CN105679874B - 一种高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紫外探测器，具体是指一种高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器及其制备方法。本发明是通过激光分子束外延技术在n型4H‑SiC衬底上沉积一层β‑Ga2O3薄膜，然后利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在n型4H‑SiC衬底和β‑Ga2O3薄膜上沉积一层Ti/Au薄膜作为电极使用。本发明的优点是：所制备的紫外探测器性能稳定，对特定波长的紫外光谱具有高度选择性和高灵敏度，暗电流小，可应用于火灾报警、高压线电晕以及特定波长光谱的探测；另外，该制备方法具有工艺可控性强，操作简单，普适性好，且重复测试具有可恢复性等特点，具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外探测器，具体是指一种高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器及其制备方法。
技术背景
由于高压线电晕、宇宙空间、导弹羽烟和火焰等都含有紫外辐射，使得紫外探测技术被应用于军事、科研、航空航天、通信电子等许多领域。目前，宽禁带半导体紫外探测器是紫外探测器的主要研究方向，尤其是日盲段紫外探测器，具有体积小、功耗小、无需低温冷却和虚警率低的优点，并可以通过调节材料组分改变响应的波长范围。
光谱选择性和灵敏度是紫外探测器的重要性能指标。探测器往往会对大于其禁带宽度的光谱范围都有响应，探测器的光谱选择性较差，例如对于氮化镓半导体材料，对于入射光波长小于365nm的入射光都有响应。而在很多情况下，需要对某一特定波长或波段的光谱进行探测，这时候就需要光电探测器具有很高的光谱选择性。另外，在恶劣的环境下，一些弱光信号很难被探测器检测到。因此，提高探测器的灵敏度也是研究紫外探测器的重要方向。
为了实现探测器的高光谱选择性和高灵敏度，通常需要在探测器上加滤波器和信号放大器，这些附件一般体积大，易碎价格贵，增加了探测器的复杂程度和制造成本，也使得探测器的适用范围大为缩小。本发明设计的基于β-Ga2O3/SiC薄膜的紫外探测器不仅可以检测特定波长的光谱，还可以探测弱光信号，实现探测器的高光谱选择性和高灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度高、稳定性好、响应时间短、探测能力强以及光谱选择性高的基于β-Ga2O3/SiC薄膜的紫外探测器及其制备方法。
本发明的技术方案为：
一种高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器，其特征在于由β-Ga2O3薄膜、n型4H-SiC衬底以及Ti/Au薄膜电极组成。
如图1所示为本发明设计的高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器示意图，所述的高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器，其特征在于所述的β-Ga2O3薄膜厚度为200-300nm，所述的n型4H-SiC衬底作为制备β-Ga2O3薄膜的衬底，所述的Ti/Au薄膜电极的位于Ga2O3薄膜和n型4H-SiC衬底表面，Ti薄膜电极厚度为20-40nm，Au薄膜电极厚度为80-100nm。
一种高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器的制备方法，其特征在于该方法具有如下步骤：
1)n型4H-SiC衬底预处理：将n型4H-SiC衬底放入V(HF):V(H2O2)＝l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；
2)放置靶材和衬底：把Ga2O3靶材放置在激光分子束外延系统的靶台位置，将步骤1)处理后的n型4H-SiC衬底固定在样品托上，放进真空腔；
3)β-Ga2O3薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，通入氧气，调整真空腔内的压强，加热n型4H-SiC衬底，生长β-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，继续通入氧气，调整真空腔内的压强，对所得β-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与n型4H-SiC衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10-6Pa，加热n型4H-SiC衬底时腔体压强为1×10-3Pa，β-Ga2O3薄膜进行原位退火时腔体压强为1-2Pa，激光能量为200mJ/cm2，激光脉冲频率为1Hz，激光的波长为248nm，n型4H-SiC衬底的加热温度为700-800℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为700-800℃，退火时间为1-2小时；
4)器件电极的制备：利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在Ga2O3薄膜和n型4H-SiC衬底上面沉积一层Ti/Au薄膜作为测量电极。
优选的，所述的步骤3)中，n型4H-SiC衬底的加热温度为700-750℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为700-750℃，退火时间为1-2小时。
优选的，所述的步骤4)中，Ti/Au薄膜在氩气氛围下退火10分钟，退火温度为200℃。
对构建的一种高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器进行光电性能测试是将探针点在电极两端，电极之间加电压-5伏特，测得紫外探测器的I-t特性曲线，通过控制紫外光(254nm和365nm)照射的开关发现探测器只对254nm之外光谱有响应。另外，在不同强度的光照下，发现探测器的光电流呈线性变化，而且能接收到低于120μW/cm2的所有弱光强信号。
本发明的优点：
1、本发明方法所制备的紫外探测器，对特定波长的紫外光谱具有高度选择性和高灵敏度，可应用于特定波长光谱的鉴定及其光强的检测；
2、本发明方法采用微纳米加工技术制备的紫外探测器具有工艺可控性强，操作简单，普适性好，且重复测试具有可恢复性等特点，具有很大的应用前景。
3、本发明方法所制备的紫外探测器性能稳定，反应灵敏，暗电流小，可应用于火灾报警、高压线电晕等探测；
附图说明
图1是本发明方法设计的高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器的示意图。
图2是用本发明方法制得的β-Ga2O3薄膜的X射线衍射(XRD)谱图。
图3是用本发明方法测得高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器的电极电压为2V的V-I曲线图。
图4是用本发明方法测得高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器的电极电压为-5V的I-t曲线图。
