表面等离激元增强的氧化镓紫外探测器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种基于表面等离激元的氧化镓紫外探测器及其制备方法和应用，所述紫外探测器包括衬底、位于所述衬底表面的氧化镓‑金属纳米球复合有源层以及设置在所述有源层表面的电极，其中，所述氧化镓‑金属纳米球复合有源层包括氧化镓膜层和嵌入所述氧化镓膜层中的金属纳米球，其中所述金属为Ga、Al、Mg和Pt中的一种或多种。本发明专利技术的基于氧化镓‑金属纳米球复合薄膜的光电探测器在日盲紫外光的照射下，金属纳米球产生等离激元共振效应，使得金属纳米球表面电场增强，散射截面增大，与Ga2O3材料之间发生能量及热电子转移，因而大幅增强了氧化镓基探测器对日盲光的探测能力，提升了探测器的响应灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
表面等离激元增强的氧化镓紫外探测器及其制备方法和应用
本专利技术涉及半导体光电探测及纳米材料制备
，具体涉及一种利用金属纳米球表面等离激元共振增强的Ga2O3日盲紫外探测器及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，紫外探测器因在军事、航空航天、生物医学和空间通信等众多领域有广泛的应用前景而备受关注并被深入研究。日盲光谱区是波长处在220～280nm之间的深紫外光，太阳辐射在这一波段的光几乎可完全被地球的臭氧层吸收，在大气层中的背景辐射接近零，因此日盲波段的紫外光信号探测通常比其他波段的探测具有极低的背景噪声和极高的灵敏度。低噪声、高灵敏度这两个独特优势使得日盲紫外探测器在民用以及军事各领域中更具有优势。目前，日盲紫外探测器的研究主要基于金刚石、AlGaN、MgZnO和Ga2O3等宽禁带半导体材料。在这些材料中，Ga2O3的禁带宽度约为4.9eV，吸收边正好落在日盲光谱区，且比金刚石在日盲波段具有更高的探测效率，也无需像AlGaN和MgZnO那样通过能带工程调控带隙，是一种天然的日盲紫外探测材料；另外，Ga2O3材料的光吸收效率高，制备工艺简单，因此非常适合日盲波段探测器的产业化制造。现有关于Ga2O3日盲光电探测器的报道中，为了提高探测器的性能，绝大多数研究者采用单晶衬底及高温沉积工艺获得高结晶质量的Ga2O3薄膜，制备工艺较复杂，成本较高，不利于大面积产业化应用。另外，Ga2O3薄膜本身的高阻特性使得器件的响应度和探测效率并不高。尤其是在实际应用中，日盲紫外的信号通常很弱，低的响应度极大地限制了Ga2O3日盲紫外探测器的发展和应用。表面等离激元是指在电磁波(如光场)的驱动下，金属纳米粒子的表面自由电子发生集体共振的现象。发生表面等离激元共振的前提条件是金属颗粒内部电子的协同振动频率与入射电磁波的频率相同而发生共振。共振状态下金属纳米粒子周围的局域电磁场发生数倍甚至数十倍的增强，同时入射光的散射截面增大，因而极大程度上提高了光场与物质的相互作用。金属纳米粒子等离激元共振效应已经广泛应用于探测器、太阳能电池、生物传感器和拉曼检测等领域。在现有的关于等离激元共振增强的Ga2O3日盲紫外探测器的研究中，通常采用铝纳米粒子，但如何采用简单方法制备大面积均匀的金属纳米颗粒仍然是困扰大多数研究者的主要问题。目前有一些关于金纳米粒子与Ga2O3耦合的报道，但金纳米粒子的共振吸收波长通常在可见光区域，与Ga2O3材料的能带耦合效果差，增益效果不明显。另外，现有报道中，表面等离激元共振对单元器件的增益效果通常在一个量级以下。为了进一步提高日盲紫外探测器的响应度，需要寻找更好的金属纳米粒子及其制备工艺，同时获得其和Ga2O3材料最佳的耦合方式及高性能器件的制备方法。综合上述现有技术中的不足，亟需开发一种有高增益的等离激元共振增强的Ga2O3日盲光电探测器及其制备方法。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是克服上述现有技术上的缺陷，提供一种基于金属纳米球表面等离激元增强的Ga2O3日盲紫外探测器及其制备方法和应用。本专利技术的专利技术人通过在氧化镓薄膜中先掩埋金属层、再后退火的独特工艺获得了氧化镓-金属纳米球复合材料，由于金属纳米球等离激元共振效应的存在使得器件的紫外响应度得到了大幅提升，增益最高可达300倍。本专利技术提供了一种表面等离激元增强的氧化镓紫外探测器，所述紫外探测器包括衬底、位于所述衬底表面的氧化镓-金属纳米球复合有源层以及设置在所述有源层表面的电极，其中，所述氧化镓-金属纳米球复合有源层包括氧化镓膜层和嵌入所述氧化镓膜层中的金属纳米球，其中所述金属纳米球的金属为Ga、Al、Mg和Pt中的一种或多种。所述的金属纳米球是指通过调控纳米球的尺寸和分布而在日盲紫外波段产生等离激元共振效应的金属颗粒。优选地，所述金属纳米球的金属为Ga。根据本专利技术提供的氧化镓紫外探测器，其中，所述探测器在日盲波段的光电流增益大于5倍。优选地，所述日盲紫外探测器的光电流增益大于10倍；更优选地，所述日盲紫外探测器的光电流增益大于100倍；最优选地，所述日盲紫外探测器的光电流增益大于300倍。根据本专利技术提供的氧化镓紫外探测器，其中，所述的衬底可为任意刚性耐高温衬底，包括常见的蓝宝石、硅片、远紫外高纯度石英玻璃、载玻片等。优选地，所述衬底的厚度可以为0.05～1毫米。