CN107507876B - 一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种β‑Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列及其制备方法，涉及光电子技术领域；探测器阵列从下到上依次为：β‑Ga2O3光吸收层、下电极层、氧化物薄膜绝缘层和上电极层；在衬底上生长β‑Ga2O3薄膜形成β‑Ga2O3光吸收层，然后在β‑Ga2O3光吸收层上制备包括列导线和叉指电极的下电极层；下电极层上方为氧化物薄膜绝缘层，最上层为包括行导线的上电极层；行导线与列导线的交叉部分中间布置氧化物薄膜绝缘层；每一列叉指电极的阳极都接在本列的列导线上，行导线连接每一行叉指电极的阴极；将制备好的探测器阵列用陶瓷封装器进行封装，得到β‑Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列。本发明具有工艺可控性强，成本低，操作步骤简单，可大面积制备、重复性好和开发周期短等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体是一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列及其制备方法。
背景技术
由于臭氧层的吸收，在地球表面几乎不存在波长介于200-280nm之间的深紫外光，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。日盲紫外光电探测器可广泛用于科研、军事、太空、环保等领域，如太空飞船中的紫外光监视器，臭氧层太阳光紫外线监视，热背景火焰探测以及废气监视等。
基于半导体材料的固态紫外探测器件体重小、功耗低、量子效率高、便于集成，近年来已经成为科研人员的研究热点，宽禁带半导体材料的发现为制造具备更高性能的日盲紫外探测器提供了新的选择，目前已经能够通过各单项工艺的比较，优化器件制作的工艺流程，制备出单个高性能的日盲型紫外探测器。
随着光电器件朝集成化、小型化的方向发展，阵列化的光电探测器则成了大家的研究热点。紫外探测系统一般由探测器阵列、读出电路和后续的信号处理电路三部分组成，紫外探测器是整个紫外探测系统的重要部分，是将紫外光强信号转化为电信号的主要器件，从1999年美国Nitronex公司与北卡罗来那大学、Honeywell技术中心以及美国军队夜视实验室成功地实现了基于AlGaNP-I-N型背照射32×32列阵焦平面探测器数字照相机技术以来，紫外探测器阵列的研究取得了飞速的发展，美国马里兰大学在2001年利用PLD设备在蓝宝石衬底上实现了MSM结构Zn0.66Mg0.34O光电导型紫外探测器，又在2003年利用MgxZn1-xO薄膜横向Mg含量的梯度分布，成功制成了单片多通道的紫外探测器阵列，2005年美国西北大学的R.McClintock等开发出了320×256日盲型AlGaN紫外焦平面阵列。
但是，利用半导体合金(如AlGaN，ZnMgO)制备的日盲紫外探测器，以及高质量的外延薄膜生长温度高不易实现，带隙的不匹配导致探测器不能检测整个深紫外区域；利用金刚石制备的日盲紫外探测器，则由于固定的禁带宽度，探测器的灵敏度范围被限制在225nm的窄辐射区域。
氧化镓(Ga2O3)作为重要的直接宽带隙氧化物半导体纳米材料，其室温下的禁带宽度约为 4.2—4.9eV，由于其带隙宽度对应的波长为253～258nm，正好位于日盲区并且对可见光和红外辐射都没有吸收，不产生光响应，是一种构建日盲型紫外光电探测器件的理想材料；但是目前还没有人利用氧化镓材料制作出探测器阵列。
发明内容
本发明针对上述问题，为了实现高密度集成的深紫外日盲探测器阵列，满足优异的加工性，轻便性，灵活性和低制造成本等特点，提供了一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列及其制备方法，能够使探测器的电学和光电性能研究不局限在单个器件上，实现了集成化，并且探测器阵列有很好的光电性能，可应用于单个器件的紫外光强标定，简单图形的成像等。
所述的探测器阵列按层次从下到上依次为：β-Ga2O3光吸收层、下电极层、氧化物薄膜绝缘层和上电极层。
β-Ga2O3光吸收层通过在单晶衬底上生长β-Ga2O3薄膜；在β-Ga2O3光吸收层上通过下电极掩膜版制备下电极层，得到列导线和叉指电极；所述的列导线在β-Ga2O3光吸收层表面等间距排布，每个列导线上等间距排布若干叉指电极，每个叉指电极与列导线呈相同角度排列；在下电极层上通过绝缘块阵列掩膜版制作氧化物薄膜绝缘层，然后在氧化物薄膜绝缘层上用上电极掩膜版制作上电极层，得到行导线；所述的行导线垂直于列导线等间距排布，行导线与列导线的交叉部分中间布置氧化物薄膜绝缘层；每个叉指电极的另一端连接在行导线上。