图5是用本发明方法制得的高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器电极电压为-3V的V-I曲线图。
图6是用本发明方法制得的高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器电极电压为-3V的光电流-光强曲线图。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
实施例1
步骤如下：
1)n型4H-SiC衬底预处理：将n型4H-SiC衬底放入V(HF):V(H2O2)＝l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；
2)放置靶材和衬底：把Ga2O3靶材放置在激光分子束外延系统的靶台位置，将步骤1)处理后的n型4H-SiC衬底固定在样品托上，放进真空腔；
3)β-Ga2O3薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，通入氧气，调整真空腔内的压强，加热n型4H-SiC衬底，生长β-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，继续通入氧气，调整真空腔内的压强，对所得β-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与n型4H-SiC衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10-6Pa，加热n型4H-SiC衬底时腔体压强为1×10-3Pa，β-Ga2O3薄膜进行原位退火时腔体压强为1Pa，激光能量为200mJ/cm2，激光脉冲频率为1Hz，激光的波长为248nm，n型4H-SiC衬底的加热温度为750℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为750℃，退火时间为1小时。
4)器件电极的制备：利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在Ga2O3薄膜和n型4H-SiC衬底上面沉积一层Ti/Au薄膜作为测量电极。
将步骤3)中所得薄膜在X射线衍射仪中扫描，结果如图2中XRD谱图所示，显示了β-Ga2O3的(-201)，(-402)和(-603)特征晶面衍射峰，表明所得薄膜为沿着(-201)晶面外延生长的高质量β-Ga2O3薄膜。
在高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器的电极两端施加电压进行光电性能测量，测量示意图如图1。当外加电压为2伏特并在254nm和365nm紫外光的照射下，发现紫外光响应电流明显增大，在黑暗条件下的V-I曲线显示了明显的整流效应，整流比达到2000(如图3)。图4中的I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，并且探测器对波长为254nm的光谱具有高度选择性，对波长为365nm的光谱以及黑暗条件下均没有响应。图5为外加电压为-3伏特并在254nm不同光强的紫外光照射下的V-I曲线，发现探测器能接收到低于120μW/cm2的所有弱光强信号，表明探测器具有高灵敏度。图6的光电流-光强曲线显示了在254nm的光谱照射下光电流与光强呈线性变化，因此，该探测器可以应用于特定波长照射下光强大小的检测。
实施例2
步骤(1)、(2)和(4)均与实施例1相同。步骤(3)中先将腔体抽真空，通入氧气，调整真空腔内的压强，加热n型4H-SiC衬底，生长β-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，继续通入氧气，调整真空腔内的压强，对所得β-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与n型4H-SiC衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10-6Pa，加热n型4H-SiC衬底时腔体压强为1×10-3Pa，β-Ga2O3薄膜进行原位退火时腔体压强为1Pa，激光能量为200mJ/cm2，激光脉冲频率为1Hz，激光的波长为248nm，n型4H-SiC衬底的加热温度为700℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为700℃，退火时间为1小时。
所得β-Ga2O3薄膜的化学成分和结构均与实例1类似。在高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，不同光强照射下的V-I曲线是在-3伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，并对254nm波长具有高度选择性，而且能接收到低于120μW/cm2的所有弱光强信号，具有高灵敏度。测试结果均与实施例1类似。
实施例3
步骤(1)、(2)和(4)均与实施例1相同。步骤(3)中先将腔体抽真空，通入氧气，调整真空腔内的压强，加热n型4H-SiC衬底，生长β-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，继续通入氧气，调整真空腔内的压强，对所得β-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与n型4H-SiC衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10-6Pa，加热n型4H-SiC衬底时腔体压强为1×10-3Pa，β-Ga2O3薄膜进行原位退火时腔体压强为1.5Pa，激光能量为200mJ/cm2，激光脉冲频率为1Hz，激光的波长为248nm，n型4H-SiC衬底的加热温度为750℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为700℃，退火时间为1.5小时。
所得β-Ga2O3薄膜的化学成分和结构均与实例1类似。在高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，不同光强照射下的V-I曲线是在-3伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，并对254nm波长具有高度选择性，而且能接收到低于120μW/cm2的所有弱光强信号，具有高灵敏度。测试结果均与实施例1类似。
实施例4
步骤(1)、(2)和(4)均与实施例1相同。步骤(3)中先将腔体抽真空，通入氧气，调整真空腔内的压强，加热n型4H-SiC衬底，生长β-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，继续通入氧气，调整真空腔内的压强，对所得β-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与n型4H-SiC衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10-6Pa，加热n型4H-SiC衬底时腔体压强为1×10-3Pa，β-Ga2O3薄膜进行原位退火时腔体压强为1.5Pa，激光能量为200mJ/cm2，激光脉冲频率为1Hz，激光的波长为248nm，n型4H-SiC衬底的加热温度为700℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为750℃，退火时间为1.5小时。
