一种深紫外非晶氧化镓光电探测器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种深紫外非晶氧化镓光电探测器及其制备方法与应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)采用脉冲激光沉积法在衬底的表面制备非晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品；(2)依次采用紫外光刻法和磁控溅射法在所述薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到深紫外非晶氧化镓光电探测器；其中，步骤(1)所述脉冲激光沉积法的氧气分压为0.13

【技术实现步骤摘要】
一种深紫外非晶氧化镓光电探测器及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于光电探测
，涉及一种光电探测器，尤其涉及一种深紫外非晶氧化镓光电探测器及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着信息技术尤其是物联网技术的快速发展和广泛应用，光电探测器的应用拓展至更广领域，因此对其性能也有了更高要求。深紫外光电探测器可探测波长为200
‑
300nm的紫外线，小于这一波段的紫外线在通过大气层时会被臭氧吸收，在地球表面几乎不存在这一波段的紫外线，因此深紫外光电探测器在工作时几乎不会受到来自太阳光的干扰，探测器的抗干扰能力很强，探测的精度和灵敏度也较高，广泛应用于紫外通讯、医学成像、电网安全监测、火焰探测、野外搜救等民用领域，还可应用于保密通讯、预警与精确制导等国防领域。
[0003]最初的深紫外探测器采用的是光电倍增管，高灵敏度和低噪声的特点使其可用来检测微弱光信号，但是倍增管体积大、易碎、稳定性不好，并且需要较大的偏置电压，因此在应用方面受到很多限制。对于传统的半导体材料，常见的做法是利用封装工艺在硅和锗等材料上增加滤光片，将响应波长限制在深紫外波段，但是由此便增加了器件的体积和成本，并且器件的耐高温高压性能也较差。
[0004]随着半导体材料的发展，人们逐渐开始采用宽禁带半导体材料作为深紫外光电探测器的光敏材料，宽禁带半导体有许多优点，比如禁带宽度大、因其固有的深紫外吸收特性而不需要额外增加滤光片、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及较高的化学稳定性和耐辐射性等。基于宽禁带半导体材料制作的深紫外探测器会直接响应紫外光子信号，无需增设其它复杂昂贵的光学元件，因此具有体积小、稳定性高、可集成与量子效率高等诸多优点。
[0005]近年来，已经有各种各样的宽禁带半导体被用于研究设计深紫外光电探测器，包括AlGaN、ZnMgO、Ga2O3和金刚石等，但是金刚石的带隙过宽为5.5eV，实际响应波长小于225nm，因此探测效率很低；AlGaN和MgZnO这类三元合金材料可以通过调节元素之间的比例对带隙宽度进行调控，但是制备都很困难，并且AlGaN中Al和Ga迁移率不同，成分不均一，MgZnO容易发生相分离，也导致其很难制备。
[0006]氧化镓(Ga2O3)具有五种同分异构体：α，β，γ，δ，ε
‑
Ga2O3，其中β相是最稳定的晶相，禁带宽度约为4.9eV，对应的紫外波长为254nm，无需进行能带调控，且其在吸收边附近的吸收系数高达105cm
‑1，电子迁移率高达300cm2/Vs，介电常数高达10，最高可耐受8MV/cm的击穿电场，是一种非常理想的深紫外探测材料，能够在严苛条件下实现器件的应用，因此目前的研究主要集中在β相氧化镓薄膜。但是β
‑
Ga2O3也面临着同质衬底昂贵，异质衬底热失配大的问题，导致不同衬底和不同方法制得的β
‑
Ga2O3探测器性能差异较大。
[0007]由此可见，如何提供一种氧化镓光电探测器及其制备方法，克服同质衬底昂贵，异质衬底热失配大的问题，同时提升器件信噪比和响应速度，简化制备方法并适应于工业生
产应用，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种深紫外非晶氧化镓光电探测器及其制备方法与应用，所述光电探测器克服了同质衬底昂贵，异质衬底热失配大的问题，同时提升了器件信噪比和响应速度，简化了制备方法并适应于工业生产应用。
[0009]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种深紫外非晶氧化镓光电探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0011](1)采用脉冲激光沉积法在衬底的表面制备非晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品；
[0012](2)依次采用紫外光刻法和磁控溅射法在所述薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到深紫外非晶氧化镓光电探测器；
[0013]其中，步骤(1)所述脉冲激光沉积法的氧气分压为0.13
‑
1.3Pa，例如可以是0.13Pa、0.23Pa、0.33Pa、0.43Pa、0.53Pa、0.63Pa、0.73Pa、0.83Pa、0.93Pa、1Pa、1.1Pa、1.2Pa或1.3Pa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0014]本专利技术中，采用脉冲激光沉积法可合理控制非晶氧化镓中表面态缺陷的数量，使其成为电子和空穴的复合中心，进而提升光电探测器的信噪比和响应速度。此外，非晶氧化镓相较于晶体氧化镓在制备过程中所需温度较低，受生长条件和衬底的限制也较小，且制备方法简单。
[0015]本专利技术中，步骤(1)所述脉冲激光沉积法的氧气分压对光电检测器的光暗电流及信噪比(同一电压下，光电流与暗电流的比值)均会产生明显影响。在0.13
‑
1.3Pa范围内，随着氧气分压的增加，薄膜内部的氧空位缺陷减少，载流子浓度下降，等效为增加了金属
‑
半导体界面肖特基势垒的高度，因此光电流与暗电流均呈现下降趋势；但是由于载流子数量的变化对暗电流的影响更加明显(暗电流值数量级小)，暗电流下降幅度更大，因此信噪比呈现上升趋势。当氧气分压低于0.13Pa时，光电检测器的信噪比过低；而当氧气分压高于1.3Pa时，光电检测器的光电流与暗电流均过低。
