CN109148635A - CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管及制备方法 - Google Patents
CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，包括顶电极和底电极，两电极之间由顶电极向底电极方向依次设置有P型晶体CuAlO2薄膜、I型晶体β‑Ga2O3薄膜和N型单晶β‑Ga2O3衬底，本发明还公开了一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，本发明解决了现有技术中由于p型Ga2O3材料的缺乏而无法制备Ga2O3基PIN紫外光电二极管的问题。
Description
技术领域
本发明属于紫外光电探测应用技术领域，具体涉及一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，本发明还涉及一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法。
背景技术
紫外探测技术是近年来快速发展的光电探测技术之一。日盲紫外光(波长200～280nm)在大气中近乎零背景信号的优点，工作于该波段的日盲紫外探测器具有虚警率低的特点，在高压输电线检测、气象预警、火灾预警等民用领域和导弹识别跟踪、舰载通讯等军事领域具有重要的应用前景。氧化镓作为一种新型的直接带隙宽禁带半导体材料，其禁带宽度为4.9eV，对应的吸收波长为253nm，在深紫外光区具有高光电响应特性，在深紫外日盲光电探测器领域具有巨大的应用潜力。
目前，Ga2O3紫外光电探测器主要肖特基(MSM)结构。与MSM结构光电探测器相比，PIN结构的光电探测器具有更大的光电响应度和更快的相应速度。然而，由于氧空位的存在，p型Ga2O3材料的制备至今没有取得有效的进展。p型Ga2O3材料的缺乏使得Ga2O3基PIN结构紫外光电二极管难以实现，从而制约了Ga2O3材料在紫外光电探测领域中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，解决了现有技术中由于p型Ga2O3材料的缺乏而无法制备Ga2O3基PIN紫外光电二极管的问题。
本发明的另一目的是提供一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法。
本发明所采用第一的技术方案是，一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，包括顶电极和底电极，两电极之间由顶电极向底电极方向依次设置有P型晶体CuAlO2薄膜、I型晶体β-Ga2O3薄膜和N型单晶β-Ga2O3衬底。
本发明第一技术方案的特点还在于，
顶电极和底电极材料为Au、Al、Ni、Cu、Pb金属材料，或者包含这些金属材料的合金或ITO导电性化合物。
N型单晶β-Ga2O3衬底为掺杂Sn、Si、Al的β-Ga2O3(-201)、β-Ga2O3(001)或β-Ga2O3(010)材料；I型晶体β-Ga2O3薄膜为无掺杂的β-Ga2O3层，掺杂浓度约为在1015cm～3。
P型晶体CuAlO2薄膜掺杂浓度为1017～1018cm～3。
本发明所采用第二的技术方案是，一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对N型单晶β-Ga2O3衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用；
步骤2、在步骤1清洗后的N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长；
步骤3、在步骤2得到的本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长；
步骤4、在步骤3得到的P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极；
步骤5、对N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极，最终形成所述CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管。
本发明第二技术方案的特点还在于，
步骤1中清洗流程为：使用清洗液～丙酮～酒精～去离子水逐步对样品进行清洗。
步骤2中N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长时沉积时利用化学气相沉积设备，以纯度为99.99999％的金属镓作为镓源，金属镓加热温度为800～900℃，用氩气作为载气，氩气流量控制为100～200毫升/分，将反应腔加热至900～1050℃，通入氧气作为生长源气体，氧气流量控制为5～10毫升/分，生长时间控制为0.2～3小时。
步骤3中本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长时以Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O为Cu源和Al源，聚乙烯醇PVA为稳定剂，采用溶胶～凝胶法在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型晶体CuAlO2异质外延层生长，具体如下：
步骤3.1、配置溶胶：按摩尔比1:1分别取Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O放置于烧瓶中，向烧瓶中加入聚乙烯醇PVA和去离子水，使溶液中聚乙烯醇PVA浓度为0.05mol/L～0.15mol/L；
步骤3.2、将烧瓶至于磁力搅拌器中并安装好冷凝回流装置，水浴加热并搅拌，控制水浴温度为80℃～90℃，控制加热时间为3～5h，加热结束后冷却至室温；
步骤3.3、将配置好的溶胶在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行旋涂，旋涂时匀胶机旋涂转速为2500～3000rpm，旋转时间为30～45s，旋涂后将样品在空气环境中热处理5～10min，热处理温度300℃～400℃；
步骤3.4、加热处理后待样品在空气中冷却至室温后再进行下一次旋涂及热处理，通过调整上述旋涂及热处理重复次数控制CuAlO2异质外延层厚度；
步骤3.5、CuAlO2异质外延层生长完毕后，将样品放置于Ar气环境中进行退火处理，退火温度为900℃～1100℃，退火时间4～6h。
步骤4中P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极时采用磁控溅射，首先以Ti作为靶材，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为0.1～10Pa，溅射功率控制为100～200瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为2～4Pa，溅射功率为10～20mW。
