CN106229373A - 基于β‑Ga2O3/NSTO异质结可零功耗工作的日盲紫外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于β‑Ga2O3/NSTO异质结可零功耗工作的日盲紫外光电探测器及其制备方法，具体是指采用磁控溅射在NSTO单晶衬底上生长高结晶度的β‑Ga2O3薄膜作为光敏层，再在其上溅射直径为3mm的半透明Au/Ti电极作为透光电极，并采用机械力分别压印直径约为0.2mm和2mm的In电极作为上电极和下电极，制备获得的β‑Ga2O3/NSTO异质结日盲紫外光电探测器。本发明首次采用商业化的NSTO单晶衬底与β‑Ga2O3薄膜形成异质结结构用于日盲紫外光的探测，该异质结器件可工作于0V偏压下，具有零功耗工作的特点。本发明中β‑Ga2O3薄膜的生长采用商业化的磁控溅射方法，制备过程简单，工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、可大面积制备、重复性好等优势。该发明制备的零功耗β‑Ga2O3/NSTO异质结光电探测器在日盲紫外探测领域具有潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种β-Ga2O3/NSTO异质结可零功耗工作的日盲紫外光电探测器及其制备方法。
技术背景
由于臭氧层的吸收，在地球表面几乎不存在波长介于200-280nm的深紫外光，该波段的光称为日盲紫外光，而针对该波段的信号探测被称为日盲紫外探测。由于不受太阳光背景的影响，日盲紫外光信号探测灵敏度极高，工作在此波段的通信准确率也极高，在军事及航天航空等方面有广泛的应用，加之红外对抗技术的日趋成熟红外制导导弹的命中精度已受到严重威胁，紫外通信特别是日盲紫外通信俨然已经成为各国军事竞赛的重点目标。除了在日盲紫外通信中的应用之外，日盲紫外光电探测器还有其它方面的应用，如国防预警与跟踪、生命科学、高压线电晕、臭氧层检测、气体探测与分析，火焰传感等。
目前市场上的紫外探测器都为真空紫外探测器件，相比之，基于半导体材料的固态紫外探测器件由于体重小、功耗低、量子效率高、便于集成等特点近年来已经成为科研人员的研究热点。日盲紫外探测器核心材料的禁带宽度往往要大于4.4eV，目前研究比较多的材料集中在AlGaN、ZnMgO和金刚石上。但AlGaN由于其薄膜需要极高温生长并难以外延成膜，ZnMgO在单晶纤维锌矿的结构下很难保持超过4.5eV的带隙，而金刚石具有固定的5.5eV的带隙，对应波长225nm，只占据日盲紫外波长的一小段。而β-Ga2O3的禁带宽度约为4.9eV，对应波长253nm，且易于与Al2O3和In2O3形成连续固溶体实现其在日盲区的完全覆盖，是一种非常适合于制备日盲紫外光电探测器的氧化物半导体候选材料。
紫外光的信号往往非常微弱，为了能精确探测到微弱紫外光信号，科研人员通过引入肖特基或异质结等方式来增大光增益。虽然基于单晶的肖特基结和微米线的ZnO/β-Ga2O3核壳异质结已取得重要的研究进展，但基于薄膜型的β-Ga2O3高增益探测器却很不理想，而器件的应用及商业化生产往往又需要薄膜。另一方面，探测器工作时的功耗一直是实际应用中最关心的问题，目前市场上的真空紫外探测器件由于功耗高而逐渐要被市场淘汰。
本发明制备了基于β-Ga2O3/NSTO异质结的日盲紫外光电探测器，该探测器可工作于0V偏压，具有零功耗探测日盲紫外光信号的特点。该发明为零功耗的β-Ga2O3/NSTO异质结日盲紫外光电探测器的应用提供理论和技术支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种零功耗、可探测日盲区紫外光的异质结探测器及其制备方法。
本发明以(100)面0.7wt％Nb:SrTiO3(NSTO)为衬底，通过磁控溅射技术生长高结晶度的β-Ga2O3薄膜作为光敏层，再通过磁控溅射的方法溅射直径为3mm的半透明Au/Ti圆形电极作为透光电极，并采用机械力分别压印直径为0.2mm和2mm的圆形In电极作为上电极和下电极，具体步骤如下：
(1)先取一片10mm×5mm×0.5mm大小的NSTO为衬底，将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的N2气吹干，待用；
(2)将上述清洗干净的NSTO衬底放入沉积室，采用磁控溅射在其上生长β-Ga2O3薄膜，具体参数如下：抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa，衬底温度为750℃，溅射功率为80W，溅射时间为4h；
(3)将步骤(2)中制备的β-Ga2O3薄膜用镂空的掩膜板遮挡，采用磁控溅射方法先后溅射厚度为3nm的金属Ti层和7nm的Au层，获得一个直径为3mm半透明的Au/Ti电极，溅射工艺条件如下：抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，衬底温度为室温，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa，溅射功率为40W，Ti层的溅射时间为3s，Au层的溅射时间为7s；
(4)在步骤(3)中获得的圆形Au/Ti电极的边角上采用机械力按上一块直径为0.2mm的In圆形电极并与Cu线相连，作为β-Ga2O3/NSTO异质结的上电极；同时，采用机械力在背面的NSTO上按上一块In电极并与Cu线相连作为下电极，下电极的直径为2mm。
本发明的优点和有益效果是：
本发明制备过程简单，所用衬底为商业产品；本发明在制备过程中，采用商业化的制备方法磁控溅射生长β-Ga2O3薄膜，工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、可大面积制备、重复性好。所制备的器件结构可在零功耗的情况下探测日盲紫外光。
附图说明
图1是用本发明方法制得的β-Ga2O3/NSTO异质结日盲光电探测器结构示意图；
图2是用本发明方法制得的β-Ga2O3/NSTO异质结日盲光电探测器在黑暗及254nm不同光强下的I-V曲线，插图为黑暗情况下I-V曲线的放大图；
