CN111864005B - 氧化镓基pn结光电探测器、远程电晕监测系统及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于监测领域，具体涉氧化镓基PN结光电探测器、远程电晕监测系统及制作方法，氧化镓基PN结光电探测器包括依次层叠设置的蓝宝石单晶衬底、n型Sn:β‑Ga2O3薄膜和p型Zn:La2O3薄膜，设置于所述Zn:La2O3薄膜远离所述Sn:β‑Ga2O3薄膜一侧的第一Ti/Au条形薄膜电极，以及设置于所述Sn:β‑Ga2O3薄膜一侧远离所述蓝宝石衬底一侧的第二Ti/Au条形薄膜电极，其中，Zn:La2O3薄膜的面积为所述Sn:β‑Ga2O3薄膜面积的二分之一；所述Sn:β‑Ga2O3薄膜中Sn的掺杂浓度为3‑5at％，所述Zn:La2O3薄膜中Zn的掺杂浓度为3‑5at％，所述Sn:β‑Ga2O3薄膜和Zn:La2O3薄膜之间形成Zn:La2O3/Sn:β‑Ga2O3PN结结构。探测器性能稳定，对高压电晕深紫外波段的光谱具有日盲特性，可零功耗工作，响应度和灵敏度高，暗电流小，可应用于电气电弧报警、高压线电弧、电晕等监测领域，具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于监测领域，具体涉及氧化镓基PN结光电探测器、远程电晕监测系统及制作方法。
技术背景
电弧、电晕以及局部放电等因素长时间出现会损害高压设备，甚至引发电力系统瘫痪，在超高压直流输变电系统中，确保电力系统的安全可靠运行尤为重要。同时，电弧放电也会严重地影响人身安全。因此，如何准确、及时、有效地检测电弧放电的位置及强弱对保证电力系统可靠运行、减少设备损坏和确保人身安全具有重要的意义。
目前，电弧放电探测线路巡检主要有人工目视检查、远红外望远镜、超声波电晕检测和日盲紫外检测技术等，由于太阳光中含有很强的红外线，用红外线望远镜观察误检率较高，而超声波电晕检测装置探测距离较近，在使用中的人为影响因素较多，检测误差较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化镓基PN结光电探测器及制作方法、远程电晕监测系统及制作方法，氧化镓基PN结光电探测器灵敏度高、稳定性好，可以远程监测高压电弧、电晕发出的紫外线强度等。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种技术方案为：一种氧化镓基PN结光电探测器，包括依次层叠设置的蓝宝石单晶衬底、n型Sn:β-Ga2O3薄膜和p型Zn:La2O3薄膜，设置于Zn:La2O3薄膜远离Sn:β-Ga2O3薄膜一侧的第一Ti/Au条形薄膜电极，以及设置于Sn:β-Ga2O3薄膜一侧远离蓝宝石衬底一侧的第二Ti/Au条形薄膜电极，其中，Zn:La2O3薄膜的面积为Sn:β-Ga2O3薄膜面积的二分之一；Sn:β-Ga2O3薄膜中Sn的掺杂浓度为3-5at％，Zn:La2O3薄膜中Zn的掺杂浓度为3-5at％，Sn:β-Ga2O3薄膜和Zn:La2O3薄膜之间形成Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3PN结结构。
其中，Sn:β-Ga2O3薄膜的厚度为200-500nm，Zn:La2O3薄膜的厚度为200-500nm。
其中，Ti/Au条形薄膜电极的长度与Sn:β-Ga2O3薄膜的宽度相等，宽度为Sn:β-Ga2O3薄膜长度的1/6。
其中，p型Zn:La2O3薄膜的禁带宽度为5.5eV，n型Sn:β-Ga2O3薄膜的禁带宽度为4.9eV，氧化镓基PN结光电探测器用于检测220nm-260nm波段的深紫外光谱。
本发明提供的第二种技术方案为：一种远程电晕监测系统，包括上述的氧化镓基PN结光电探测器，测试电路、指示灯和通信模块，测试电路与氧化镓基PN结光电探测器的第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极分别连接，指示灯与测试电路连接，用于显示测试情况；通信模块用于接收测试电路所测试的电信号，并将电信号转化为通信信号发出。
本发明提供的第三种技术方案为：一种氧化镓基PN结光电探测器的制作方法，包括以下步骤：
将多靶磁控溅射沉积系统的两个靶台位置分别放置Ga2O3靶和La2O3靶，并在Ga2O3靶起辉圈周围放置一个Sn金属环，在La2O3靶起辉圈周围分别放置一个Zn金属环；