步骤5中对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极时采用磁控溅射，首先以Ni作为靶材，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为0.1～10Pa，溅射功率控制为100～200瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为2～4Pa，溅射功率为10～20mW。
本发明的有益效果是，CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，首次采用了具有卓越光学性能的Ga2O3材料，充分发挥该材料在深紫外光区域和可见光区域的极高光透率的特点；同时，与SiC、GaN等材料相比，Ga2O3材料具有更大的禁带宽度和更高的临界击穿电场强度，使得本发明的CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管具有更高的耐压水平。在高温、高压、高频和高辐射等极端条件下，采用本发明CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的新型PIN紫外光电探测器不仅探测性能优于目前的PIN紫外光电探测器，且器件的可靠性也大幅提高，因此更适用于上述极端环境；
通过I型Ga2O3层厚度和掺杂浓度的设计，可使空间电荷区的宽度增加，使光生载流子增多，提高光电转换效率。同时，I型晶体β-Ga2O3薄膜将减小结电容，缩短响应时间，提高频率响应特性；另外，I型晶体β-Ga2O3薄膜的增加，可以分担大部分的反向偏压，并且有利于抑制暗电流。因此，与Ga2O3MSM光电探测器相比，CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管具有更大的光电响应度和更快的响应速度。
附图说明
图1是本发明一种CuAlO2/Ga2O3的PIN结构紫外光电二极的结构示意图；
图2是本发明一种CuAlO2/Ga2O3的PIN结构紫外光电二极制备方法流程图。
图中，1.顶电极，2.P型晶体CuAlO2薄膜，3.I型晶体β-Ga2O3薄膜，4.N型单晶β-Ga2O3衬底，5.底电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，结构如图1所示，顶电极1和底电极5，两电极之间由顶电极1向底电极5方向依次设置有P型晶体CuAlO2薄膜2、I型晶体β-Ga2O3薄膜3和N型单晶β-Ga2O3衬底4。
顶电极和底电极材料为Au、Al、Ni、Cu、Pb金属材料，或者包含这些金属材料的合金或ITO导电性化合物。
N型单晶β-Ga2O3衬底为掺杂Sn、Si、Al的β-Ga2O3(-201)、β-Ga2O3(001)或β-Ga2O3(010)材料；I型晶体β-Ga2O3薄膜为无掺杂的β-Ga2O3层，掺杂浓度约为在1015cm～3。
P型晶体CuAlO2薄膜掺杂浓度为1017～1018cm～3。
一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，流程图如图2所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对N型单晶β-Ga2O3衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用其中，清洗流程为：使用清洗液～丙酮～酒精～去离子水逐步对样品进行清洗；
步骤2、在所述步骤1清洗后的N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长，N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长时沉积时利用化学气相沉积设备，以纯度为99.99999％的金属镓作为镓源，金属镓加热温度为800～900℃，用氩气作为载气，氩气流量控制为100～200毫升/分，将反应腔加热至900～1050℃，通入氧气作为生长源气体，氧气流量控制为5～10毫升/分，生长时间控制为0.2～3小时；
步骤3、在所述步骤2得到的本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长，本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长时以Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O为Cu源和Al源，聚乙烯醇PVA为稳定剂，采用溶胶～凝胶法在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型晶体CuAlO2异质外延层生长，具体如下：
步骤3.1、配置溶胶：按摩尔比1:1分别取Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O放置于烧瓶中，向烧瓶中加入聚乙烯醇PVA和去离子水，使溶液中聚乙烯醇PVA浓度为0.05mol/L～0.15mol/L；
步骤3.2、将烧瓶至于磁力搅拌器中并安装好冷凝回流装置，水浴加热并搅拌，控制水浴温度为80℃～90℃，控制加热时间为3～5h，加热结束后冷却至室温；
步骤3.3、将配置好的溶胶在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行旋涂，旋涂时匀胶机旋涂转速为2500～3000rpm，旋转时间为30～45s，旋涂后将样品在空气环境中热处理5～10min，热处理温度300℃～400℃；
步骤3.4、加热处理后待样品在空气中冷却至室温后再进行下一次旋涂及热处理，通过调整上述旋涂及热处理重复次数控制CuAlO2异质外延层厚度；
步骤3.5、CuAlO2异质外延层生长完毕后，将样品放置于Ar气环境中进行退火处理，退火温度为900℃～1100℃，退火时间4～6h；
步骤4、在所述步骤3得到的P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极，P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极时采用磁控溅射，首先以Ti作为靶材，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为0.1～10Pa，溅射功率控制为100～200瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为2～4Pa，溅射功率为10～20mW；
