CN109326681A - 一种双波段紫外光电探测器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双波段紫外光电探测器件及其制备方法，制备方法包括：选取衬底；在衬底表面生长光吸收层；在光吸收层表面形成叉指电极。本发明提供的双波段紫外光电探测器件具有衬底、(InxGa1‑x)2O3材料形成的紫外光吸收层以及叉指电极，在不同In组份的情况下，(InxGa1‑x)2O3材料的光学带隙发生变化(4.9～8.9eV)，在高In组份的情况下，(InxGa1‑x)2O3材料发生相的分离，产生两个光学带隙，对两个紫外光谱范围产生感应，从而实现双波段光信号的探测。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种双波段紫外光电探测器件及其制备方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展、光电技术的不断成熟，紫外光电探测器件在民用和军事领域得到了广泛的应用。紫外成像的探测器可大致分为两类：光阴极探测器和半导体探测器。光阴极探测器主要包括紫外真空二极管、分离型紫外光电倍增管、成像型紫外变像管、紫外增强器及紫外摄像管等。由于探测灵敏度高，光电倍增管在紫外探测方面已经获得了成功的应用，但由于其本身体积大、功耗大、工作电压高，需要滤光片，由此构成的紫外成像系统的体积也较大，而且功耗和成本都较高。半导体探测器是紫外成像型探测器发展的另一个重要方向。与光阴极探测器相比，半导体紫外探测不仅更紧凑，更坚固，具有更高的量子效率，驱动电压更低，而且还能在高温环境中获得更好的稳定性。
但目前大部分光电探测器件都只能探测比较单一的光谱响应范围内的信号，然而，用于光波分复用技术、多光谱测量仪表以及激光警告等都需要能同时检测多个光谱响应范围内的光信号。
因此，解决现有光电探测器件无法实现双波段光信号的探测问题，发展多光谱响应范围的紫外光电探测器件对未来探测多波段信号具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种双波段紫外光电探测器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种双波段紫外光电探测器件的制备方法，包括以下步骤：
选取衬底；
在所述衬底表面生长光吸收层；
在所述光吸收层表面形成叉指电极。
在本发明的一个实施例中，在所述衬底表面生长光吸收层包括：
将氧气和氩气作为溅射气体通入溅射腔；
在预设磁控共溅射条件下，利用磁控共溅射工艺在所述衬底表面溅射(InxGa1-x)2O3材料形成所述光吸收层；
在预设退火条件下，对所述光吸收层进行原位退火。
在本发明的一个实施例中，所述氧气和所述氩气质量百分比纯度均为99.999％，所述氧气流量为5cm3/秒，所述氩气流量为20cm3/秒。
在本发明的一个实施例中，选用质量比纯度大于99.99％的Ga2O3靶材和In2O3靶材作为溅射靶材，所述预设磁控共溅射条件为：衬底温度为610±5℃，真空度为4×10-4Pa-6×10-4Pa，所述Ga2O3靶材溅射功率为100W，所述In2O3靶材溅射功率为50W-90W，溅射靶材基距为5cm，溅射时长为1小时。
在本发明的一个实施例中，在所述光吸收层表面形成叉指电极包括：
将氩气作为溅射气体通入溅射腔；
在预设磁控溅射条件下，采用叉指电极掩膜板，利用磁控溅射工艺在所述光吸收层表面溅射Au材料制备形成所述叉指电极。
在本发明的一个实施例中，所述氩气质量百分比纯度为99.999％，所述氩气流量为20cm3/秒。
在本发明的一个实施例中，选用质量比纯度大于99.99％的Au靶材作为溅射靶材；所述预设磁控溅射条件为：真空度为4×10-4Pa-6×10-4Pa，溅射靶材基距为5cm，工作电流为1A。
在本发明的一个实施例中，一种双波段紫外光电探测器件，包括由上述实施例所述的制备方法制成的衬底、光吸收层、叉指电极。
在本发明的一个实施例中，所述衬底的厚度为200-600μm，所述光吸收层的厚度为300±5nm，所述叉指电极的厚度为120±5nm。
在本发明的一个实施例中，所述叉指电极的指长为2800μm、指宽为200μm、指间距为200μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
由本发明提供的制备方法制备形成的双波段紫外光电探测器件具有(InxGa1-x)2O3材料形成的紫外光吸收层，在不同In组份的情况下，(InxGa1-x)2O3材料的光学带隙发生变化(4.9～8.9eV)，在高In组份的情况下，(InxGa1-x)2O3材料发生相的分离，产生两个光学带隙，对两个紫外光谱范围产生感应，从而实现双波段光信号的探测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的制备双波段紫外光电探测器件的设备结构图；
