CN110676339B - 一种氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对于氧化镓纳米晶薄膜在日盲紫外光电探测方面的应用，具体涉及一种氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器及其制备方法。本发明采用单晶Si作为衬底，并采用电子束蒸发技术，在其上先沉积SiO2薄膜隔离层；然后再沉积Ga2O3薄膜日盲紫外吸收层，经过退火处理使吸收层形成纳米晶结构；再通过电子束蒸发及快速热处理技术将Au/Ti双层金属叉指电极制备于吸收层上，即可得到成本低廉、工艺要求简单、重复性好、可大规模制造且具有良好光电响应的日盲紫外光探测器件。
Description
技术领域
本发明涉及对于氧化镓纳米晶薄膜在日盲紫外光电探测方面的应用，具体涉及一种氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器及其制备方法。
背景技术
氧化镓(Ga2O3)是一种新型的宽禁带半导体材料，由于其优秀的物理特性以及良好的化学稳定性，在半导体光电器件制备中展现出广阔的应用前景；特别是其禁带宽度达4.9eV，对光的吸收波长小于280nm，使其成为制备日盲紫外探测器件的首选材料之一。
目前用于日盲紫外探测的氧化镓主要分为单晶块体、纳米结构和薄膜材料。Ga2O3单晶材料在制备过程中对设备和工艺要求极高，因此导致制备成本昂贵。而纳米线结构虽然能带来优异的光电性能，但在制备中长出的纳米线或纳米带常常取向杂乱、相互缠绕、尺寸不一、机械强度低，使其离实际应用还有很大差距。
近年来基于薄膜制备技术的成熟发展，Ga2O3薄膜日盲紫外探测器成为探测器发展的主流方式，但是目前的Ga2O3薄膜日盲紫外探测器大多以昂贵的蓝宝石和Ga2O3单晶材料为外延衬底，采用工艺控制要求较高的外延技术生长制备而成，制约了器件制备效率的提高和制备成本的降低。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决制备氧化镓日盲紫外探测器过程中的制备工艺复杂和成本较高的问题，提供一种氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器及其制备方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于：步骤为：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层50-300nm厚的SiO2薄膜；
2)在50℃加热温度及5Am枪灯丝束流条件下再沉积一层100-400nm厚的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在600-1000℃温度下进行1-3小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200-500℃温度下对电极进行180s的快速退火，制得日盲紫外探测器件。
所述的制备方法制得的氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明采用电子束蒸发技术结合热处理退火工艺制备Ga2O3多晶薄膜，具有制备成本低、工艺要求简单、而且重复性好和可大规模制造等优点；
2)本发明首先是在低成本的单晶Si衬底上制备日盲紫外探测器件，通过SiO2阻挡层的引入，屏蔽掉了衬底对入射光线的光电响应；其次，采用纳米晶Ga2O3薄膜作为器件对日盲紫外的吸收层，降低了薄膜制备工艺难度和对昂贵设备的依赖；
3)本发明制备的日盲紫外探测器件中的所有膜层，包括SiO2阻挡层、Ga2O3吸收层和Au/Ti金属电极层均采用同一种制备技术沉积而成，简化了制备过程，提高了制备效率。
附图说明：
图1为日盲紫外探测器件结构的截面图；
图2为日盲紫外探测器件的立体示意图；
图3不同退火温度下Ga2O3薄膜的XRD测试结果；
图4根据XRD测试结果计算得到的不同温度退火后Ga2O3薄膜晶粒尺寸变化情况；
图5为实施例5中制备得到的器件对紫外光的响应情况；
图6为实施例6中制备得到的器件对紫外光的响应情况。
具体实施方式
本发明提供一种氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器的制备方法，步骤为：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层50-300nm厚的SiO2薄膜；
2)在50℃加热温度及5Am枪灯丝束流条件下再沉积一层100-40nm厚的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在600-1000℃温度下进行1-3小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；薄膜晶相结构参考图3，薄膜晶粒大小参考图4；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200-500℃温度下对电极进行180s的快速退火，使电极与薄膜之间形成良好的接触，最终完成日盲紫外探测器件的制备，如图1和2所示。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层100nm厚的SiO2薄膜；
2)将纯度高于99.995％的Ga2O3粉，经真空烧结后的压胚粉碎成3-5mm大小的不规则颗粒作为起镀膜料，将起镀膜料放于坩埚中，调整枪灯丝束流至50mA对膜料进行加热蒸发，蒸发过程中对衬底烘烤温度控制在150℃，并通入分压为2.0×10-2Pa、纯度为99.999％的氧气，在SiO2薄膜上沉积一层厚200nm的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在600℃温度下进行1小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200℃温度下对电极进行180s的快速退火，制得日盲紫外探测器件。
实施例2：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层50nm厚的SiO2薄膜；