所述的探测器阵列的制备方法，步骤如下：
步骤一、采用β-Ga2O3单晶基片或者以c面蓝宝石单晶为衬底，沿着晶面择优生长后原位退火的β-Ga2O3薄膜作为β-Ga2O3光吸收层；
步骤二、在β-Ga2O3光吸收层上制备下电极层，得到列导线和叉指电极阵列；
具体步骤如下：
步骤201、在β-Ga2O3光吸收层上旋涂光刻胶并前烘；
步骤202、利用下电极掩膜版在光刻机上曝光；
步骤203、显影后打胶，再利用磁控溅射，物理气相沉积、热蒸发和电子束蒸发等方法镀下电极；
步骤204、最后用去胶液去胶剥离，得到列导线和叉指电极阵列。
步骤三、在镀好下电极层的样品上制备氧化物薄膜绝缘层；
具体步骤如下：
步骤301、利用原子层沉积或化学气相沉积方法，在样品生长氧化物薄膜；
步骤302、在生长好的氧化物薄膜上旋涂光刻胶并前烘；
步骤303、利用绝缘块阵列掩膜版在光刻机上套刻曝光；
步骤304、显影后进行刻蚀；
步骤305、最后去胶液去胶剥离得到绝缘块阵列。
步骤四、在沉积好氧化物薄膜绝缘层的样品上制备上电极层，得到行导线；
具体步骤如下：
步骤401、在样品上旋涂光刻胶并前烘；
步骤402、利用上电极掩膜版在光刻机上套刻曝光；
步骤403、显影后打胶，再利用磁控溅射，物理气相沉积、热蒸发和电子束蒸发等方法镀下电极；
步骤404、最后去胶液去胶剥离得到行导线。
步骤五、将制备好的探测器阵列用陶瓷封装器进行封装，得到β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列。
本发明的有益效果是：
1)、一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列，将单个响应速度快，光暗电流比高、功耗低、量子效率高的探测器集成化，使其光电性能研究不局限在单个器件上，单个元件的短路并不会影响周围探测器的性能；
2)、一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列，实施例中在平面内实现了4×4阵列，薄膜本身完整，对衬底没有复杂的操作，导线走向简单，没有引线与像元的占空比矛盾。
3)、一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列，封装后器件耐湿性好、机械强度高、气密性好、芯片和电路不受周围环境影响，便于测试。
4)、一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列的制备方法，将β-Ga2O3层的制备与光刻工艺分开，探测器的性能好坏主要取决于基底的性能，具有工艺可控性强，成本低，操作步骤简单，可大面积制备、重复性好和开发周期短等优点；
5)、一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列的制备方法，能利用后续电路处理动态控制阵列任意位置单元的工作状态，具有广阔的商业应用前景。
附图说明
图1是本发明制得的β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器4×4阵列的结构示意图；
图2是本发明β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列的制备方法的流程图；
图3是本发明制得的β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列在显微镜下的俯视图；
图4是本发明制得的β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器4×4阵列的封装效果图；
图5是本发明4×4阵列16个单元在黑暗条件和254nm光照下的I-V曲线图；
图6是本发明4-4探测器单元在5V偏压，光强300μW/cm2的254nm光照下的I-t曲线图；
图7是本发明4-4探测器单元在5V偏压，光强300μW/cm2的254nm光照下的I-t曲线放大图及相应时间拟合；
图8是本发明4-4探测器单元在不同偏压下的光谱响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。
本发明提供了一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列及其制备方法，能够使探测器的电学和光电性能研究不局限在单个器件上，利于集成化。
