基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列及制备方法技术

本发明专利技术涉及有源和无源结构的高性能日盲探测器件阵列，具体涉及基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列及制备方法，用于解决现有氧化镓由于空穴自陷效应而导致本征n型二维氧化镓的导电能力较差，不具备开关功能，进而限制了器件性能，以及不同材料工艺相差较大、难以实现简单制备与整合的不足之处。本发明专利技术一种基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列为基于PN异质结的自供电无源探测器，另一种基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列为基于p型二氧化碲(TeO2)的有源晶体管。)的有源晶体管。)的有源晶体管。

【技术实现步骤摘要】
基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列及制备方法


[0001]本专利技术涉及有源和无源结构的高性能日盲探测器件阵列，具体涉及基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列及制备方法。

技术介绍

[0002]高性能宽带隙氧化物半导体在新一代透明电子、电力电子和节能显示器的发展具有重要作用。近年来，氧化镓(Ga2O3)作为超宽禁带(UWBG)半导体受到了广泛的关注，它具有极好的化学稳定性、4.6～5.2eV的准直接带隙，且光响应峰值与日盲波段(230～270nm)相对应，因此在日盲深紫外探测等领域具有重要的应用价值，但其缺乏高迁移率、宽带隙的p型半导体与之适配。
[0003]现有研究表明，基于二氧化碲(TeO2)的场效应晶体管在室温下表现出p型开关，开/关比超过106(参见Zavabeti,A.,Aukarasereenont,P.,Tuohey,H.etal.High
‑
mobilityp
‑
typesemiconductingtwo
‑
dimensionalβ
‑
TeO2.NatElectron4,277
–
283(2021).)。基于氧化镓、二氧化碲半导体材料有望实现高性能功率电子、透明电路和深紫外探测。
[0004]室温熔点的液态金属镓及高温熔化(低于300℃)的液态金属合金，其形状较易操纵，由于自限氧化层自然生长在金属表面，因此可以通过自限氧化层获得原子薄层的大面积均匀氧化物薄膜。利用液态金属界面的表面氧化现象，通过简单的印刷工艺，可以在晶圆上实现具有优异电子性能的超薄氧化物沉积。这种薄层氧化物具有类范德华结构，可以从液态金属表面剥离从而实现复杂的功能结构。基于上述方法和思路已经实现了大面积的二维(2D)氧化镓、二氧化碲(TeO2)、二氧化锡、二氧化铪等薄膜，该方法制备的器件具备较好的光电探测特性，制备的p型二氧化碲具有高迁移率和极好的开关特性，然而该方法制备的本征n型二维氧化镓的导电能力较差，不具备开关功能，进而限制了器件性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有氧化镓由于空穴自陷效应而导致本征n型二维氧化镓的导电能力较差，不具备开关功能，进而限制了器件性能，以及不同材料工艺相差较大、难以实现简单制备与整合的不足之处，而提出的基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列及制备方法。
[0006]为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
[0007]一种基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列，其特殊之处在于：包括介质衬底，以及在介质衬底上按行列矩阵方式排列的M
×
N个探测单元，M、N均为大于等于1的整数；每个所述探测单元包括沿水平方向依次设置在介质衬底顶面的第一双层金属电极层、氧化镓层、二氧化碲层、第二双层金属电极层；所述第一双层金属电极层的部分覆盖在氧化镓层顶面，与氧化镓层形成欧姆接触；所述二氧化碲层的部分覆盖在氧化镓层顶面，且与第一双层金属电极层保持距离，二氧化碲层与氧化镓层的交叠区域为II型PN异质结范德华结
构的自供电探测区域；所述第二双层金属电极层的部分覆盖在二氧化碲层顶面，与二氧化碲层形成欧姆接触；
[0008]所述第一双层金属电极层、氧化镓层、二氧化碲层、第二双层金属电极层、介质衬底的顶面覆盖有介质钝化层；
[0009]所述氧化镓层为表面氧化液态金属方法制备的二维氧化镓薄膜，所述二氧化碲层为表面氧化液态金属方法制备的二维二氧化碲薄膜。