本专利技术对此没有特别限制，视具体情况而定。根据本专利技术提供的氧化镓紫外探测器，其中，所述氧化镓-金属纳米球复合有源层的厚度可以为0.05～1微米，优选地为0.1～0.4微米。其中，所述金属纳米球的尺寸优选为5～60nm。其中，所述氧化镓-金属纳米球复合有源层是通过在衬底上先后沉积或交替沉积氧化镓层和金属层并进行退火处理而制得的。因此，本专利技术对于金属纳米球的具体形态和在氧化镓层中的分布状态没有特别限定，只要有嵌入氧化镓膜层中的金属纳米球存在，即可以产生等离激元共振效应，从而提高器件的紫外响应度。根据本专利技术提供的氧化镓紫外探测器，其中，所述电极可以包括金属电极和/或透明薄膜电极，所述金属电极可以为钛金电极、铬电极和镍电极等；所述透明薄膜电极可以包括氧化铟锡(ITO)薄膜、铝锌氧(AZO)薄膜、镓锌氧(GZO)薄膜和氟锡氧(FTO)薄膜等。优选地，所述电极的厚度可以为0.02～0.3微米。本专利技术对此没有特别限制，视具体情况而定。本专利技术还提供了上述表面等离激元增强的Ga2O3紫外探测器的制备方法，该制备方法包括：采用真空沉积法，使用氧化镓源和金属源在衬底表面先后或交替沉积Ga2O3层和金属层，然后进行退火处理。其中，所述先后或交替沉积Ga2O3层和金属层包括：先沉积Ga2O3层，再沉积金属层；先沉积金属层，再沉积Ga2O3层；沉积顺序为Ga2O3层-金属层-Ga2O3层；沉积顺序为金属层-Ga2O3层-金属层-Ga2O3层；沉积顺序为Ga2O3层-金属层-Ga2O3层-金属层等多种沉积方式。为了更优的器件均匀性和简化操作，优选地沉积顺序为Ga2O3层-金属层-Ga2O3层。根据本专利技术提供的制备方法，其中，所述Ga2O3层的总厚度可以为0.05～1微米，优选地为0.1～0.4微米；所述金属层的总厚度可以为5～100nm。根据本专利技术提供的制备方法，其中，所述退火处理的温度可以为400～1250℃，退火处理的时间可以为10～150min。退火处理后，最终形成的金属纳米球的尺寸可以为5～60nm。在一种优选的实施方案中，所述制备方法包括以下步骤：1)衬底预处理：将衬底超声清洗后吹干放入真空腔内；2)有源层的制备：待腔体抽好真空后，使用Ga2O3源在衬底上沉积底层Ga2O3膜；移入装有金属源的腔体中，在Ga2O3膜上沉积金属层；再移入装有Ga2O3源的腔体中，在金属层的表面再沉积一层Ga2O3膜；然后转移到退火炉中在400～1250℃下退火10～150min，形成所述氧化镓-金属纳米球复合有源层；3)器件结构及电极的制备：采用紫外曝光和显影、定影技术在有源层上光刻出所需的电极结构，再放入真空腔内沉积电极，然后去除多余的光刻胶及附着在光刻胶上的多余电极，即制得所述紫外探测器。根据本专利技术提供的制备方法，其中，Ga2O3膜的沉积方法可以选自磁控溅射、脉冲激光沉积和电子束沉积中的一种；金属层的沉积方法可以为磁控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面等离激元的氧化镓紫外探测器，所述紫外探测器包括衬底、位于所述衬底表面的氧化镓‑金属纳米球复合有源层以及设置在所述有源层表面的电极，其中，所述氧化镓‑金属纳米球复合有源层包括氧化镓膜层和嵌入所述氧化镓膜层中的金属纳米球，其中所述金属纳米球的金属为Ga、Al、Mg和Pt中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离激元的氧化镓紫外探测器，所述紫外探测器包括衬底、位于所述衬底表面的氧化镓-金属纳米球复合有源层以及设置在所述有源层表面的电极，其中，所述氧化镓-金属纳米球复合有源层包括氧化镓膜层和嵌入所述氧化镓膜层中的金属纳米球，其中所述金属纳米球的金属为Ga、Al、Mg和Pt中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的氧化镓紫外探测器，其中，所述金属纳米球的金属为Ga。3.根据权利要求1或2所述的氧化镓紫外探测器，其中，所述紫外探测器在日盲波段的光电流增益大于5倍；优选地，所述日盲紫外探测器的光电流增益大于10倍；更优选地，所述日盲紫外探测器的光电流增益大于100倍；最优选地，所述日盲紫外探测器的光电流增益大于300倍。4.根据权利要求1至3中任一项所述的氧化镓紫外探测器，其中，所述氧化镓-金属纳米球复合有源层的厚度为0.1～1微米，优选为0.1～0.4微米，优选地，所述金属纳米球的尺寸为5～60nm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的氧化镓紫外探测器，其中，所述衬底选自蓝宝石、硅片、远紫外高纯度石英玻璃、载玻片中的一种，优选地，所述衬底的厚度为0.05～1毫米；所述电极包括金属电极和/或透明薄膜电极，所述金属电极包括钛金电极、铬电极和镍电极；所述透明薄膜电极包括氧化铟锡薄膜、铝锌氧薄膜、镓锌氧薄膜和氟锡氧薄膜，优选地，所述电极的厚度为0.02～0.3微米。6.权利要求1至5中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔书娟，梅增霞，梁会力，张永晖，霍文星，杜小龙，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11