生缺陷、閾值電壓低等優(yōu)點，并且原料易得、價廉、無污染。常見的制作方法為磁控濺射法(Sputter)、化學氣相沉積法(CVD)、金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積法(PLD)、溶膠-凝膠法(SOL-GEL)、水熱法等。然而，在上述方法中ZnO薄膜一般處于多晶態(tài)或者晶態(tài)，制作エ藝復雜，成本高，有效面積(晶態(tài)區(qū))小，薄膜均勻性差，探測效率低，載流子漂移速度低等。綜上所述，現(xiàn)有的半導體紫外探測器由于其所用的半導體材料處在多晶態(tài)或晶態(tài)，具有效率低、成本高、薄膜均勻性差等等缺點。因此發(fā)展一種高效低成本大面積均勻的紫外探測半導體材料具有很大意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明需要解決的技術問題就在于克服現(xiàn)有多晶態(tài)或者晶態(tài)ZnO基寬帶半導體薄膜在紫外探測器中的エ藝、成本、均勻性、響應效率和反應速度等一系列問題，提供ー種新型的高效低成本大面積均勻的應用于紫外探測的非晶態(tài)氧化物半導體材料。本發(fā)明提供了一種半導體器件，包括襯底、位于襯底上的寬帶隙(> 3. OeV)非晶態(tài)氧化物半導體以及位于非晶態(tài)氧化物半導體上的相対的兩個金屬電極，其中，非晶態(tài)氧化物半導體為摻In的ZnO基半導體或其它ニ元或多元非晶態(tài)氧化物半導體。本發(fā)明還提供了一種半導體器件的制造方法，包括在襯底上通過磁控濺射法淀積非晶態(tài)氧化物半導體，在非晶態(tài)氧化物半導體濺射相對的兩個淀積金屬電極，其中，非晶態(tài)氧化物半導體為摻In的ZnO基半導體或其它ニ元或多元非晶態(tài)氧化物半導體。具體地，襯底包括表面為ニ氧化硅的硅片、玻璃、石英或塑料；非晶態(tài)氧化物半導體包括 InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO 以及 Ιη203、ZT0、IT0、Zn0、Sn0x等，其中，摻In的ZnO基半導體中[In]/([In] +[第三金屬])的原子計數(shù)比為35% 80%，[Zn]バ[In]+ [Zn])的原子計數(shù)比為40% 85%。優(yōu)選的各元素原子計數(shù)比為[In][第三金屬]:[Zn] [O] = I I I I或者I : I : I : 2或者2:2:2: I 或者 I : I : I : 4 等；金屬電極包括 Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu。由于非晶態(tài)氧化物半導體表現(xiàn)出短程有序，各向同性，制作エ藝簡單，易做成大面積薄膜，并且在能帶中缺陷較多、引入較多的局域能級，更有利于短波光波的吸收，因此依照本發(fā)明的非晶態(tài)氧化物半導體MSM型紫外探測器具有高效、低成本和大面積均勻的優(yōu)點。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請獨立權利要求的范圍內得以滿足。本發(fā)明的實施例限定在獨立權利要求中，具體特征限定在其從屬權利要求中。


以下參照附圖來詳細說明本發(fā)明的技術方案，其中圖I是依照本發(fā)明的非晶態(tài)氧化物半導體MSM型紫外探測器的示意圖；圖2是依照本發(fā)明的非晶態(tài)氧化物半導體MSM型紫外探測器中肖特基ニ極管的示意圖及其相應的能帶圖；以及圖3是依照本發(fā)明的非晶態(tài)氧化物半導體MSM型紫外探測器的不同In含量下InZnO的XRD的分析曲線。附圖標記I、襯底2、非晶態(tài)氧化物半導體
3/3’、金屬電極
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將參照附圖并結合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術方案的特征及其技術效果，公開了ー種低成本大尺寸非晶態(tài)氧化物半導體的MSM型紫外探測器及其制造方法。需要指出的是，類似的附圖標記表示類似的結構，本申請中所用的術語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結構。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結構的空間、次序或層級關系。如圖I所示，本發(fā)明為ー種金屬-半導體-金屬(MSM)型紫外探測器件，包括襯底