所述的探测器阵列按层次从下到上依次为：β-Ga2O3光吸收层、下电极层、氧化物薄膜绝缘层和上电极层；如图1所示，本实施例选用4×4的探测器阵列。
采用标准的半导体光刻工艺，光吸收层选择β-Ga2O3单晶基片或在蓝宝石衬底上利用磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或溶胶凝胶等方法制备β-Ga2O3外延薄膜，厚度为150-250nm；
在β-Ga2O3光吸收层上通过下电极掩膜版制备下电极层，为了使电极与β-Ga2O3薄膜形成欧姆接触，采用Ti/Au作为金属电极材料，厚度为60-120nm，因为Ti与β-Ga2O3薄膜的附着性良好且功函数较低，可以增强电极与薄膜接触的可靠性，易于形成欧姆接触，并且Ti在空气中容易氧化，Au能起到叉指电极在空气中稳定的作用，所以Au薄膜电极在Ti薄膜电极的上方，Ti薄膜电极厚度为10-20nm；下电极层上等间距排布列导线和叉指电极；每个列导线在β-Ga2O3光吸收层表面上等间距排布，每个列导线上连接若干叉指电极，每个叉指电极与列导线呈45度排列；
下电极的材料包括Au、Cr、Ti和Al；利用磁控溅射、物理气相沉积、热蒸发和电子束蒸发等方法制备。
在下电极层上通过绝缘块阵列掩膜版制作氧化物薄膜绝缘层，氧化物绝缘层材料选择Al2O3或SiO2；使用原子层沉积或化学气相沉积来制备；厚度为180-220nm。
然后在氧化物薄膜绝缘层上用上电极掩膜版制作Ti/Au上电极层，厚度为80-150nm；Au薄膜电极在Ti薄膜电极的上方，Ti薄膜电极厚度为10-20nm；上电极层等间距布置行导线；所述的行导线垂直于列导线等间距排布，行导线与列导线的交叉部分布置氧化物薄膜绝缘层；每个叉指电极的另一端连接在行导线上。
也就是每一列叉指电极的阳极都接在本列的列导线上，行导线连接每一行叉指电极的阴极；行导线和列导线分割的空间内布置叉指电极，并按导线间距以矩阵方式排列。
上电极的材料包括Au、Cr、Ti和Al，利用磁控溅射，物理气相沉积、热蒸发和电子束蒸发等方法制备。
如图2所示，所述的探测器阵列的制备方法，步骤如下：
步骤一、采用β-Ga2O3单晶基片或者以c面蓝宝石单晶为衬底，沿着晶面择优生长后原位退火的β-Ga2O3薄膜作为β-Ga2O3光吸收层；
首先，沉积β-Ga2O3薄膜，以c面蓝宝石单晶为衬底，采用磁控溅射生长沿着晶面择优生长的β-Ga2O3薄膜，溅射功率80W，溅射气压1Pa(反应气体Ar)，沉积温度750℃，沉积时间100min，待薄膜生长完毕，对所得的β-Ga2O3薄膜进行原位退火，退火温度700-800℃，退火时间1-2小时。
步骤二、在β-Ga2O3光吸收层上制备下电极层，得到列导线和叉指电极阵列；
具体为：下电极掩模版两个相邻叉指电极的中心间距为1000μm，指宽为10μm，与列导线呈45度角排列，列导线长5000μm，宽50μm，保证每一列叉指电极元件的阳极都接在本列的列导线上。
首先，在沉积好的β-Ga2O3薄膜上旋涂AZ5214反转光刻胶作为负胶；甩胶速度4000rpm，甩胶时间1min，前烘2min，温度为95℃。然后，利用下电极掩膜版在光刻机上曝光2s，在105℃下反转烘1min 30s后，无掩膜板泛曝光47s，用RX3038显影液显影45s，去离子水清洗30s，继续用RIE-10打胶30s，利用各向同性的氧等离子体构造出梯度结构、功率为50w、氧流量40sccm、氧压3pa，然后利用物理气相沉积(PVD)镀Ti/Au电极，溅射功率80w，气氛为Ar，最后用Remover PG去胶液在70℃下去胶30min，超声清洗10s，去离子水冲洗。
步骤三、在镀好的下电极层上沉积氧化物薄膜绝缘层；
具体为：在镀好下电极的样品上用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)沉积氧化硅绝缘层，SH4和NO作为反应源，沉积温度400℃、功率为800W、沉积时间为66s。
绝缘块掩模版上绝缘块边长100μm，中心间距为两个列导线之间的距离1000μm，绝缘块的边长大于导线的宽度，这样能充分保证所有行导线与列导线间绝缘。
首先，长好绝缘层的样品旋涂AZ5214反转光刻胶作为正胶，甩胶速度4000rpm，甩胶时间1min，前烘2min，温度为95℃，接着，利用绝缘块阵列掩膜版在光刻机上曝光8.5s，用RX3038显影液显影45s，去离子水清洗30s，继续，用RIE-10刻蚀13min，气氛为CHF3、功率为90w、流量30sccm、气压1.3pa，最后，用Remover PG去胶液在70℃下去胶30min，超声清洗10s、去离子水冲洗；除横纵导线交叉处有绝缘块，其它部分的绝缘层都被刻蚀掉，露出下电极部分。
步骤四、在沉积好的氧化物薄膜绝缘层上制备上电极层，得到行导线；