步骤5、对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极，最终形成所述CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其中，对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极时采用磁控溅射，首先以Ni作为靶材，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为0.1～10Pa，溅射功率控制为100～200瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为2～4Pa，溅射功率为10～20mW。
本发明一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，提高了Ga2O3基紫外光电探测器的响应度和响应速度，并且更适用于高温、高压、高频和高辐射等极端环境条件。
实施例1
一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对N型单晶β-Ga2O3衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用其中，清洗流程为：使用清洗液～丙酮～酒精～去离子水逐步对样品进行清洗；
步骤2、在步骤1清洗后的N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长，N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长时沉积时利用化学气相沉积设备，以纯度为99.99999％的金属镓作为镓源，金属镓加热温度为800℃，用氩气作为载气，氩气流量控制为200毫升/分，将反应腔加热至1050℃，通入氧气作为生长源气体，氧气流量控制为5毫升/分，生长时间控制为3小时；
步骤3、在所述步骤2得到的本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长，本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长时以Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O为Cu源和Al源，聚乙烯醇PVA为稳定剂，采用溶胶～凝胶法在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型晶体CuAlO2异质外延层生长，具体如下：
步骤3.1、配置溶胶：按摩尔比1:1分别取Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O放置于烧瓶中，向烧瓶中加入聚乙烯醇PVA和去离子水，使溶液中聚乙烯醇PVA浓度为0.15mol/L；
步骤3.2、将烧瓶至于磁力搅拌器中并安装好冷凝回流装置，水浴加热并搅拌，控制水浴温度为90℃，控制加热时间为5h，加热结束后冷却至室温；
步骤3.3、将配置好的溶胶在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行旋涂，旋涂时匀胶机旋涂转速为3000rpm，旋转时间为30s，旋涂后将样品在空气环境中热处理5min，热处理温度400℃；
步骤3.4、加热处理后待样品在空气中冷却至室温后再进行下一次旋涂及热处理，通过调整上述旋涂及热处理重复次数控制CuAlO2异质外延层厚度；
步骤3.5、CuAlO2异质外延层生长完毕后，将样品放置于Ar气环境中进行退火处理，退火温度为1100℃，退火时间4h；
步骤4、在所述步骤3得到的P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极，P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极时采用磁控溅射，首先以Ti作为靶材，沉积时间控制为0.1小时，沉积压强控制为10Pa，溅射功率控制为100瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.1小时，沉积压强控制为4Pa，溅射功率为20mW；
步骤5、对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极，最终形成所述CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其中，对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极时采用磁控溅射，首先以Ni作为靶材，沉积时间控制为2小时，沉积压强控制为0.1Pa，溅射功率控制为200瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.1小时，沉积压强控制为4Pa，溅射功率为20mW。
实施例2
一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对N型单晶β-Ga2O3衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用其中，清洗流程为：使用清洗液～丙酮～酒精～去离子水逐步对样品进行清洗；
步骤2、在所述步骤1清洗后的N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长，N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长时沉积时利用化学气相沉积设备，以纯度为99.99999％的金属镓作为镓源，金属镓加热温度900℃，用氩气作为载气，氩气流量控制为100毫升/分，将反应腔加热至900℃，通入氧气作为生长源气体，氧气流量控制为10毫升/分，生长时间控制为0.2小时；
步骤3、在所述步骤2得到的本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长，本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长时以Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O为Cu源和Al源，聚乙烯醇PVA为稳定剂，采用溶胶～凝胶法在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型晶体CuAlO2异质外延层生长，具体如下：