图2为本发明实施例提供的一种双波段紫外光电探测器件的制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种叉指电极掩膜板的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种双波段紫外光电探测器件的截面结构示意图。
图中，1、衬底；2、光吸收层；3、叉指电极；4、射频电源；5、靶材容器；6、靶材挡板；7、进气口；8、抽气管道；9、基片挡板；10、托盘；11、衬底加热盘；12、旋转机；13、溅射腔室。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的制备双波段紫外光电探测器件的设备结构图。如图所示，该制备设备包括射频电源4、两个靶材容器5、两个靶材挡板6、进气口7、抽气管道8、基片挡板9、托盘10、衬底加热盘11、旋转机12以及溅射腔室13。射频电源4穿过溅射腔室13连接至靶材容器5，用于为溅射靶材提供电源。靶材容器5包括对称的分别放置Ga2O3靶材和In2O3靶材的两个靶材容器，两个靶材挡板6分别设置在两个靶材容器的上方。进气口7能够设置多个气体管道，分别通入不同的气体，在本实施例中，进气口7能够同时通入溅射气体氧气和氩气。抽气管道8连接至真空系统，用于对溅射腔室13进行抽真空。旋转机12的下端依次连接衬底加热盘11和托盘10，能够使得衬底加热盘11和托盘10同时旋转，以保障溅射过程中在衬底表面沉积薄膜的均匀性。
请参见图2，图2为一种双波段紫外光电探测器件的制备方法的流程示意图。一种双波段紫外光电探测器件的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选取衬底；
本发明实施例中选取双面抛光、厚度为200μm-600μm的C面蓝宝石衬底，优选地，C面蓝宝石衬底的厚度为500μm。
衬底选用蓝宝石的理由：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。
C面是指蓝宝石的[0001]晶向，蓝宝石沿[0001]晶向生长的工艺成熟、成本相对较低，物化性能稳定。
S2、在衬底表面生长光吸收层；
具体地，步骤S2包括：
S21、将氧气和氩气作为溅射气体同时通入溅射腔；
其中，氧气和氩气质量百分比纯度均为99.999％，氧气流量为5cm3/秒；氩气流量为20cm3/秒。
S22、在预设磁控共溅射条件下，利用磁控共溅射工艺在衬底表面溅射(InxGa1-x)2O3材料形成光吸收层；
磁控共溅射时，选用质量比纯度大于99.99％的Ga2O3靶材和In2O3靶材作为溅射靶材。
磁控共溅射工艺是指在一定的磁控共溅射条件下，同时溅射Ga2O3靶材和In2O3靶材。
磁控共溅射条件包括：衬底温度、真空度、Ga2O3靶材溅射功率、In2O3靶材溅射功率、溅射靶材基距、溅射时长。其中，溅射靶材基距指溅射靶材到衬底之间的距离。衬底温度为610±5℃，优选地为610℃；真空度为4×10-4Pa-6×10-4Pa，优选地为4.0×10-4Pa；Ga2O3靶材溅射功率为100W；溅射靶材基距为5cm；溅射时长为1小时。通过设定不同的In2O3靶材溅射功率，得到具有不同In组分的(InxGa1-x)2O3材料。当In2O3靶材的溅射功率的调节范围在50W-90W时，生成的(InxGa1-x)2O3材料中的x的取值范围是0.58-0.76。例如，当In2O3靶材溅射功率为60W时，x＝0.51；当In2O3靶材溅射功率为80W时，x＝0.67；当In2O3靶材溅射功率为90W时，x＝0.71。
S23、在预设退火条件下，对光吸收层进行原位退火。
退火条件包括退火温度、退火时长，退火温度为750±5℃，优选地为750℃；退火时长为2小时。
S3、在光吸收层表面形成叉指电极。
具体地，步骤S3包括：
S31、将氩气作为溅射气体通入溅射腔；
其中，氩气质量百分比纯度为99.999％，氩气流量为20cm3/秒。
S32、在预设磁控溅射条件下，采用叉指电极掩膜板，利用磁控溅射工艺在光吸收层表面溅射Au材料制备形成叉指电极。
磁控溅射时，选用质量比纯度大于99.99％的Au靶材作为溅射靶材。
磁控溅射工艺是指利用磁场与电场交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。
磁控溅射条件包括：真空度、溅射靶材基距、工作电流。其中，溅射靶材基距指溅射靶材到衬底之间的距离。真空度为4×10-4Pa-6×10-4Pa，优选地为4.0×10-4Pa，溅射靶材基距为5cm，工作电流为1A。
图3为本发明实施例提供的一种叉指电极掩膜板的结构示意图。
叉指电极掩膜板的形状参数与叉指电极相对应，具体为：指长L为2800μm、指宽D为2000μm、指间距W为200μm。
通过以上步骤S1～S3，制备得到双波段紫外光电探测器件。
实施例二
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种双波段紫外光电探测器件的截面结构示意图。如图4所示，双波段紫外光电探测器件包括衬底1、光吸收层2以及叉指电极3。衬底1、光吸收层2、叉指电极3按顺序由下至上竖直分布，形成多层结构，构成双波段紫外光电探测器件。