图3是用本发明方法制得的β-Ga2O3/NSTO异质结日盲光电探测器在0V偏压及光强为45μW/cm2的254nm光照下的I-t曲线(6个循环)；
图4是用本发明方法制得的β-Ga2O3/NSTO异质结日盲光电探测器在0V偏压及光强为45μW/cm2的254nm光照下的I-t曲线放大图及响应时间拟合。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
先取一片10mm×5mm×0.5mm大小的NSTO单晶衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的N2气吹干，待用。将上述清洗干净的NSTO衬底放入沉积室，采用磁控溅射在其上生长一层厚度为1.324μm的β-Ga2O3薄膜，具体参数如下：抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa，衬底温度为750℃，溅射功率为80W，溅射时间为4h。将上述生长的β-Ga2O3薄膜用镂空的掩膜板遮挡，采用磁控溅射方法先后溅射厚度为3nm金属Ti层和7nm的Au层，获得一个直径为3mm半透明的圆形Au/Ti电极，溅射工艺条件如下：抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，衬底温度为室温，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa，溅射功率为40W，Ti层的溅射时间为3s，Au层的溅射时间为7s。将上述获得的圆形Au/Ti电极的边角上采用机械力按上一块直径为0.2mm的圆形In电极并与Cu线相连，作为β-Ga2O3/NSTO异质结的上电极；同时，同样采用机械力按在背面的NSTO上并与Cu线相连作为下电极，该电极的直径为2mm。经过上述实验过程即可制备得到β-Ga2O3/NSTO异质结日盲光电探测器，如图1所示。定义从β-Ga2O3薄膜流向NSTO衬底的电流方向为正向电流。该β-Ga2O3/NSTO异质结日盲光电探测器在黑暗情况下表现出明显的正向整流特性，±10V偏压下的整流比为Idark(10V)/Idark(-10V)＝13，如图2插图所示。而在254nm紫外光照射下，虽然正向偏压和反向偏压下电流都有所增加，但反向偏压的电流增加量要显著大于正向偏压下的电流增加，该器件由正向整流变为反向整流，同时光电流随着光强的增加而增加。例如，在光强为45μW/cm2的254nm紫外光照射下，正向10V偏压的光暗比为Iphoto(10V)/Idark(10V)＝4.25×102，反向10V偏压下Iphoto(-10V)/Idark(-10V)＝3×104，光照下的整流比为Iphoto(-10V)/Iphoto(10V)＝5.5。该β-Ga2O3/NSTO异质结日盲光电探测器可工作在0V偏压下，具有零功耗工作的特点。图3给出了在0V偏压及光强为45μW/cm2的254nm光照下通过不断灯开灯关测得的I-t曲线。重复测试了6个I-t循环，该器件表现出很好的重复性。在黑暗情况下，该探测器的暗电流为-0.42nA，当光强为45μW/cm2的254nm紫外光照射后，电流迅速增加至-8.6nA，光暗比Iphoto/Idark约为20。通过进一步的拟合，可得该探测器在0V偏压及光强为45μW/cm2的254nm光照下的上升响应时间τr及衰减时间τd分别为0.21s和0.07s，如图4所示，表明所得探测器响应快速，具有极高的灵敏度。
Claims (2)
1.一种基于β-Ga2O3/NSTO异质结可零功耗工作的日盲紫外光电探测器，其特征在于由β-Ga2O3薄膜、NSTO衬底、Ti/Au薄膜电极以及In电极组成，所述的β-Ga2O3薄膜厚度为1.324μm，所述的NSTO衬底作为制备β-Ga2O3薄膜的衬底，其面积与所制备的β-Ga2O3薄膜相同，β-Ga2O3薄膜和衬底NSTO构成异质结，形成内建电场，可分离光生载流子，所述的Ti/Au薄膜电极位于β-Ga2O3薄膜的表面，形状为直径3mm的圆形，Ti薄膜电极厚度为3nm，Au薄膜电极在Ti薄膜电极的上方，厚度为7nm，所述的In电极分为上电极和下电极，上电极在Au薄膜电极上方，形状为直径0.2mm的圆形，下电极在NSTO衬底下方，形状为直径2mm的圆形。
2.根据权利要求1所述基于β-Ga2O3/NSTO异质结可零功耗工作的日盲紫外光电探测器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用NSTO为衬底，清洗过程如下：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的N2气吹干，待用；
(2)将清洗干净的NSTO衬底放入沉积室在其上采用磁控溅射生长β-Ga2O3薄膜，具体参数如下：抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa，衬底温度为750℃，溅射功率为80W，溅射时间为4h；
(3)将步骤(2)中制备的β-Ga2O3薄膜用镂空的掩膜板遮挡，采用磁控溅射方法先后溅射厚度为3nm的金属Ti层和7nm的Au层，获得一个直径为3mm半透明的Au/Ti电极，溅射工艺条件如下：抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，衬底温度为室温，工作气氛为Ar气，工作气压为0.8Pa，溅射功率为40W，Ti层的溅射时间为3s，Au层的溅射时间为7s；
(4)在步骤(3)中获得的圆形Au/Ti电极的边角上采用机械力按上一块直径为0.2mm的In圆形电极并与Cu线相连，作为β-Ga2O3/NSTO异质结的上电极；同时，采用机械力在背面的NSTO上按上一块In电极并与Cu线相连作为下电极，下电极的直径为2mm。
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2016
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