[0010]进一步地，所述介质衬底为绝缘性固体硬质衬底或柔性软衬底；
[0011]所述氧化镓层的厚度为2～10nm；所述二氧化碲层的厚度为1.5～10nm；
[0012]所述第一双层金属电极层包括第一底层接触金属和第一顶层金属，第一底层接触金属的材质为Ti，其厚度为10～30nm，第一顶层金属为Au，其厚度为50～70nm；
[0013]所述第二双层金属电极层包括第二底层接触金属和第二顶层金属，第二底层接触金属的材质为Pd，其厚度为10～30nm，第二顶层金属为Au，其厚度为50～70nm；
[0014]所述介质钝化层为h
‑
BN、SiO2、HfO2、Al2O3中的一种，其厚度为10～30nm。
[0015]本专利技术还提供一种上述基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列的制备方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
[0016]步骤1、采用Si/SiO2作为衬底，依次使用丙酮、异丙醇、去离子水分别对Si/SiO2进行超声清洗，再使用等离子清洗仪对Si/SiO2进行处理；
[0017]步骤2、制备氧化镓薄膜；
[0018]将液态镓或镓铟合金滴到步骤1的Si/SiO2上，使用硬质材料在Si/SiO2表面挤压或刮擦液态镓，形成均匀的GaO
X
薄膜；然后在120～680℃退火1～2h，使GaO
X
薄膜转化为原子薄层的氧化镓薄膜，多次重复步骤2后获得预设厚度的氧化镓薄膜；
[0019]步骤3、制备二氧化碲薄膜；
[0020]对碲硒粉末均匀混合物加热形成碲硒合金小球，将碲硒合金小球在Si/SiO2上融化成液态合金，使用硬质材料在Si/SiO2表面挤压或刮擦液态合金，获得二氧化碲薄膜；多次重复步骤3后获得预设厚度的二氧化碲薄膜；
[0021]步骤4、使用接触式光刻或硬掩模方法实现氧化镓薄膜和二氧化碲薄膜的图形化，并使用感应耦合等离子刻蚀机进行阵列刻蚀，得到氧化镓薄膜阵列图形、二氧化碲薄膜阵列图形；并对氧化镓薄膜阵列图形、二氧化碲薄膜阵列图形进行去胶和清洗；
[0022]步骤5、将氧化镓薄膜阵列图形、二氧化碲薄膜阵列图形分别与Si/SiO2分离，并转移至介质衬底上，形成氧化镓层、二氧化碲层，氧化镓层与二氧化碲层交叠处形成II型PN异质结阵列；
[0023]步骤6、通过光刻工艺在氧化镓层、二氧化碲层分别形成第一双层金属电极层、第二双层金属电极层的图形，随后通过电子束蒸发实现沉积电极，在氧化镓层、二氧化碲层上分别形成第一双层金属电极层、第二双层金属电极层；
[0024]步骤7、将介质钝化层6生长或转移至步骤6所形成的整体顶面，则完成全氧化物日盲探测器的制备。
[0025]进一步地，所述步骤2具体为：
[0026]步骤2.1、在70～90℃下，将液态镓滴加到Si/SiO2上，然后使用硬质材料以65
±
35N的均匀力垂直挤压Si/SiO2上的液态镓，之后在75℃以下去除多余的液态金属镓和硬质
材料，形成均匀的GaO
X
薄膜；
[0027]重复步骤2.1直至获得预设厚度的GaO
X
薄膜；
[0028]步骤2.2、将GaO
X
薄膜及Si/SiO2整体浸入60～70℃乙醇中，并用棉签轻轻擦拭以去除残留镓；
[0029]步骤2.3、将Ga本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列，其特征在于：包括介质衬底(1)，以及在介质衬底(1)上按行列矩阵方式排列的M
×
N个探测单元，M、N均为大于等于1的整数；每个所述探测单元包括沿水平方向依次设置在介质衬底(1)顶面的第一双层金属电极层(4)、氧化镓层(2)、二氧化碲层(3)、第二双层金属电极层(5)；所述第一双层金属电极层(4)的部分覆盖在氧化镓层(2)顶面，与氧化镓层(2)形成欧姆接触；所述二氧化碲层(3)的部分覆盖在氧化镓层(2)顶面，且与第一双层金属电极层(4)保持距离，二氧化碲层(3)与氧化镓层(2)的交叠区域为II型PN异质结范德华结构的自供电探测区域；所述第二双层金属电极层(5)的部分覆盖在二氧化碲层(3)顶面，与二氧化碲层(3)形成欧姆接触；所述第一双层金属电极层(4)、氧化镓层(2)、二氧化碲层(3)、第二双层金属电极层(5)、介质衬底(1)的顶面覆盖有介质钝化层(6)；所述氧化镓层(2)为表面氧化液态金属方法制备的二维氧化镓薄膜，所述二氧化碲层(3)为表面氧化液态金属方法制备的二维二氧化碲薄膜。2.根据权利要求1所述的基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列，其特征在于：所述介质衬底(1)为绝缘性固体硬质衬底或柔性软衬底；所述氧化镓层(2)的厚度为2～10nm；所述二氧化碲层(3)的厚度为1.5～10nm；所述第一双层金属电极层(4)包括第一底层接触金属和第一顶层金属，第一底层接触金属的材质为Ti，其厚度为10～30nm，第一顶层金属为Au，其厚度为50～70nm；所述第二双层金属电极层(5)包括第二底层接触金属和第二顶层金属，第二底层接触金属的材质为Pd，其厚度为10～30nm，第二顶层金属为Au，其厚度为50～70nm；所述介质钝化层(6)为h