将c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上，放入多靶磁控溅射沉积系统的真空腔，Ga2O3靶和La2O3靶与c面蓝宝石单晶衬底的距离均为5厘米；先将真空腔抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，加热蓝宝石单晶衬底，生长Sn掺杂Ga2O3薄膜，即获得Sn:β-Ga2O3薄膜；
待Sn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，关闭Ga2O3靶射频电源，并开启La2O3靶射频电源，用掩膜版遮住一半面积Sn:β-Ga2O3薄膜，继续生长Zn掺杂La2O3薄膜，待Zn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，通入氧气，氩气和氧气的流量比为3:1，进行原位退火；
利用掩膜版并通过射频磁控溅射在Zn:La2O3和Sn:β-Ga2O3薄膜上方分别沉积一层Ti/Au条形薄膜作为第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极。
其中，加热蓝宝石单晶衬底的加热温度为600-700℃，原位退火的温度为700-800℃，退火时间为0.5-1.0h。
其中，真空腔抽真空后真空腔腔体压强为1×10-4Pa；加热蓝宝石单晶衬底时，真空腔的压强为3-5Pa；通入氧气后真空腔的腔体压强为10-20Pa；生长Sn掺杂Ga2O3薄膜和生长Zn掺杂La2O3薄膜的溅射功率为80-100W，溅射时间为1-2h。
其中，c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上之前包括：
将c面蓝宝石单晶衬底放入V(HF):V(H2O2)＝l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥。
本发明提供的第四种技术方案为：一种远程电晕监测系统的制作方法，将上述氧化镓基PN结光电探测器的第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极分别与测试电路及指示灯连接，并将测试电路与通信电路耦接形成远程电晕监测系统。
有益效果：
1、本发明的氧化镓基PN结光电探测器性，Zn和Sn的掺杂La2O3和β-Ga2O3大大提高了Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3PN结之间的载流子浓度，增大了探测器的光电流和光暗比，使得光电探测器性具有优异的光响应特性，并且可以零功耗工作。此外，氧化镓基PN结光电探测器在365nm紫外光照下，发现探测器无明显响应，表明该探测器具有日盲特性，不会受到太阳光等环境因素干扰，抗干扰能力强。本发明的光电探测器性能稳定、反应灵敏，可以监测220nm-260nm波段的深紫外光谱。直接智能鉴定紫外线的波长范围并对某一特定的紫外波长进行强度监测。
2、本发明的氧化镓基PN结光电探测器性，通过合理的控制Sn:β-Ga2O3薄膜和Zn:La2O3薄膜的厚度，可以使得光电探测器性具有优异的光响应特性。
3、本发明的远程电晕监测系统，将所需监测的高压电弧、电晕发出的紫外线强度、发光频率等信息远程发送到电网监控端，实现远程监管，可应用于电气电弧报警、高压线电弧、电晕监测等电力设施领域。
4、本发明氧化镓基PN结光电探测器性的制作方法具有工艺可控性强，操作简单，所制备的氧化镓基PN结光电探测器重复测试具有可恢复性等特点，具有很大的应用前景。
附图说明
图1是本发明方法的氧化镓基PN结光电探测器一实施例的结构示意图。
图2是用本发明的Zn:La2O3薄膜的XRD图谱。
图3是用本发明的Sn:β-Ga2O3薄膜的XRD图谱。
图4是本发明的Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3PN结的SEM照片。
图5是用本发明的远程电晕监测系统在0V偏压下光强为1mW/cm2的254nm紫外光照下通过不断开关光源测得的I-t曲线图。
图6是本发明远程电晕监测系统的测试电路的电路图。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
本发明实施例提供一种氧化镓基PN结光电探测器的制作方法，包括以下步骤：
将多靶磁控溅射沉积系统的两个靶台位置分别放置Ga2O3靶和La2O3靶，并在Ga2O3靶起辉圈周围放置一个Sn金属环，在La2O3靶起辉圈周围分别放置一个Zn金属环；