I、非晶態(tài)氧化物半導體2以及金屬電極3與金屬電極3’。其中，襯底I為絕緣襯底并提供支撐，其材質例如為表面為ニ氧化硅的硅片(優(yōu)選為絕緣體上硅SOI，也可以在體硅襯底上沉積或熱氧化制成ニ氧化硅的襯墊層)、玻璃(可以摻雜為常用的硼磷硅玻璃BPSG，也可以是旋涂玻璃S0G，玻璃襯底I優(yōu)選具有矩形形狀以適于切割和大面積制造)、石英、塑料(優(yōu)選為具有較高熔點和硬度以及良好絕緣性的組合物)等。襯底I基本為平板狀，包括ー對主表面，也即下表面和上表面，還包括位于上下主表面之間的側表面。襯 底I的上表面可以具有粗糙結構、周期性凹凸結構，以便增強接合強度，例如通過稀H F酸濕法刻蝕或等離子體刻蝕等常用技術來實現(xiàn)，還可以形成緩沖層以減緩應カ或粘合層以增強接合強度(緩沖層或粘合層未不出)。襯底I的上表面上形成有由非晶態(tài)氧化物半導體2構成的半導體光電探測薄膜，其材質為摻In的ZnO基半導體或其它ニ元非晶態(tài)氧化物半導體，摻In的ZnO基半導體例如為 GalnZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO,其它ニ兀或多兀非晶態(tài)氧化物半導體例如為In203、ZT0、IT0、Zn0、Sn0x(x = I 2)等。其中，摻In的ZnO系半導體中[InV([In] +[第三金屬])的原子計數(shù)比為35% 80%，[Zn]/([In] + [Zn])的原子計數(shù)比為40% 85%。優(yōu)選的各元素原子計數(shù)比為[In][第三金屬]:[Zn] [O]= 1:1:1: I 或者 I : I : I : 2 或者 2 2 2 I 或者 I : I : I : 4 等。材料中In原子外層電子是主要導電電子源，通過相鄰氧空位導電，Zn原子起到穩(wěn)定微晶胞結構的作用，而其他Ga、Hf、Ta、Zr、Y、Al、Sn等等第三摻雜劑起控制氧空位的產(chǎn)生率從而改變半導體的導電率。常見的制作方法為磁控濺射法(Sputter)、化學氣相沉積法(CVD)、金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積法(PLD)、溶膠-凝膠法(SOL-GEL)、水熱法等，在本發(fā)明中優(yōu)選使用磁控濺射法。控制其制造エ藝的參數(shù)來控制所形成的摻In的ZnO基半導體的材質特性，例如選擇合適的Ar/02比例、濺射氣壓、濺射功率、襯底溫度、退火時間及溫度等等。優(yōu)選條件Ar/02 = 100 : X, X : O 50 ;氣壓10 IOOOmtorr ;功率50 500W ;濺射襯底溫度室溫到400°C;退火100 450°C，IOmin 10hr?？梢罁?jù)器件電學性能需要和對于紫外線的透光需要選擇形成的非晶態(tài)氧化物半導體2的厚度為I至lOOOOnm，優(yōu)選為20至2000nm，尤其是40至200nm，特別是60nm。對于其他ニ元或多元非晶態(tài)氧化物半導體，可以通過合理調整原子計數(shù)比以及濺射エ藝參數(shù)來控制成膜狀態(tài)，與摻In的ZnO基非晶態(tài)氧化物類似，可例如通過添加第三金屬或者調整成膜厚度來得到所需的非晶態(tài)氧化物半導體，這些技術對本領域技術人員而言是公知常用的。在非晶態(tài)氧化物半導體2上形成ー對金屬電極3/3’，優(yōu)選采用濺射淀積的方式，其材質例如為Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu等。如圖I所示，金屬電極3與金屬電極3’相對設置，優(yōu)選形成為交錯的一對電極用于偏壓和引出。金屬電極3/3’的形狀不限于圖中所示，還可以是平行或不平行的直線、折線或曲線，具體的布線依據(jù)MSM結構所需的ニ極管電學特性需要而設定。在上述器件中，如圖2所示，金屬電極3、3’與非晶態(tài)氧化物半導體2構成肖特基ニ極管，同時兩個金屬電極3/3’與同一非晶態(tài)氧化物半導體薄膜2形成兩個ニ極管對接結構(MSM結構)。在一對電極3、3’上加偏置電壓時,一個正向偏置一個反向偏置，引出偏壓電流，通常狀況下沒有接收到紫外線輻射時器件的暗電流極小。當外部紫外線照射下，摻In的ZnO或其他材料制成的寬禁帶的非晶態(tài)氧化物半導體2產(chǎn)生光生載流子，由此提供額外的光電流并由電極3、3’引出產(chǎn)生探測信號，經(jīng)引出傳輸至處理電路、顯示系統(tǒng)從而標志出探測到紫外線。非晶態(tài)氧化物半導體2的禁帶寬度通過選擇摻雜雜質種類和劑量而控制在3. IeV 4. OeV之間，對應的直接吸收本征光波波長在310 400nm之間，因此對可見光(400 760n m)有較好的透過性而對于波長小于400nm的紫外線有較高的吸收性。表I給出了依照本發(fā)明的厚度均為60nm的三種薄膜InZnO、GalnZnO、HfInZnO的透射率與照射光線波長之間的對應關系，也即透射譜，測試儀器是多譜段透射率測試儀表I權利要求
