CN112103354A - 透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明Ga2O3的p‑i‑n异质结构日盲型紫外光探测器及其制备方法，制备了Ga2O3薄膜，对日盲紫外光探测器的结构进行了设计，本发明探测器的结构采用衬底、p型NiO薄膜、i层Ga2O3薄膜、n型硼、镓共掺的氧化锌(BGZO)薄膜和Au电极五部分进行层叠组装而成。本发明相对于商业上使用的光电倍增管结构简单，性能优异，并且安全无毒，适用于大规模日盲紫外光探测器中。同时，p‑i‑n型结构的设计扩展了耗尽区的宽度，增大了光电转换的有效工作区域，提高了器件的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种p-i-n型紫外光探测器及其制备方法，特别是涉及一种Ga2O3薄膜日盲型紫外光探测器及其制备方法，应用于无机非金属材料电子器件制造工艺领域。
背景技术
紫外(UV)光电探测器在民用和军用方面有众多应用，比如生物/化学分析、火焰传感、隐蔽空对空通信、导弹跟踪和环境检测等。由于大气中的臭氧和水蒸气颗粒物对深紫外光具有极强的吸收，因此波长短于280nm的太阳辐射在地球表面几乎不存在，所以称这段光为日盲区。由于日盲区的自然背景低，在此光谱范围中工作的光电探测器具有高信噪比和低误报率等优点。然而，商业上所使用的日盲探测器通常是体积庞大并且易碎的光电倍增管，并且需要大的偏置电压，从而限制了它们的使用。宽禁带(WBG)半导体有许多优点，如高辐射强度和固有日盲吸收特性，这些为开发高性能宽禁带日盲光电探测器提供可能，宽禁带日盲光电探测器被认为是光电倍增管的潜在替代品。近年来，已经有各种各样的宽禁带半导体被用于研究设计日盲光电探测器，包括AlxGa1-xN，ZnxMg1-xO，氧化镓(Ga2O3)和金刚石等。其中，Ga2O3本征吸收边大约为253nm，具有本征日盲光吸收特性，由于其合适的带隙宽度(4.9eV)在日盲探测器领域受到了广泛研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器及其制备方法。这一制备方法操作简单，制备的探测器具有高的量子效率和响应度，是解决上述问题的有效方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，其特征在于：依次由衬底、p型NiO薄膜、i层Ga2O3薄膜、n型的硼、镓共掺的氧化锌(BGZO)薄膜和Au电极进行层叠组装而成，构成透明薄膜探测器结构，衬底采用石英玻璃。
作为本发明优选的技术方案，Ga2O3的禁带宽度为4.9eV，所对应的探测波段处于200-280nm日盲区的中间部位；探测器采用p-i-n型结构增大耗尽区的宽度，提高器件的响应度。
优选上述p型NiO薄膜厚度为100-300nm。
优选上述i层Ga2O3薄膜厚度为200-400nm。
优选上述硼、镓共掺的氧化锌薄膜厚度为50-200nm。
优选上述Au电极厚度为50-100nm。
一种本发明透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的制备方法，步骤如下：
a.NiO薄膜的制备：
用酒精、丙酮溶液超声波清洗石英玻璃衬底，以除去石英玻璃衬底表面的有机杂质，再用去离子水清洗2-5次，至玻璃衬底干净为止；通过射频磁控溅射方法，在玻璃衬底上制作p型NiO薄膜，控制薄膜厚度为100-300nm；优选制备NiO薄膜厚度为150-250nm；
b.Ga2O3薄膜的制备：
采用射频磁控溅射的方法，在所述步骤a中制备有NiO薄膜的石英玻璃衬底上继续制备Ga2O3薄膜作为i层，控制Ga2O3薄膜的厚度200-400nm；优选制备Ga2O3薄膜的厚度250-350nm；
c.硼、镓共掺的氧化锌薄膜的制备：
采用射频磁控溅射方法，在所述步骤b中制备了Ga2O3薄膜的衬底上，继续生长厚度为50-200nm的硼、镓共掺的氧化锌薄膜；优选制备硼、镓共掺的氧化锌薄膜的厚度为80-100nm；
d.电极的制备：
通过电子束蒸发工艺方法，在所述步骤c中制备硼、镓共掺的氧化锌薄膜上继续制作金属电极，并控制电极厚度为50-100nm；优选制备金电极的厚度为70-100nm，从而得到透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的器件。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明Ga2O3材料具有安全无毒，价格较低，适宜大规模制造的优势；
2.本发明Ga2O3材料具有大的禁带宽度和物理化学稳定性，所制备的日盲紫外光探测器相对于商业上使用的光电倍增管结构简单，性能优异；
3.本发明采用p-i-n型结构设计，由于i层的加入且较宽，增大了光电转换的有效工作区域，使得光生载流子的产生率增多，从而提高了器件的响应度和量子效率；因为i层有强电场，可以对少数载流子起加速作用，适当加宽i层，也几乎不影响少数载流子的渡越时间；同时，光生载流子在强电场作用下以最快的速度向电极漂移，有利于提高器件的响应速度；本发明方法工艺简单，控制和操作便捷，易于推广应用。