将c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上，放入多靶磁控溅射沉积系统的真空腔，Ga2O3靶和La2O3靶与c面蓝宝石单晶衬底的距离均为5厘米；先将真空腔抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，加热蓝宝石单晶衬底，生长Sn掺杂Ga2O3薄膜，即获得Sn:β-Ga2O3薄膜；
待Sn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，关闭Ga2O3靶射频电源，并开启La2O3靶射频电源，用掩膜版遮住一半面积Sn:β-Ga2O3薄膜，继续生长Zn掺杂La2O3薄膜，待Zn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，通入氧气，氩气和氧气的流量比为3:1，进行原位退火；
利用掩膜版并通过射频磁控溅射在Zn:La2O3和Sn:β-Ga2O3薄膜上方分别沉积一层Ti/Au条形薄膜作为第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极。
为了便于理解本发明，本发明提供以下具体实施例。
实施例1
一种氧化镓基PN结光电探测器的制作方法，包括以下步骤：
(1)将c面蓝宝石单晶衬底放入V(HF):V(H2O2)＝l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；把99.99％纯度的Ga2O3和La2O3靶材分别放置在多靶磁控溅射沉积系统的靶台位置，在Ga2O3和La2O3靶材起辉圈周围分别放置一个Sn金属环和Zn金属环，将上述处理后的c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上，放进真空腔，各靶材与c面蓝宝石单晶衬底的距离均为5厘米；先将真空腔腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，加热蓝宝石单晶衬底，生长Sn掺杂Ga2O3薄膜，即获得Sn:β-Ga2O3薄膜；待Sn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，关闭Ga2O3靶射频电源，并开启La2O3靶射频电源，用掩膜版遮住一半面积Sn:β-Ga2O3薄膜，继续生长Zn掺杂La2O3薄膜，待Zn:La2O3薄膜生长完毕，通入氧气，氩气和氧气的流量比为3:1，进行原位退火，其中，抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，加热c面蓝宝石圆形单晶衬底时腔体压强为3Pa，通入氧气后的腔体压强为10Pa，溅射功率为100W，溅射时间为1h，通入氧气前c面蓝宝石单晶衬底的加热温度为600℃，通入氧气后在腔体内原位退火的温度为800℃，退火时间为0.5h。
(2)利用掩膜版并通过射频磁控溅射在Zn:La2O3和Sn:β-Ga2O3薄膜上方分别沉积一层Ti/Au条形薄膜作为第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极，即获得氧化镓基PN结光电探测器。其中，第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极作为测量电极。
本发明实施例还包括一种远程电晕监测系统的制作方法，在上述制作出的氧化镓基PN结光电探测器基础上，设计测试电路(如图6所示)，氧化镓基PN结光电探测器的第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极分别与测试电路及指示灯连接，并将测试电路与通信电路耦接形成远程电晕监测系统。
本发明将带电极的氧化镓基PN结光电探测器、指示灯和通信模块接入测试电路(如图6所示)，组装成基于PN结探测器的远程电晕监测系统。其电路原理为：在已知探测器D1阻值的情况下，调节可变电阻R1的阻值至与探测器D1的相似，以分担探测器的电压。LM358在这里用作比较器，变阻器R2端的电压作为比较器的反相输入端，即比较器的基准电压。反相器74HC04起到稳压并增强驱动能力作用。其中R3，R4是限流电阻。C1、C2、C3、C4、C5作为旁路电容，起到滤波作用。工作原理：当电晕中发出的紫外光照射到探测器上时，探测器的电阻变化，导致电阻R1两端的电压变大，当比较器LM358的正向输入端的电压高于反向输入端时，LM358输出高电平。LM358输出的高电平经过反相器74HC04后变为低电平导致PNP三极管Q1导通，红色指示灯亮，同时启动通讯模块，将监测信号发送至电网监控终端，实现远程监管，可应用于电气电弧报警、高压线电弧、电晕监测等电力设施领域。