步骤3.1、配置溶胶：按摩尔比1:1分别取Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O放置于烧瓶中，向烧瓶中加入聚乙烯醇PVA和去离子水，使溶液中聚乙烯醇PVA浓度为0.05mol/Lmol/L；
步骤3.2、将烧瓶至于磁力搅拌器中并安装好冷凝回流装置，水浴加热并搅拌，控制水浴温度为80℃℃，控制加热时间为3h，加热结束后冷却至室温；
步骤3.3、将配置好的溶胶在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行旋涂，旋涂时匀胶机旋涂转速为2500rpm，旋转时间为45s，旋涂后将样品在空气环境中热处理10min，热处理温度300℃℃；
步骤3.4、加热处理后待样品在空气中冷却至室温后再进行下一次旋涂及热处理，通过调整上述旋涂及热处理重复次数控制CuAlO2异质外延层厚度；
步骤3.5、CuAlO2异质外延层生长完毕后，将样品放置于Ar气环境中进行退火处理，退火温度为900℃℃，退火时间6h；
步骤4、在所述步骤3得到的P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极，P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极时采用磁控溅射，首先以Ti作为靶材，沉积时间控制为0.1小时，沉积压强控制为10Pa，溅射功率控制为100瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为2小时，沉积压强控制为2Pa，溅射功率为10mW；
步骤5、对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极，最终形成所述CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其中，对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极时采用磁控溅射，首先以Ni作为靶材，沉积时间控制为0.1小时，沉积压强控制为10Pa，溅射功率控制为100瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为2小时，沉积压强控制为2Pa，溅射功率为10mW。
实施例3
一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对N型单晶β-Ga2O3衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用其中，清洗流程为：使用清洗液～丙酮～酒精～去离子水逐步对样品进行清洗；
步骤2、在所述步骤1清洗后的N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长，N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长时沉积时利用化学气相沉积设备，以纯度为99.99999％的金属镓作为镓源，金属镓加热温度为850℃，用氩气作为载气，氩气流量控制为110毫升/分，将反应腔加热至950℃，通入氧气作为生长源气体，氧气流量控制为6毫升/分，生长时间控制为1小时；
步骤3、在所述步骤2得到的本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长，本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长时以Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O为Cu源和Al源，聚乙烯醇PVA为稳定剂，采用溶胶～凝胶法在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型晶体CuAlO2异质外延层生长，具体如下：
步骤3.1、配置溶胶：按摩尔比1:1分别取Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O放置于烧瓶中，向烧瓶中加入聚乙烯醇PVA和去离子水，使溶液中聚乙烯醇PVA浓度为0.1mol/L；
步骤3.2、将烧瓶至于磁力搅拌器中并安装好冷凝回流装置，水浴加热并搅拌，控制水浴温度为82℃，控制加热时间为3.5h，加热结束后冷却至室温；
步骤3.3、将配置好的溶胶在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行旋涂，旋涂时匀胶机旋涂转速为2700rpm，旋转时间为35s，旋涂后将样品在空气环境中热处理8min，热处理温度320℃；
步骤3.4、加热处理后待样品在空气中冷却至室温后再进行下一次旋涂及热处理，通过调整上述旋涂及热处理重复次数控制CuAlO2异质外延层厚度；
步骤3.5、CuAlO2异质外延层生长完毕后，将样品放置于Ar气环境中进行退火处理，退火温度为1000℃，退火时间5h；
步骤4、在所述步骤3得到的P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极，P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极时采用磁控溅射，首先以Ti作为靶材，沉积时间控制为1小时，沉积压强控制为2Pa，溅射功率控制为110瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为1小时，沉积压强控制为3Pa，溅射功率为12mW；
步骤5、对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极，最终形成所述CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其中，对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极时采用磁控溅射，首先以Ni作为靶材，沉积时间控制为1.5小时，沉积压强控制为3Pa，溅射功率控制为120瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为1.5小时，沉积压强控制为3Pa，溅射功率为15mW。
实施例4
一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对N型单晶β-Ga2O3衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用其中，清洗流程为：使用清洗液～丙酮～酒精～去离子水逐步对样品进行清洗；