附图说明
图1为本发明各实施例制备的采用Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器截面图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，依次由衬底、p型NiO薄膜、i层Ga2O3薄膜、n型的硼、镓共掺的氧化锌(BGZO)薄膜和Au电极进行层叠组装而成，构成透明薄膜探测器结构，衬底采用石英玻璃。透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，采用p-i-n型结构增大了耗尽区的宽度，使得器件的响应度提高。上述NiO薄膜厚度为200nm；上述Ga2O3薄膜的厚度250nm；上述硼、镓共掺的氧化锌薄膜的厚度为100nm；上述金电极的厚度为70nm。
一种本实施例透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的结构依次由衬底、p型NiO薄膜、i层Ga2O3薄膜、n型硼、镓共掺的氧化锌(BGZO)薄膜和Au电极五部分进行层叠组装而成，本实施例透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的制备方法步骤如下：
a.NiO薄膜的制备：
用酒精、丙酮溶液超声波清洗石英玻璃衬底，以除去石英玻璃衬底表面的有机杂质，再用去离子水清洗2-5次，至玻璃衬底干净为止；通过射频磁控溅射方法，在玻璃衬底上制作p型NiO薄膜；控制射频功率：100W；衬底温度：200℃；沉积时间：120min；厚度200nm；
b.Ga2O3薄膜的制备：
采用射频磁控溅射的方法，在所述步骤a中制备有NiO薄膜的石英玻璃衬底上继续制备Ga2O3薄膜作为i层；控制射频功率：150W；衬底温度：25℃；沉积时间：150min；厚度250nm；
c.硼、镓共掺的氧化锌薄膜的制备：
采用射频磁控溅射方法，在所述步骤b中制备了Ga2O3薄膜的衬底上，继续生长厚度为100nm的硼、镓共掺的氧化锌薄膜；
d.电极的制备：
通过电子束蒸发工艺方法，将所述步骤c中制备的结构放入电子束蒸发生长室中，抽真空至10-6Pa；采用电子束溅射沉积方法生长厚度为70nm的金属金电极；所用溅射靶材为高纯金，按照金属所含杂质浓度比例作为金属纯度的计算方法，金属纯度为99.999％；电子束电压为9.7keV，功率设定39.6％，生长温度为室温；
从而得到透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的器件。
实验测试分析：
将本实施例制备的Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器作为样品进行实验测试。
通过I-V特性曲线的测试，发现光暗电流比>103；同时研究了在254nm的光照下探测器的光响应，发现快速响应时间是0.3s，延迟时间是0.05s；表现出优异的光电性能。
本实施例相对于商业上使用的光电倍增管结构简单，性能优异，并且安全无毒，适用于大规模日盲紫外光探测器中。同时，p-i-n型结构的设计扩展了耗尽区的宽度，增大了光电转换的有效工作区域，提高了器件的响应速度。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，依次由衬底、p型NiO薄膜、i层Ga2O3薄膜、n型的硼、镓共掺的氧化锌(BGZO)薄膜和Au电极进行层叠组装而成，构成透明薄膜探测器结构，衬底采用石英玻璃。透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，采用p-i-n型结构增大了耗尽区的宽度，使得器件的响应度提高。上述NiO薄膜厚度为200nm；上述Ga2O3薄膜的厚度350nm；上述硼、镓共掺的氧化锌薄膜的厚度为100nm；；上述金电极的厚度为70nm。
一种本实施例透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的结构依次由衬底、p型NiO薄膜、i层Ga2O3薄膜、n型的硼、镓共掺的氧化锌(BGZO)薄膜和Au电极五部分进行层叠组装而成，本实施例透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的制备方法步骤如下：
a.NiO薄膜的制备：
用酒精、丙酮溶液超声波清洗石英玻璃衬底，以除去石英玻璃衬底表面的有机杂质，再用去离子水清洗2-5次，至玻璃衬底干净为止；通过射频磁控溅射方法，在玻璃衬底上制作p型NiO薄膜；控制射频功率：100W；衬底温度：200℃；沉积时间：120min；厚度200nm；
b.Ga2O3薄膜的制备：
采用射频磁控溅射的方法，在所述步骤a中制备有NiO薄膜的石英玻璃衬底上继续制备Ga2O3薄膜作为i层；控制射频功率：150W；衬底温度：25℃；沉积时间：210min；厚度350nm；