将氧化镓基PN结光电探测器的制作方法步骤(1)中所得的氧化镓基PN结光电探测器进行XRD分析，发现图2中的(-402)和(-603)晶面衍射峰对应于β-Ga2O3相的特征峰，图3中的(100)、(101)和(112)晶面衍射峰对应于La2O3相的特征峰，图2和3中均未发现Zn、ZnO、Sn和SnO2等杂质衍射峰，表明Zn和Sn分别都掺入了La2O3相和β-Ga2O3相的晶格中，形成Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3PN结结构光电探测器。图4为氧化镓基PN结光电探测器的Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3PN结的SEM照片，从图中可以看出，Zn:La2O3薄膜的厚度为350-400nm，Sn:β-Ga2O3薄膜的厚度为400-450nm。
将步骤(2)中所得的氧化镓基PN结光电探测器进行光电性能测试，如图5给出了氧化镓基PN结光电探测器在0V偏压下光强为1mW/cm2的254nm紫外光照下通过不断开关光源测得的I-t曲线图，重复测试5个I-t循环，均表现出很好的重复性。其中开光源后最大光电流为3.4μA，关光源后光电流为0.05μA，光暗比达到68，光响应时间为0.1s，表明该探测器对254nm紫外光具有优异的光响应特性，并且可以零功耗工作。作为对比，本发明还研制了未掺杂的La2O3/β-Ga2O3异质结光电探测器，并进行了相同条件下的光电性能测试，从图5中看出，La2O3/β-Ga2O3异质结光电探测器的最大光电流为2.8μA，暗电流为0.1μA，光暗比为28，Zn和Sn的掺杂大大提高了Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3PN结之间的载流子浓度，增大了探测器的光电流和光暗比。此外，氧化镓基PN结光电探测器在365nm紫外光照下，发现探测器无明显响应，表明该探测器具有日盲特性，不会受到太阳光等环境因素干扰，抗干扰能力强。
实施例2
氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(2)与实施例1相同，远程电晕监测系统的制作方法与实施例1相同。不同之处在于氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(1)，具体地，氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(1)包括：先将c面蓝宝石单晶衬底放入V(HF):V(H2O2)＝l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；把99.99％纯度的Ga2O3和La2O3靶材分别放置在多靶磁控溅射沉积系统的靶台位置，在Ga2O3和La2O3靶材起辉圈周围分别放置一个Sn金属环和Zn金属环，将上述处理后的c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上，放进真空腔，各靶材与c面蓝宝石单晶衬底的距离均为5厘米；先将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，加热蓝宝石单晶衬底，生长Sn掺杂Ga2O3薄膜，待Sn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，关闭Ga2O3靶射频电源，并开启La2O3靶射频电源，用掩膜版遮住一半面积Sn:β-Ga2O3薄膜，继续生长Zn掺杂La2O3薄膜，待Zn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，通入氧气，氩气和氧气的流量比为3:1，进行原位退火，其中，抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，加热c面蓝宝石圆形单晶衬底时腔体压强为3Pa，通入氧气后的腔体压强为15Pa，溅射功率为90W，溅射时间为2h，通入氧气前c面蓝宝石单晶衬底的加热温度为650℃，通入氧气后在腔体内原位退火的温度为750℃，退火时间为0.5h。
所得氧化镓基PN结光电探测器的测试结果均与实例1类似。
实施例3
氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(2)与实施例1相同，远程电晕监测系统的制作方法与实施例1相同。不同之处在于氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(1)，具体地，氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(1)包括：先将c面蓝宝石单晶衬底放入V(HF):V(H2O2)＝l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；把99.99％纯度的Ga2O3和La2O3靶材分别放置在多靶磁控溅射沉积系统的靶台位置，在Ga2O3和La2O3靶材起辉圈周围分别放置一个Sn金属环和Zn金属环，将上述处理后的c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上，放进真空腔，各靶材与c面蓝宝石单晶衬底的距离均为5厘米；先将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，加热蓝宝石单晶衬底，生长Sn掺杂Ga2O3薄膜，待Sn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，关闭Ga2O3靶射频电源，并开启La2O3靶射频电源，用掩膜版遮住一半面积Sn:β-Ga2O3薄膜，继续生长Zn掺杂La2O3薄膜，待Zn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，通入氧气，氩气和氧气的流量比为3:1，进行原位退火，其中，抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，加热c面蓝宝石圆形单晶衬底时腔体压强为5Pa，通入氧气后的腔体压强为10Pa，溅射功率为80W，溅射时间为2h，通入氧气前c面蓝宝石单晶衬底的加热温度为700℃，通入氧气后在腔体内原位退火的温度为700℃，退火时间为0.5h。
所得氧化镓基PN结光电探测器的测试结果均与实例1类似。
实施例4
氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(2)与实施例1相同，远程电晕监测系统的制作方法与实施例1相同。不同之处在于氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(1)，具体地，氧化镓基PN结光电探测器的制作方法的步骤(1)包括：中先将c面蓝宝石单晶衬底放入V(HF):V(H2O2)＝l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；把99.99％纯度的Ga2O3和La2O3靶材分别放置在多靶磁控溅射沉积系统的靶台位置，在Ga2O3和La2O3靶材起辉圈周围分别放置一个Sn金属环和Zn金属环，将上述处理后的c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上，放进真空腔，各靶材与c面蓝宝石单晶衬底的距离均为5厘米；先将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，加热蓝宝石单晶衬底，生长Sn掺杂Ga2O3薄膜，待Sn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，关闭Ga2O3靶射频电源，并开启La2O3靶射频电源，用掩膜版遮住一半面积Sn:β-Ga2O3薄膜，继续生长Zn掺杂La2O3薄膜，待Zn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，通入氧气，氩气和氧气的流量比为3:1，进行原位退火，其中，抽真空后腔体压强为1×10-4Pa，加热c面蓝宝石圆形单晶衬底时腔体压强为4Pa，通入氧气后的腔体压强为20Pa，溅射功率为100W，溅射时间为1.5h，通入氧气前c面蓝宝石单晶衬底的加热温度为650℃，通入氧气后在腔体内原位退火的温度为800℃，退火时间为1h。
所得氧化镓基PN结光电探测器的测试结果均与实例1类似。
实施例5