所得β-Ga2O3薄膜的化学成分和结构均与实例1类似。在高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，不同光强照射下的V-I曲线是在-3伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，并对254nm波长具有高度选择性，而且能接收到低于120μW/cm2的所有弱光强信号，具有高灵敏度。测试结果均与实施例1类似。
实施例5
步骤(1)、(2)和(4)均与实施例1相同。步骤(3)中先将腔体抽真空，通入氧气，调整真空腔内的压强，加热n型4H-SiC衬底，生长β-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，继续通入氧气，调整真空腔内的压强，对所得β-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与n型4H-SiC衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10-6Pa，加热n型4H-SiC衬底时腔体压强为1×10-3Pa，β-Ga2O3薄膜进行原位退火时腔体压强为2Pa，激光能量为200mJ/cm2，激光脉冲频率为1Hz，激光的波长为248nm，n型4H-SiC衬底的加热温度为700℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为700℃，退火时间为1小时。
所得β-Ga2O3薄膜的化学成分和结构均与实例1类似。在高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，不同光强照射下的V-I曲线是在-3伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，并对254nm波长具有高度选择性，而且能接收到低于120μW/cm2的所有弱光强信号，具有高灵敏度。测试结果均与实施例1类似。
实施例6
步骤(1)、(2)和(4)均与实施例1相同。步骤(3)中先将腔体抽真空，通入氧气，调整真空腔内的压强，加热n型4H-SiC衬底，生长β-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，继续通入氧气，调整真空腔内的压强，对所得β-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与n型4H-SiC衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10-6Pa，加热n型4H-SiC衬底时腔体压强为1×10-3Pa，β-Ga2O3薄膜进行原位退火时腔体压强为2Pa，激光能量为200mJ/cm2，激光脉冲频率为1Hz，激光的波长为248nm，n型4H-SiC衬底的加热温度为700℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为750℃，退火时间为1.5小时。
所得β-Ga2O3薄膜的化学成分和结构均与实例1类似。在高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，不同光强照射下的V-I曲线是在-3伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，并对254nm波长具有高度选择性，而且能接收到低于120μW/cm2的所有弱光强信号，具有高灵敏度。测试结果均与实施例1类似。
Claims (4)
1.一种高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器，其特征在于由β-Ga2O3薄膜、n型4H-SiC衬底以及Ti/Au薄膜电极组成；所述的β-Ga2O3薄膜厚度为200-300nm，所述的n型4H-SiC衬底作为制备β-Ga2O3薄膜的衬底，所述的β-Ga2O3薄膜面积为n型4H-SiC衬底面积的一半，所述的Ti/Au薄膜电极的位于Ga2O3薄膜和n型4H-SiC衬底表面，形状为直径200微米的圆形，Ti薄膜电极厚度为20-40nm， Au薄膜电极在Ti薄膜电极的上方，厚度为80-100 nm；所述高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器的制备方法如下：
1)n型4H-SiC衬底预处理：将n型4H-SiC衬底放入V(HF):V(H2O2)=l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；
2)放置靶材和衬底：把Ga2O3靶材放置在激光分子束外延系统的靶台位置，将步骤1）处理后的n型4H-SiC衬底固定在样品托上，放进真空腔；
3)β-Ga2O3薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，通入氧气，调整真空腔内的压强，加热n型4H-SiC衬底，生长β-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，继续通入氧气，调整真空腔内的压强，对所得β-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与n型4H-SiC衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10−6 Pa，加热n型4H-SiC衬底时腔体压强为1×10−3 Pa，β-Ga2O3薄膜进行原位退火时腔体压强为1-2Pa，激光能量为200 mJ/cm2，激光脉冲频率为1Hz，激光的波长为248 nm，n型4H-SiC衬底的加热温度为700-800℃，β-Ga2O3薄膜的退火温度为700-800 ℃，退火时间为1-2小时；
4)器件电极的制备：利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在Ga2O3薄膜和n型4H-SiC衬底上面沉积一层Ti/Au薄膜作为测量电极。
2.根据权利要求1所述的高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器，其特征在于所述的探测器对波长为254 nm的紫外光谱有选择性。
3.根据权利要求1所述的高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器，其特征在于所述的探测器可以检测到0-120μW/cm2的光强信号。
4.一种如权利要求1所述高光谱选择性和高灵敏度紫外探测器的应用，其特征在于作为波长254 nm光谱的光强探测器。
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