2)将纯度高于99.995％的Ga2O3粉，经真空烧结后的压胚粉碎成3-5mm大小的不规则颗粒作为起镀膜料，将起镀膜料放于坩埚中，调整枪灯丝束流至40mA对膜料进行加热蒸发，蒸发过程中对衬底烘烤温度控制在100℃，并通入分压为2.0×10-2Pa、纯度为99.999％的氧气，在SiO2薄膜上沉积一层厚200nm的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在700℃温度下进行1小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200℃温度下对电极进行180s的快速退火，制得日盲紫外探测器件。
实施例3：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层300nm厚的SiO2薄膜；
2)将纯度高于99.995％的Ga2O3粉，经真空烧结后的压胚粉碎成3-5mm大小的不规则颗粒作为起镀膜料，将起镀膜料放于坩埚中，调整枪灯丝束流至30mA对膜料进行加热蒸发，蒸发过程中对衬底烘烤温度控制在100℃，并通入分压为2.0×10-2Pa、纯度为99.999％的氧气，在SiO2薄膜上沉积一层厚100nm的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在800℃温度下进行1小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200℃温度下对电极进行180s的快速退火，制得日盲紫外探测器件。
实施例4：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层200nm厚的SiO2薄膜；
2)将纯度高于99.995％的Ga2O3粉，经真空烧结后的压胚粉碎成3-5mm大小的不规则颗粒作为起镀膜料，将起镀膜料放于坩埚中，调整枪灯丝束流至20mA对膜料进行加热蒸发，蒸发过程中对衬底烘烤温度控制在80℃，并通入分压为2.0×10-2Pa、纯度为99.999％的氧气，在SiO2薄膜上沉积一层厚300nm的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在700℃温度下进行2小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200℃温度下对电极进行180s的快速退火，制得日盲紫外探测器件。
从图5中可以看出，所制备的日盲器件在无光照或日光环境中，外电场为10V的测试条件下，电流低至10-10A，显示出良好的暗电流特性；当采用254nm紫外光源对器件照射时，外加电场不变，器件有明显的光电流输出，光电流峰值可达2.48×10-7A，光暗电流比可达300，展示出较好的光电响应特性；而当采用365nm紫外光源对器件照射外加电场不变时，器件无明显的光电流输出，说明器件仅针对日盲紫外具有光电响应特性。
实施例5：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层200nm厚的SiO2薄膜；
2)将纯度高于99.995％的Ga2O3粉，经真空烧结后的压胚粉碎成3-5mm大小的不规则颗粒作为起镀膜料，将起镀膜料放于坩埚中，调整枪灯丝束流至10mA对膜料进行加热蒸发，蒸发过程中对衬底烘烤温度控制在50℃，并通入分压为2.0×10-2Pa、纯度为99.999％的氧气，在SiO2薄膜上沉积一层厚200nm的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在900℃温度下进行3小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200℃温度下对电极进行180s的快速退火，制得日盲紫外探测器件。
实施例6：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层200nm厚的SiO2薄膜；
2)将纯度高于99.995％的Ga2O3粉，经真空烧结后的压胚粉碎成3-5mm大小的不规则颗粒作为起镀膜料，将起镀膜料放于坩埚中，调整枪灯丝束流至20mA对膜料进行加热蒸发，蒸发过程中对衬底烘烤温度控制在130℃，并通入分压为2.0×10-2Pa、纯度为99.999％的氧气，在SiO2薄膜上沉积一层厚300nm的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在800℃温度下进行2小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200℃温度下对电极进行180s的快速退火，制得日盲紫外探测器件。
从图6中可以看出，器件对254nm的日盲紫外光有明显响应，但同时暗电流也有所增大，导致光暗电流比降低仅为45。说明器件对日盲紫外光的响应程度与薄膜制备工艺密切相关。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于：步骤为：
1)以单晶硅为衬底，采用电子束蒸发的方式，在Si衬底上沉积一层200nm厚的SiO2薄膜；
2)将纯度高于99.995％的Ga2O3粉，经真空烧结后的压胚粉碎成3-5mm大小的不规则颗粒作为起镀膜料，将起镀膜料放于坩埚中，调整枪灯丝束流至20mA对膜料进行加热蒸发，蒸发过程中对衬底烘烤温度控制在80℃，并通入分压为2.0×10-2Pa、纯度为99.999％的氧气，在SiO2薄膜上沉积一层厚300nm的Ga2O3薄膜；
3)将步骤2)获得的薄膜样品取出，放置于退火炉中，在700℃温度下进行2小时退火处理，使Ga2O3薄膜晶化生成β-Ga2O3相；
4)将叉指电极掩模版覆盖在步骤3)得到的Ga2O3薄膜表面，两者一起固定在样品架上，采用电子束蒸发的方式在对样品架上的样品表面沉积一层100nm厚的钛膜，然后再沉积一层100nm厚的Au膜，形成双层金属叉指电极；
5)将双层金属叉指电极放置于快速退火炉中，在200℃温度下对电极进行180s的快速退火，制得日盲紫外探测器件。
2.权利要求1所述的制备方法制得的氧化镓纳米晶薄膜日盲紫外探测器。
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