如图1所示，一种氧化镓基PN结光电探测器，包括依次层叠设置的蓝宝石单晶衬底10、n型Sn:β-Ga2O3薄膜20和p型Zn:La2O3薄膜30，设置于Zn:La2O3薄膜30远离Sn:β-Ga2O3薄膜20一侧的第一Ti/Au条形薄膜电极41，以及设置于Zn:La2O3薄膜30一侧远离蓝宝石衬底10一侧的第二Ti/Au条形薄膜电极42，其中，Zn:La2O3薄膜30的面积为Sn:β-Ga2O3薄膜20面积的二分之一；Sn:β-Ga2O3薄膜30中Sn的掺杂浓度为3-5at％，Zn:La2O3薄膜30中Zn的掺杂浓度为3-5at％，Sn:β-Ga2O3薄膜30和Zn:La2O3薄膜20之间形成Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3PN结结构。
其中，n型Sn:β-Ga2O3薄膜为Sn掺杂的β-Ga2O3形成的n型半导体晶体薄膜；p型Zn:La2O3薄膜为Zn掺杂的La2O3薄膜形成的p型半导体晶体薄膜。
本发明的氧化镓基PN结光电探测器性，Zn和Sn的掺杂La2O3和β-Ga2O3大大提高了Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3PN结之间的载流子浓度，增大了探测器的光电流和光暗比，使得光电探测器性具有优异的光响应特性，并且可以零功耗工作。此外，氧化镓基PN结光电探测器在365nm紫外光照下，发现探测器无明显响应，表明该探测器具有日盲特性，不会受到太阳光等环境因素干扰，抗干扰能力强。本发明的光电探测器性能稳定、反应灵敏，可以监测220nm-260nm波段的深紫外光谱。直接智能鉴定紫外线的波长范围并对某一特定的紫外波长进行强度监测。
其中，Sn:β-Ga2O3薄膜20的厚度为500nm，Zn:La2O3薄膜30的厚度为400nm。在其他实施例中，Sn:β-Ga2O3薄膜20的厚度也可以为200nm、300nm、400nm或450nm等，只要在200nm-50nm即可；Zn:La2O3薄膜30的厚度也可以为200nm、300nm、450或500nm等，只要在200nm-50nm即可。
其中，第一Ti/Au条形薄膜电极41和第二Ti/Au条形薄膜电极42的长度与Sn:β-Ga2O3薄膜20的宽度相等，宽度为Sn:β-Ga2O3薄膜20长度的1/6；其中，Ti/Au条形薄膜电极包括Ti薄膜电极和位于Ti薄膜电极远离蓝宝石单晶衬底10一侧的Au薄膜电极，其中，Ti薄膜电极厚度为20-30nm，Au薄膜电极的厚度为60-90nm。
其中，p型Zn:La2O3薄膜30的禁带宽度为5.5eV，n型Sn:β-Ga2O3薄膜20的禁带宽度为4.9eV，氧化镓基PN结光电探测器用于检测220nm-260nm波段的深紫外光谱。
本发明实施例还包括第二种技术方案，一种远程电晕监测系统，包括上述的氧化镓基PN结光电探测器，测试电路、指示灯和通信模块，测试电路与氧化镓基PN结光电探测器的第一Ti/Au条形薄膜电极41和第二Ti/Au条形薄膜电极42分别连接，指示灯与测试电路连接，用于显示测试情况；通信模块用于接收测试电路所测试的电信号，并将电信号转化为通信信号发出。
本发明将带电极的氧化镓基PN结光电探测器、指示灯和通信模块接入测试电路(如图6所示)，组装成基于PN结探测器的远程电晕监测系统。其电路原理为：在已知探测器D1阻值的情况下，调节可变电阻R1的阻值至与探测器D1的相似，以分担探测器的电压。LM358在这里用作比较器，变阻器R2端的电压作为比较器的反相输入端，即比较器的基准电压。反相器74HC04起到稳压并增强驱动能力作用。其中R3，R4是限流电阻。C1、C2、C3、C4、C5作为旁路电容，起到滤波作用。工作原理：当高压电晕中发出的紫外光照射到探测器上时，探测器的电阻变化，导致电阻R1两端的电压变大，当比较器LM358的正向输入端的电压高于反向输入端时，LM358输出高电平。LM358输出的高电平经过反相器74HC04后变为低电平导致PNP三极管Q1导通，红色指示灯亮，同时启动通讯模块，将监测信号发送至电网监控终端，实现远程监管，可应用于电气电弧报警、高压线电弧、电晕监测等电力设施领域。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上、在本发明的方法和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种氧化镓基PN结光电探测器，其特征在于，包括依次层叠设置的蓝宝石单晶衬底、n型Sn:β-Ga2O3薄膜和p型Zn:La2O3薄膜，设置于所述Zn:La2O3薄膜远离所述Sn:β-Ga2O3薄膜一侧的第一Ti/Au条形薄膜电极，以及设置于所述Sn:β-Ga2O3薄膜一侧远离所述蓝宝石衬底一侧的第二Ti/Au条形薄膜电极，其中，Zn:La2O3薄膜的面积为所述Sn:β-Ga2O3薄膜面积的二分之一；所述Sn:β-Ga2O3薄膜中Sn的掺杂浓度为3-5at％，所述Zn:La2O3薄膜中Zn的掺杂浓度为3-5at％，所述Sn:β-Ga2O3薄膜和Zn:La2O3薄膜之间形成Zn:La2O3/Sn:β-Ga2O3 PN结结构。