其中，衬底1为双面抛光C面蓝宝石衬底，厚度为200-600μm；光吸收层2由(InxGa1-x)2O3材料形成，厚度为300±5nm；叉指电极3的厚度为120±5nm，大小为：指长为2800μm、指宽为200μm、指间距为200μm。
由本发明实施例提供的方法制备形成的双波段紫外光电探测器件具有(InxGa1-x)2O3材料形成的光吸收层，在不同In组份的情况下，(InxGa1-x)2O3材料的光学带隙发生变化(4.9～8.9eV)，在高In组份的情况下，(InxGa1-x)2O3材料发生相的分离，两个相会产生两个不同的光学带隙，对两个紫外光谱范围产生感应，从而实现双波段光信号的探测。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双波段紫外光电探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取衬底；
在所述衬底表面生长光吸收层；
在所述光吸收层表面形成叉指电极。
2.根据权利要求1所述的双波段紫外光电探测器件的制备方法，其特征在于，在所述衬底表面生长光吸收层的步骤包括：
将氧气和氩气作为溅射气体通入溅射腔；
在预设磁控共溅射条件下，利用磁控共溅射工艺在所述衬底表面溅射(InxGa1-x)2O3材料形成所述光吸收层；
在预设退火条件下，对所述光吸收层进行原位退火。
3.根据权利要求2所述的双波段紫外光电探测器件的制备方法，其特征在于，所述氧气和所述氩气质量百分比纯度均为99.999％，所述氧气流量为5cm3/秒，所述氩气流量为20cm3/秒。
4.根据权利要求2所述的双波段紫外光电探测器件的制备方法，其特征在于，选用质量比纯度大于99.99％的Ga2O3靶材和In2O3靶材作为溅射靶材，所述预设磁控共溅射条件为：衬底温度为610±5℃，真空度为4×10-4Pa-6×10-4Pa，所述Ga2O3靶材溅射功率为100W，所述In2O3靶材溅射功率为50W-90W，溅射靶材基距为5cm，溅射时长为1小时。
5.根据权利要求1所述的双波段紫外光电探测器件的制备方法，其特征在于，在所述光吸收层表面形成叉指电极包括：
将氩气作为溅射气体通入溅射腔；
在预设磁控溅射条件下，采用叉指电极掩膜板，利用磁控溅射工艺在所述光吸收层表面溅射Au材料制备形成所述叉指电极。
6.根据权利要求5所述的双波段紫外光电探测器件的制备方法，其特征在于，所述氩气质量百分比纯度为99.999％，所述氩气流量为20cm3/秒。
7.根据权利要求5所述的双波段紫外光电探测器件的制备方法，其特征在于，选用质量比纯度大于99.99％的Au靶材作为溅射靶材；所述预设磁控溅射条件为：真空度为4×10- 4Pa-6×10-4Pa，溅射靶材基距为5cm，工作电流为1A。
8.一种双波段紫外光电探测器件，其特征在于，包括由权利要求1至7中任一项所述的制备方法制成的衬底(1)、光吸收层(2)、叉指电极(3)。
9.根据权利要求8所述的双波段紫外光电探测器件，其特征在于，所述衬底(1)的厚度为200-600μm，所述光吸收层(2)的厚度为300±5nm，所述叉指电极(3)的厚度为120±5nm。
10.根据权利要求8所述的双波段紫外光电探测器件，其特征在于，所述叉指电极的指长为2800μm、指宽为200μm、指间距为200μm。
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| CN113921627A (zh) * | 2021-09-18 | 2022-01-11 | 厦门大学 | 一种（InxGa1-x）2O3日盲紫外光电探测器及其制备方法 |
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| CN1677683A (zh) * | 2005-04-27 | 2005-10-05 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 紫外双波段氮化镓探测器 |
| JP2009044019A (ja) * | 2007-08-10 | 2009-02-26 | Nippon Light Metal Co Ltd | 酸化ガリウム‐酸化インジウム混晶の製造方法及び製造された混晶を用いた受光素子 |
| CN103943720A (zh) * | 2014-03-27 | 2014-07-23 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种自驱动式氧锌镁紫外探测器及其制备方法 |
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2018
- 2018-08-09 CN CN201810900367.7A patent/CN109326681B/zh active Active
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