具体为：上电极掩模版导线长5000μm，宽50μm，导线两端接口都有扩大，方便测试引 线；
首先，在长好绝缘块的样品上旋涂AZ5214反转光刻胶作为负胶，甩胶速度4000rpm，甩胶时间1min，前烘2min，温度为95℃；接着用上电极掩膜版在光刻机上曝光2s，在105℃下反转烘1min 30s，然后无掩膜板泛曝光47s，用RX3038显影液显影45s，去离子水清洗30s，继续用RIE-10打胶30s，然后利用PVD镀Ti/Au电极，最后，用Remover PG去胶液在70℃下去胶30min，超声清洗10s、去离子水冲洗；最终，叉指电极两端分别连接行列导线，如图3所示，得到显微镜下观察到探测阵列的俯视图。
步骤五、将制备好的探测器阵列用陶瓷封装器进行封装，得到β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列。
效果图如图4所示，器件和电路不受周围环境影响，测试方便，在某列导线对应的电极上施加高电平，在某行导线上对应的电极上施加低电平，则行导线和列导线交叉点处的叉指电极元件会由于施加偏压而处于工作状态，进而发生光电响应；
对每一个叉指电极施加5V偏压，分别在黑暗条件和光强300μW/cm2的254nm光照下测试其光电性能，得到如图5所示的I-V曲线，4×4阵列的每一个单元都具有很好的光电性能，光暗电流比均在一个数量级。
选择4-4(第四行-第四列)探测器单元进行进一步测试，如图6所示，在5V偏压，光强300μW/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4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0.05nA，当光强为300μW/cm2的254nm紫外光照射后，电流迅速增加至338nA，光暗比Iphoto/Idark约为6760。通过进一步的拟合，可得该探测器在5V偏压，光强300μW/cm2的254nm光照下的上升响应时间τr和衰减时间τd分别为0.846s和0.399s，如图7所示，表明所得探测器响应速度快，具有极高的灵敏度。
4-4探测器单元在不同偏压下的光谱响应曲线，如图8所示，在265nm处有一个陡峭的截止边，光谱响应峰值在250nm，探测器分别置于2V、4V、6V、8V、10V时测得的光谱响应曲线形状相似，响应度随着所加偏压的增大而增大，即探测灵敏度大幅度增加。
制备好的探测器阵列光电性能优异，可用于紫外设备光强的标定。例如紫外灯功率在使用过程中随着时间不断衰减且紫外光容易产生危险和不易测量，因此需要使用紫外探测器对紫外辐射剂量进行监控，探测器单元的光电流与光强成线性关系，通过光响应度的变化能对设备光强进行校对；还能标定简单的单个日盲紫外探测器样品的光吸收，将不同博膜厚度制备的样品分别放在制备的阵列上，通过测试在254nm紫外光照射下阵列单元的光电流大小，光吸收完全时得到制备探测器最佳的薄膜厚度。
Claims (3)
1.一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列，其特征在于，按层次从下到上依次为：β-Ga2O3光吸收层、下电极层、氧化物薄膜绝缘层和上电极层；
β-Ga2O3光吸收层通过在单晶基片或在蓝宝石衬底上利用磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或溶胶凝胶方法中的一种生长β-Ga2O3薄膜，待β-Ga2O3薄膜生长完毕，对所得的β-Ga2O3薄膜进行原位退火；在β-Ga2O3光吸收层上通过下电极掩膜版制备下电极层，得到列导线和叉指电极；所述的列导线在β-Ga2O3光吸收层表面等间距排布，每个列导线上等间距排布若干叉指电极，每个叉指电极与列导线呈相同角度排列；在下电极层上通过绝缘块阵列掩膜版制作氧化物薄膜绝缘层，然后在氧化物薄膜绝缘层上用上电极掩膜版制作上电极层，得到行导线；所述的行导线垂直于列导线等间距排布，行导线与列导线的交叉部分中间布置氧化物薄膜绝缘层；每个叉指电极的另一端连接在行导线上；
所述的探测器阵列中β-Ga2O3光吸收层厚度为150-250nm；下电极层厚度为60-120nm；氧化物薄膜绝缘层厚度为180-220nm；上电极层厚度为80-150nm；
所述的叉指电极布置在行导线和列导线分割的空间内，并按导线间距以矩阵方式排列；每一列叉指电极的阳极都接在本列的列导线上，行导线连接每一行叉指电极的阴极；
β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、采用β-Ga2O3单晶基片或者以c面蓝宝石单晶为衬底，采用磁控溅射生长沿着晶面择优生长后原位退火的β-Ga2O3薄膜作为β-Ga2O3光吸收层；