2.根据权利要求1所述的一种氧化镓基PN结光电探测器，其特征在于，所述Sn:β-Ga2O3薄膜的厚度为200-500nm，所述Zn:La2O3薄膜的厚度为200-500nm。
3.根据权利要求1所述的一种氧化镓基PN结光电探测器，其特征在于，所述第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极的长度与Sn:β-Ga2O3薄膜的长度相等，宽度为Sn:β-Ga2O3薄膜宽度的1/6。
4.根据权利要求1所述的一种氧化镓基PN结光电探测器，其特征在于，所述p型Zn:La2O3薄膜的禁带宽度为5.5eV，n型Sn:β-Ga2O3薄膜的禁带宽度为4.9eV，氧化镓基PN结光电探测器用于检测220nm-260nm波段的深紫外光谱。
5.一种远程电晕监测系统，其特征在于，包括权利要求1-4任意一项所述的氧化镓基PN结光电探测器，测试电路、指示灯和通信模块，所述测试电路与氧化镓基PN结光电探测器的第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极分别连接，所述指示灯与所述测试电路连接，用于显示测试情况；所述通信模块用于接收所述测试电路所测试的电信号，并将所述电信号转化为通信信号发出。
6.一种氧化镓基PN结光电探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多靶磁控溅射沉积系统的两个靶台位置分别放置Ga2O3靶和La2O3靶，并在Ga2O3靶起辉圈周围放置一个Sn金属环，在La2O3靶起辉圈周围分别放置一个Zn金属环；
将c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上，放入多靶磁控溅射沉积系统的真空腔，Ga2O3靶和La2O3靶与c面蓝宝石单晶衬底的距离均为5厘米；先将真空腔抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，加热蓝宝石单晶衬底，生长Sn掺杂Ga2O3薄膜，即获得Sn:β-Ga2O3薄膜；
待Sn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，关闭Ga2O3靶射频电源，并开启La2O3靶射频电源，用掩膜版遮住一半面积Sn:β-Ga2O3薄膜，继续生长Zn掺杂La2O3薄膜，待Zn:β-Ga2O3薄膜生长完毕，通入氧气，氩气和氧气的流量比为3:1，进行原位退火；
利用掩膜版并通过射频磁控溅射在Zn:La2O3和Sn:β-Ga2O3薄膜上方分别沉积一层Ti/Au条形薄膜作为第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极。
7.根据权利要求6所述的一种氧化镓基PN结光电探测器的制作方法，其特征在于，所述加热蓝宝石单晶衬底的加热温度为600-700℃，所述原位退火的温度为700-800℃，退火时间为0.5-1.0h。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的一种氧化镓基PN结光电探测器的制作方法，其特征在于，所述真空腔抽真空后真空腔腔体压强为1×10-4Pa；所述加热蓝宝石单晶衬底时，真空腔的压强为3-5Pa；所述通入氧气后真空腔的腔体压强为10-20Pa；所述生长Sn掺杂Ga2O3薄膜和所述生长Zn掺杂La2O3薄膜的溅射功率为80-100W，溅射时间为1-2h。
9.根据权利要求6或7中任一项所述的一种氧化镓基PN结光电探测器的制作方法，其特征在于，所述c面蓝宝石单晶衬底固定在样品托上之前包括：
将c面蓝宝石单晶衬底放入V(HF):V(H2O2)＝l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥。
10.一种远程电晕监测系统的制作方法，其特征在于，将权利要求1-4任意一项的氧化镓基PN结光电探测器的第一Ti/Au条形薄膜电极和第二Ti/Au条形薄膜电极分别与测试电路及指示灯连接，并将测试电路与通信电路耦接形成远程电晕监测系统。
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