‑
BN、SiO2、HfO2、Al2O3中的一种，其厚度为10～30nm。3.一种权利要求1所述基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、采用Si/SiO2作为衬底，依次使用丙酮、异丙醇、去离子水分别对Si/SiO2进行超声清洗，再使用等离子清洗仪对Si/SiO2进行处理；步骤2、制备氧化镓薄膜；将液态镓或镓铟合金滴到步骤1的Si/SiO2上，使用硬质材料在Si/SiO2表面挤压或刮擦液态镓，形成均匀的GaO
X
薄膜；然后在120～680℃退火1～2h，使GaO
X
薄膜转化为原子薄层的氧化镓薄膜，多次重复步骤2后获得预设厚度的氧化镓薄膜；步骤3、制备二氧化碲薄膜；对碲硒粉末均匀混合物加热形成碲硒合金小球，将碲硒合金小球在Si/SiO2上融化成液态合金，使用硬质材料在Si/SiO2表面挤压或刮擦液态合金，获得二氧化碲薄膜；多次重复步骤3后获得预设厚度的二氧化碲薄膜；步骤4、使用接触式光刻或硬掩模方法实现氧化镓薄膜和二氧化碲薄膜的图形化，并使用感应耦合等离子刻蚀机进行阵列刻蚀，得到氧化镓薄膜阵列图形、二氧化碲薄膜阵列图形；并对氧化镓薄膜阵列图形、二氧化碲薄膜阵列图形进行去胶和清洗；步骤5、将氧化镓薄膜阵列图形、二氧化碲薄膜阵列图形分别与Si/SiO2分离，并转移至介质衬底(1)上，形成氧化镓层(2)、二氧化碲层(3)，氧化镓层(2)与二氧化碲层(3)交叠处形成II型PN异质结PN异质结阵列；步骤6、通过光刻工艺在氧化镓层(2)、二氧化碲层(3)分别形成第一双层金属电极层
(4)、第二双层金属电极层(5)的图形，随后通过电子束蒸发实现沉积电极，在氧化镓层(2)、二氧化碲层(3)上分别形成第一双层金属电极层(4)、第二双层金属电极层(5)；步骤7、将介质钝化层(6)生长或转移至步骤6所形成的整体顶面，则完成全氧化物日盲探测器的制备。4.根据权利要求3所述的基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：步骤2.1、在70～90℃下，将液态镓滴加到Si/SiO2上，然后使用硬质材料以65
±
35N的均匀力垂直挤压Si/SiO2上的液态镓，之后在75℃以下去除多余的液态金属镓和硬质材料，形成均匀的GaO
X
薄膜；重复步骤2.1直至获得预设厚度的GaO
X
薄膜；步骤2.2、将GaO
X
薄膜及Si/SiO2整体浸入60～70℃乙醇中，并用棉签轻轻擦拭以去除残留镓；步骤2.3、将GaO
X
薄膜及Si/SiO2整体放入管式炉，在120～680℃退火1～2h，使GaO
X
薄膜转化为原子薄层的氧化镓薄膜，得到覆盖在Si/SiO2上的氧化镓薄膜。5.根据权利要求3所述的基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列的制备方法，所述步骤3具体为：步骤3.1、在管式炉中内放入碲硒粉末均匀混合物，并将其加热到500℃
±
30℃，得到碲硒合金小球；所述碲硒粉末均匀混合物中碲、硒的质量比为(0.5～3):50；步骤3.2、使用无绒布擦拭清洁碲硒合金小球的表面，将碲硒合金小球在Si/SiO2上融化成液态合金，使用硬质材料在Si/SiO2表面刮擦液态合金，获得二氧化碲薄膜；重复步骤3.2直至获得预设厚度的二氧化碲薄膜；步骤3.3、将二氧化碲薄膜及Si/SiO2整体浸入60～70℃乙醇中，并用棉签轻轻擦拭以去除残留的硫属元素液滴，得到覆盖在Si/SiO2上的二氧化碲薄膜。6.一种基于液态金属打印的全氧化物日盲探测器阵列，其特征在于：包括介质衬底(1)，以及在介质衬底(1)上按行列矩阵方式排列的M
×
N个探测单元，M、N均为大于等于1的整数；每个所述探测单元包括顶栅电极(7)、以及沿水平方向依次设置在介质衬底(1)顶面的第一金属电极层(51)、二氧化碲层(3)、第二金属电极层(52)、第三金属电极层(41)、氧化镓层(2)、第四金属电极层(42)；所述第一金属电极层(51)的部分、第二金属电极层(52)的部分覆盖在二氧化碲层(3)顶面，使得第一金属电极层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王湛，王欣媛，张博迪，孙静，何云龙，陆小力，陈海峰，马晓华，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：