溅射功率80W，溅射气压1Pa，反应气体Ar，沉积温度750℃，沉积时间100min，待薄膜生长完毕，对所得的β-Ga2O3薄膜进行原位退火，退火温度700-800℃，退火时间1-2小时；
步骤二、在β-Ga2O3光吸收层上制备下电极层，得到列导线和叉指电极阵列；
下电极掩模版两个相邻叉指电极的中心间距为1000μm，指宽为10μm，与列导线呈45度角排列，列导线长5000μm，宽50μm，保证每一列叉指电极元件的阳极都接在本列的列导线上；具体步骤如下：
步骤201、在沉积好的β-Ga2O3光吸收层上旋涂AZ5214反转光刻负胶并前烘；
甩胶速度4000rpm，甩胶时间1min，前烘2min，温度为95℃；
步骤202、利用下电极掩膜版在光刻机上曝光；
曝光时间为2s，在105℃下反转烘1min30s后，无掩膜板泛曝光47s；
步骤203、显影后打胶，再利用磁控溅射，物理气相沉积、热蒸发和电子束蒸发镀下电极；
用RX3038显影液显影45s，去离子水清洗30s；利用下电极掩膜版在光刻机上曝光继续用RIE-10打胶30s，利用各向同性的氧等离子体构造出梯度结构、功率为50w、氧流量40sccm、氧压3pa，然后利用物理气相沉积镀Ti/Au电极，溅射功率80w，气氛为Ar；
步骤204、最后用去胶液去胶剥离，得到列导线和叉指电极阵列；
用Remover PG去胶液在70℃下去胶30min，超声清洗10s，去离子水冲洗；
步骤三、在镀好下电极层的样品上制备氧化物薄膜绝缘层；
具体步骤如下：
步骤301、利用原子层沉积或化学气相沉积方法，在样品生长氧化物薄膜；
具体为：在镀好下电极的样品上用等离子体辅助化学气相沉积方法沉积氧化硅绝缘层，SH4和NO作为反应源，沉积温度400℃、功率为800W、沉积时间为66s；
步骤302、在生长好的氧化物薄膜上旋涂AZ5214反转光刻正胶并前烘；
甩胶速度4000rpm，甩胶时间1min，前烘2min，温度为95℃；
步骤303、利用绝缘块阵列掩膜版在光刻机上套刻曝光；
曝光时间为8.5s，用RX3038显影液显影45s，去离子水清洗30s，继续，用RIE-10刻蚀13min，气氛为CHF3、功率为90w、流量30sccm、气压1.3pa；
步骤304、显影后进行刻蚀；
步骤305、最后去胶液去胶剥离得到绝缘块阵列；
用Remover PG去胶液在70℃下去胶30min，超声清洗10s、去离子水冲洗；除横纵导线交叉处有绝缘块，其它部分的绝缘层都被刻蚀掉，露出下电极部分；
绝缘块掩模版上绝缘块边长100μm，中心间距为两个列导线之间的距离1000μm，绝缘块的边长大于导线的宽度，充分保证所有行导线与列导线间绝缘；
步骤四、在沉积好氧化物薄膜绝缘层的样品上制备上电极层，得到行导线；
上电极掩模版导线长5000μm，宽50μm，导线两端接口都有扩大，方便测试引线；
具体步骤如下：
步骤401、在长好绝缘块的样品上旋涂AZ5214反转光刻负胶并前烘；
甩胶速度4000rpm，甩胶时间1min，前烘2min，温度为95℃；
步骤402、利用上电极掩膜版在光刻机上套刻曝光；
曝光时间为2s，在105℃下反转烘1min30s，然后无掩膜板泛曝光47s；
步骤403、显影后打胶，再利用磁控溅射，物理气相沉积、热蒸发和电子束蒸发等方法镀下电极；
用RX3038显影液显影45s，去离子水清洗30s，继续用RIE-10打胶30s，然后利用PVD镀Ti/Au电极；
步骤404、最后去胶液去胶剥离得到行导线；
用Remover PG去胶液在70℃下去胶30min，超声清洗10s、去离子水冲洗；最终，叉指电极两端分别连接行列导线；
步骤五、将制备好的探测器阵列用陶瓷封装器进行封装，得到β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列。
2.如权利要求1所述的一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列，其特征在于，所述的下电极层和上电极层采用Au、Cr、Ti和Al组合作为金属电极材料，下方电极材料与β-Ga2O3薄膜形成欧姆接触，同时上方电极起到叉指电极在空气中稳定的作用；电极材料利用磁控溅射，物理气相沉积、热蒸发和电子束蒸发制备。
3.如权利要求1所述的一种β-Ga2O3基日盲紫外光电探测器阵列，其特征在于，所述的氧化物绝缘层材料选择Al2O3或SiO2；使用原子层沉积或化学气相沉积制备。
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