c.硼、镓共掺的氧化锌薄膜的制备：
采用射频磁控溅射方法，在所述步骤b中制备了Ga2O3薄膜的衬底上，继续生长厚度为100nm的硼、镓共掺的氧化锌薄膜；
d.电极的制备：
通过电子束蒸发工艺方法，将所述步骤c中制备的结构放入电子束蒸发生长室中，抽真空至10-6Pa；采用电子束溅射沉积方法生长厚度为70nm的金属金电极；所用溅射靶材为高纯金，按照金属所含杂质浓度比例作为金属纯度的计算方法，金属纯度为99.999％；电子束电压为9.7keV，功率设定39.6％，生长温度为室温；
从而得到透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的器件。
实验测试分析：
将本实施例制备的Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器作为样品进行实验测试。
通过I-V特性曲线的测试，发现光暗电流比>103；同时研究了在254nm的光照下探测器的光响应，发现快速响应时间是0.2s，延迟时间是0.03s；表现出优异的光电性能。
本实施例相对于商业上使用的光电倍增管结构简单，性能优异，并且安全无毒，适用于大规模日盲紫外光探测器中。同时，p-i-n型结构的设计扩展了耗尽区的宽度，增大了光电转换的有效工作区域，提高了器件的响应速度。
综上所述，本发明上述实施例制备了氧化镓薄膜，涉及一种日盲紫外光探测器的结构设计，属于无机非金属材料制造工艺技术领域。所述探测器的结构采用衬底、p型NiO薄膜、i层Ga2O3薄膜、硼、镓共掺的氧化锌(BGZO)薄膜和Au电极五部分进行层叠组装而成。本发明相对于商业上使用的光电倍增管结构简单，性能优异，并且安全无毒，适用于大规模日盲紫外光探测器中。同时，p-i-n型结构的设计扩展了耗尽区的宽度，增大了光电转换的有效工作区域，提高了器件的响应速度。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，其特征在于：依次由衬底、p型NiO薄膜、i层Ga2O3薄膜、n型的硼、镓共掺的氧化锌(BGZO)薄膜和Au电极进行层叠组装而成，构成透明薄膜探测器结构，衬底采用石英玻璃。
2.根据权利要求1所述透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，其特征在于，Ga2O3的禁带宽度为4.9eV，所对应的探测波段处于200-280nm日盲区的中间部位；探测器采用p-i-n型结构增大耗尽区的宽度，提高器件的响应度。
3.根据权利要求1所述透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，其特征在于，p型NiO薄膜厚度为100-300nm。
4.根据权利要求1所述透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，其特征在于，i层Ga2O3薄膜厚度为200-400nm。
5.根据权利要求1所述透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，其特征在于，硼、镓共掺的氧化锌薄膜厚度为50-200nm。
6.根据权利要求1所述透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器，其特征在于，Au电极厚度为50-100nm。
7.一种权利要求1所述透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.NiO薄膜的制备：
用酒精、丙酮溶液超声波清洗石英玻璃衬底，以除去石英玻璃衬底表面的有机杂质，再用去离子水清洗2-5次，至玻璃衬底干净为止；通过射频磁控溅射方法，在玻璃衬底上制作p型NiO薄膜，控制薄膜厚度为100-300nm；
b.Ga2O3薄膜的制备：
采用射频磁控溅射的方法，在所述步骤a中制备有NiO薄膜的石英玻璃衬底上继续制备Ga2O3薄膜作为i层，控制Ga2O3薄膜的厚度200-400nm；
c.硼、镓共掺的氧化锌薄膜的制备：
采用射频磁控溅射方法，在所述步骤b中制备的Ga2O3薄膜的衬底上，继续生长厚度为50-200nm的硼、镓共掺的氧化锌薄膜；
d.电极的制备：
通过电子束蒸发工艺方法，在所述步骤c中制备硼、镓共掺的氧化锌薄膜上继续制作金属电极，并控制电极厚度为50-100nm，从而得到透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器件。
8.根据权利要求7所述透明Ga2O3的p-i-n异质结构日盲型紫外光探测器的制备方法，其特征在于：
在所述步骤a中，制备NiO薄膜厚度为200-300nm；
或者，在所述步骤b中，制备Ga2O3薄膜的厚度250-400nm；
或者，在所述步骤c中，制备硼、镓共掺的氧化锌薄膜的厚度为80-200nm；
或者，在所述步骤d中，制备金电极的厚度为70-100nm。
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