[0016]优选地，步骤(1)所述脉冲激光沉积法在脉冲激光沉积系统中进行，具体操作包括以下步骤：
[0017](a)将衬底清洗、干燥后粘贴于加热托上；
[0018](b)将加热托置于加热台上，烘干衬底背面的粘胶；
[0019](c)将加热托置于腔室内，抽真空后进行薄膜沉积。
[0020]优选地，步骤(a)所述衬底包括C面蓝宝石。
[0021]本专利技术选用C面蓝宝石(α
‑
Al2O3)作为衬底，因其在可见光波长范围内有着良好的透过性、热稳定性与化学稳定性，且机械强度高，生产工艺成熟，制造成本低。此外，虽然α
‑
Al2O3与β
‑
Ga2O3晶体之间存在较大的晶格失配，但是在制作非晶Ga2O3薄膜时并不存在晶格失配的问题。
[0022]优选地，步骤(a)所述衬底的厚度为0.4
‑
0.6mm，例如可以是0.4mm、0.42mm、0.44mm、0.46mm、0.48mm、0.5mm、0.52mm、0.54mm、0.56mm、0.58mm或0.6mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0023]优选地，步骤(a)所述清洗的方式包括超声波清洗。
[0024]优选地，步骤(a)所述清洗采用的清洗液包括丙酮。
[0025]优选地，步骤(a)所述干燥的方式包括高纯氮气吹干。
[0026]优选地，步骤(a)所述粘贴采用的粘胶包括银胶。
[0027]优选地，步骤(b)所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深紫外非晶氧化镓光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)采用脉冲激光沉积法在衬底的表面制备非晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品；(2)依次采用紫外光刻法和磁控溅射法在所述薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到深紫外非晶氧化镓光电探测器；其中，步骤(1)所述脉冲激光沉积法的氧气分压为0.13
‑
1.3Pa。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述脉冲激光沉积法在脉冲激光沉积系统中进行，具体操作包括以下步骤：(a)将衬底清洗、干燥后粘贴于加热托上；(b)将加热托置于加热台上，烘干衬底背面的粘胶；(c)将加热托置于腔室内，抽真空后进行薄膜沉积。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(a)所述衬底包括C面蓝宝石；优选地，步骤(a)所述衬底的厚度为0.4
‑
0.6mm；优选地，步骤(a)所述清洗的方式包括超声波清洗；优选地，步骤(a)所述清洗采用的清洗液包括丙酮；优选地，步骤(a)所述干燥的方式包括高纯氮气吹干；优选地，步骤(a)所述粘贴采用的粘胶包括银胶；优选地，步骤(b)所述烘干的温度为100
‑
200℃；优选地，步骤(b)所述烘干的时间为10
‑
30min。4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)所述抽真空的绝对真空度≤5
×
10
‑4Pa；优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的沉积温度为25
‑
450℃；优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的激光能量为1
‑
2J/cm2；优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的激光频率为8
‑
12Hz；优选地，步骤(c)所述薄膜沉积采用的靶材为氧化镓陶瓷靶；优选地，所述氧化镓陶瓷靶的纯度≥99.99％；优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的靶间距为50
‑
60mm；优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的脉冲次数为8000
‑
12000次；优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的沉积厚度为140
‑
160nm。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述紫外光刻法为将薄膜样品置于光刻板下进行曝光；优选地，所述曝光的时间为6
‑
8s；优选地，步骤(2)所述磁控溅射法为将薄膜样品置于射频磁控系统中进行金属沉积，在薄膜样品的薄膜一侧表面制得叉指电极；优选地，所述叉指电极的材质包括铂；优选地，所述叉指电极的厚度为80
‑
120nm。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述紫外光刻法之前还包括对薄膜样品依次进行清洗、干燥、甩胶和前烘；优选地，步骤(2)所述紫外光刻法和磁控溅射法之间还包括对薄膜样品依次进行后烘、
显影和定影；优选地，步骤(2)所述磁控溅射法之后还包括对薄膜样品依次进行剥离和检查。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述清洗的方式包括超声波清洗；优选地，所述清洗采用的清洗液包括丙酮；优选地，所述干燥的方式包括高纯氮气吹干；优选地，所述甩胶为将薄膜样品置于匀胶机上，在薄膜样品的薄膜一侧表面滴加负胶并启动旋转操作；优选地，所述旋转操作的转速为3000
‑
5000rpm；优选地，所述旋转操作的时间为40
‑
80s；优选地，所述前烘在加热台上进行；优选地，所述前烘的温度为80
‑
100℃；优选地，所述前烘的时间为40
‑
80s...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈朗，叶茂，张立冬，胡松柏，王琪祚，刘奇，李晓文，徐泽东，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：