步骤2、在所述步骤1清洗后的N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长，N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长时沉积时利用化学气相沉积设备，以纯度为99.99999％的金属镓作为镓源，金属镓加热温度为860℃，用氩气作为载气，氩气流量控制为150毫升/分，将反应腔加热至950℃，通入氧气作为生长源气体，氧气流量控制为7毫升/分，生长时间控制为2小时；
步骤3、在所述步骤2得到的本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长，本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长时以Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O为Cu源和Al源，聚乙烯醇PVA为稳定剂，采用溶胶～凝胶法在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型晶体CuAlO2异质外延层生长，具体如下：
步骤3.1、配置溶胶：按摩尔比1:1分别取Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O放置于烧瓶中，向烧瓶中加入聚乙烯醇PVA和去离子水，使溶液中聚乙烯醇PVA浓度为0.12mol/L；
步骤3.2、将烧瓶至于磁力搅拌器中并安装好冷凝回流装置，水浴加热并搅拌，控制水浴温度为85℃，控制加热时间为3～5h，加热结束后冷却至室温；
步骤3.3、将配置好的溶胶在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行旋涂，旋涂时匀胶机旋涂转速为2700rpm，旋转时间为35s，旋涂后将样品在空气环境中热处理9min，热处理温度340℃；
步骤3.4、加热处理后待样品在空气中冷却至室温后再进行下一次旋涂及热处理，通过调整上述旋涂及热处理重复次数控制CuAlO2异质外延层厚度；
步骤3.5、CuAlO2异质外延层生长完毕后，将样品放置于Ar气环境中进行退火处理，退火温度为1050℃，退火时间4.5h；
步骤4、在所述步骤3得到的P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极，P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极时采用磁控溅射，首先以Ti作为靶材，沉积时间控制为1.5小时，沉积压强控制为60Pa，溅射功率控制为150瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为1.5小时，沉积压强控制为3Pa，溅射功率为15mW；
步骤5、对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极，最终形成所述CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其中，对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极时采用磁控溅射，首先以Ni作为靶材，沉积时间控制为2小时，沉积压强控制为4Pa，溅射功率控制为130瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.8小时，沉积压强控制为2.5Pa，溅射功率为17mW。
实施例5
一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对N型单晶β-Ga2O3衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用其中，清洗流程为：使用清洗液～丙酮～酒精～去离子水逐步对样品进行清洗；
步骤2、在所述步骤1清洗后的N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长，N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长时沉积时利用化学气相沉积设备，以纯度为99.99999％的金属镓作为镓源，金属镓加热温度为860℃，用氩气作为载气，氩气流量控制为160毫升/分，将反应腔加热至1000℃，通入氧气作为生长源气体，氧气流量控制为9毫升/分，生长时间控制为2.5小时；
步骤3、在所述步骤2得到的本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长，本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长时以Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O为Cu源和Al源，聚乙烯醇PVA为稳定剂，采用溶胶～凝胶法在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型晶体CuAlO2异质外延层生长，具体如下：
步骤3.1、配置溶胶：按摩尔比1:1分别取Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O放置于烧瓶中，向烧瓶中加入聚乙烯醇PVA和去离子水，使溶液中聚乙烯醇PVA浓度为0.12mol/L；
步骤3.2、将烧瓶至于磁力搅拌器中并安装好冷凝回流装置，水浴加热并搅拌，控制水浴温度为80℃～90℃，控制加热时间为3～5h，加热结束后冷却至室温；
步骤3.3、将配置好的溶胶在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行旋涂，旋涂时匀胶机旋涂转速为2650rpm，旋转时间为42s，旋涂后将样品在空气环境中热处理8min，热处理温度390℃；
步骤3.4、加热处理后待样品在空气中冷却至室温后再进行下一次旋涂及热处理，通过调整上述旋涂及热处理重复次数控制CuAlO2异质外延层厚度；
步骤3.5、CuAlO2异质外延层生长完毕后，将样品放置于Ar气环境中进行退火处理，退火温度为1060℃，退火时间5.5h；
步骤4、在所述步骤3得到的P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极，P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极时采用磁控溅射，首先以Ti作为靶材，沉积时间控制为1.5小时，沉积压强控制为8.5Pa，溅射功率控制为160瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为1.5小时，沉积压强控制为3Pa，溅射功率为14mW；