1.一種半導體器件，包括 襯底； 寬帶隙的非晶態(tài)氧化物半導體，位于所述襯底上；以及 兩個金屬電極，相對地位于所述非晶態(tài)氧化物半導體上。
2.如權利要求I所述的半導體器件，其中，所述非晶態(tài)氧化物半導體為摻In的ZnO基半導體或其它ニ元或多元非晶態(tài)氧化物半導體，所述摻In的ZnO基半導體優(yōu)選地包括InGaZnO, InZnO, HfInZnO, TaInZnO, ZrInZnO, YInZnO, AlInZnO, SnInZnO,所述其它ニ元或多元非晶態(tài)氧化物半導體優(yōu)選地包括Ιη203、ΖΤΟ, ITO, ZnO、SnOx。
3.如權利要求2所述的半導體器件，其中，所述摻In的ZnO基半導體中[In]/([In] +[第三金屬])的原子計數(shù)比為35% 80%，[Zn]/([In]+ [Zn])的原子計數(shù)比為40% 85%。
4.如權利要求3所述的半導體器件，其中，各元素原子計數(shù)比為[In][第三金屬]:[Zn] [O] = I I: I: I 或者 I: I: 1:2 或者 2:2:2: I 或者I : I : I : 4。
5.如權利要求I所述的半導體器件，其中，所述非晶態(tài)氧化物半導體厚度為I至IOOOOnm0
6.如權利要求I所述的半導體器件，其中，所述襯底包括表面為ニ氧化硅的硅片、玻璃、石英或塑料，所述金屬電極包括Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu。
7.一種半導體器件的制造方法，包括 在襯底上通過磁控濺射法淀積寬禁帶的非晶態(tài)氧化物半導體；以及 在所述非晶態(tài)氧化物半導體上濺射淀積相對的兩個金屬電極。
8.如權利要求7所述的半導體器件的制造方法，其中，所述非晶態(tài)氧化物半導體為摻In的ZnO基半導體或其它ニ元非晶態(tài)氧化物半導體，所述摻In的ZnO基半導體優(yōu)選地包括 InGaZnO、InZnO, HfInZnO, TaInZnO, ZrInZnO, YInZnO, AlInZnO, SnInZnO,所述其它ニ元或多元非晶態(tài)氧化物半導體優(yōu)選地包括Ιη203、ΖΤΟ, ΙΤ0, ZnO、SnOx。
9.如權利要求8所述的半導體器件的制造方法，其中，所述摻In的ZnO基半導體中[InV([In] +[第三金屬])的原子計數(shù)比為35% 80%，[Zn]/([In] + [Zn])的原子計數(shù)比為 40% 85%。
10.如權利要求9所述的半導體器件的制造方法，其中，各元素原子計數(shù)比為[In][第三金屬]:[ZnO]
= I I I I 或者 I : I : I : 2 或者 2 :2:2:1或者 I : I : I : 4。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導體器件，包括襯底、位于襯底上的半導體以及位于非晶態(tài)氧化物半導體上的兩個金屬電極，基本結構為金屬-半導體-金屬(MSM)。其中，半導體為寬帶隙(＞3.0eV)非晶態(tài)氧化物半導體，其材料成分可為摻In的ZnO系半導體，具體地，包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其中，[In]/([In]+[第三金屬])的原子計數(shù)比為35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子計數(shù)比為40％～85％。優(yōu)選的各元素原子計數(shù)比為[In]∶[第三金屬]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等。此外半導體還可為非晶態(tài)下的In2O3、ZTO、ITO、ZnO、SnOx等材料。該器件的半導體層用于紫外光電探測。依照本發(fā)明的MSM型紫外探測器由于采用了非晶態(tài)氧化物半導體而具有高效、低成本和大面積均勻的優(yōu)點。
文檔編號H01L31/108GK102694052SQ20111006817
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權日2011年3月22日
發(fā)明者殷華湘, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所