步骤5、对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极，最终形成所述CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其中，对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极时采用磁控溅射，首先以Ni作为靶材，沉积时间控制为1.5小时，沉积压强控制为8Pa，溅射功率控制为130瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为1小时，沉积压强控制为3.5Pa，溅射功率为15mW。
Claims (10)
1.一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其特征在于，包括顶电极(1)和底电极(5)，两电极之间由顶电极(1)向底电极(5)方向依次设置有P型晶体CuAlO2薄膜(2)、I型晶体β-Ga2O3薄膜(3)和N型单晶β-Ga2O3衬底(4)。
2.根据权利要求1所述的一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其特征在于，所述顶电极(1)和底电极(5)材料为Au、Al、Ni、Cu、Pb金属材料，或者包含这些金属材料的合金或ITO导电性化合物。
3.根据权利要求1所述的一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其特征在于，所述N型单晶β-Ga2O3衬底(4)为掺杂Sn、Si、Al的β-Ga2O3(-201)、β-Ga2O3(001)或β-Ga2O3(010)材料；I型晶体β-Ga2O3薄膜(3)为无掺杂的β-Ga2O3层，掺杂浓度约为在1015cm～3。
4.根据权利要求1所述的一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管，其特征在于，所述P型晶体CuAlO2薄膜(2)掺杂浓度为1017～1018cm～3。
5.一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对N型单晶β-Ga2O3衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干待用；
步骤2、在所述步骤1清洗后的N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长；
步骤3、在所述步骤2得到的本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长；
步骤4、在所述步骤3得到的P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极；
步骤5、对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极，最终形成所述CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管。
6.根据权利要求5所述的一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中清洗流程为：使用清洗液～丙酮～酒精～去离子水逐步对样品进行清洗。
7.根据权利要求5所述的一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤2中N型单晶β-Ga2O3衬底上进行本征单晶β-Ga2O3同质外延层生长时沉积时利用化学气相沉积设备，以纯度为99.99999％的金属镓作为镓源，金属镓加热温度为800～900℃，用氩气作为载气，氩气流量控制为100～200毫升/分，将反应腔加热至900～1050℃，通入氧气作为生长源气体，氧气流量控制为5～10毫升/分，生长时间控制为0.2～3小时。
8.根据权利要求5所述的一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤3中本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层生长时以Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O为Cu源和Al源，聚乙烯醇PVA为稳定剂，采用溶胶～凝胶法在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行P型晶体CuAlO2异质外延层生长，具体如下：
步骤3.1、配置溶胶：按摩尔比1:1分别取Cu(NO3)2·5H2O和Al(NO3)3·9H2O放置于烧瓶中，向烧瓶中加入聚乙烯醇PVA和去离子水，使溶液中聚乙烯醇PVA浓度为0.05mol/L～0.15mol/L；
步骤3.2、将烧瓶至于磁力搅拌器中并安装好冷凝回流装置，水浴加热并搅拌，控制水浴温度为80℃～90℃，控制加热时间为3～5h，加热结束后冷却至室温；
步骤3.3、将配置好的溶胶在本征单晶β-Ga2O3同质外延层上进行旋涂，旋涂时匀胶机旋涂转速为2500～3000rpm，旋转时间为30～45s，旋涂后将样品在空气环境中热处理5～10min，热处理温度300℃～400℃；
步骤3.4、加热处理后待样品在空气中冷却至室温后再进行下一次旋涂及热处理，通过调整上述旋涂及热处理重复次数控制CuAlO2异质外延层厚度；
步骤3.5、CuAlO2异质外延层生长完毕后，将样品放置于Ar气环境中进行退火处理，退火温度为900℃～1100℃，退火时间4～6h。
9.根据权利要求5所述的一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤4中P型重掺杂晶体CuAlO2异质外延层上制作顶电极时采用磁控溅射，首先以Ti作为靶材，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为0.1～10Pa，溅射功率控制为100～200瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为2～4Pa，溅射功率为10～20mW。
10.根据权利要求5所述的一种CuAlO2/Ga2O3紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤5中对所述N型单晶β-Ga2O3衬底下表面制作底电极时采用磁控溅射，首先以Ni作为靶材，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为0.1～10Pa，溅射功率控制为100～200瓦；之后以Au作为溅射靶材在Ni层表面溅射形成Au层，沉积时间控制为0.1～2小时，沉积压强控制为2～4Pa，溅射功率为10～20mW。
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