CN112563353A - 一种异质结紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异质结紫外探测器，包括：衬底、制备于衬底上的ZnO薄膜层、制备于ZnO薄膜层上的非晶Ga2O3薄膜层以及分别制备于非晶Ga2O3层和ZnO薄膜层上的接触电极；ZnO薄膜层与非晶Ga2O3薄膜层接触面形成ZnO/非晶Ga2O3异质结；所述ZnO薄膜层的厚度为50～200nm；所述非晶Ga2O3薄膜层的厚度为100～300nm。本发明制得的异质结紫外探测器，低温生长可以改善异质结界面缺陷所带来的性能不理想问题，具备良好的载流子调控特性、响应度和稳定性，并具有自供能特性，表现出出色的紫外探测性能。整个薄膜型异质结器件制造工艺简单，所用材料容易获得，具有广阔的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测技术领域，特别涉及一种异质结紫外探测器及其制备方法。
背景技术
继激光探测和红外探测技术之后，紫外探测技术作为一个新兴军民两用技术逐渐发展起来。紫外探测技术在诸多领域里发挥着重要的作用，如导弹预警、空间探测、燃烧工程、紫外监控等。宽禁带半导体紫外探测器因其体积小、重量轻、工作时不需滤光片、无需制冷等优点，被认为是可以取代真空光电倍增管和Si基光电倍增管的第三代紫外探测器。
在众多宽禁带半导体材料中，ZnO材料作为典型的代表，具有原材料丰富，价格低廉，安全环保等优点。Ga2O3材料具有紫外光吸收特性，由于其合适的带隙宽度在紫外探测领域受到了广泛研究。ZnO与Ga2O3材料能带一宽一窄，所以非常适合构造异质结。当前，基于Ga2O3薄膜的异质结型紫外探测的研究，主要是在高温条件下生长的晶体Ga2O3薄膜，但生长温度高，生长质量会受多种因素影响，成本也相对较高。异质结的界面也会因为高温存在很多问题，如界面缺陷及界面不清晰等。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种异质结紫外探测器及其制备方法。非晶Ga2O3材料具有均匀性好、制备温度低、容易大面积成膜等优点，所以在电学和光学中有了一定的应用，引用其性质来构造ZnO/非晶Ga2O3异质结，有助于改善两种材料异质结界面的问题，进而研究异质结紫外光电探测器的应用前景。
本发明提供一种异质结紫外探测器，包括：衬底、制备于衬底上的ZnO薄膜层、制备于ZnO薄膜层上的非晶Ga2O3薄膜层、分别制备于非晶Ga2O3薄膜层和ZnO薄膜层上的接触电极；所述ZnO薄膜层的厚度为100～180nm；所述非晶Ga2O3薄膜层的厚度为150～210nm。
优选地，所述衬底为蓝宝石衬底。
优选地，所述非晶Ga2O3薄膜层覆盖所述ZnO薄膜层表面的一半。
优选地，所述接触电极层材料为Au；负极制备于非晶Ga2O3层上，正极制备于ZnO薄膜层上；形状为圆形，厚度为10～20nm。
本发明还提供一种异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于，
S1：准备一蓝宝石衬底，在衬底表面生长ZnO薄膜层；
S2：在所述ZnO薄膜层表面生长非晶Ga2O3薄膜层，ZnO薄膜层与非晶Ga2O3薄膜层的接触面形成异质结结构；
S3：在所述非晶Ga2O3薄膜层和ZnO薄膜层上形成接触电极。
优选地，步骤S1中，所述ZnO薄膜层的制备方法为分子外延技术。
优选地，步骤S2中，所述非晶Ga2O3薄膜层的制备方法为磁控溅射技术。
优选地，步骤S3中所述接触电极层材料为Au；负极制备于非晶Ga2O3薄膜层上，正极制备于ZnO薄膜层上；形状为圆形，制备方法为磁控溅射技术。
本发明能够得到以下有益效果：
1、工艺可控性强、容易操作、制作成本低。
2、本发明制得的异质结紫外探测器，低温生长可以改善异质结界面缺陷所带来的性能不理想问题，具备良好的载流子调控特性、响应度和稳定性，并具有自供能特性，表现出出色的紫外探测性能。
3、整个薄膜型异质结器件制造工艺简单，所用材料容易获得，具有广阔的发展前景。
附图说明
图1是本发明的一种异质结紫外探测器及其制备方法的异质结紫外探测器结构示意图；
图2是本发明的一种异质结紫外探测器及其制备方法实施例1的光谱响应特性图；
图3是本发明的一种异质结紫外探测器及其制备方法实施例1在暗态下的电流-电压(I-V)特性曲线(暗电流)和紫外光光照下器件的光电流对比图；
图4是本发明的一种异质结紫外探测器及其制备方法实施例1的时间响应特性曲线。
其中附图标记为：
衬底1、ZnO薄膜层2、非晶Ga2O3薄膜层3、接触电极4。
具体实施方式
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，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面将结合实施例对本发明提供的一种异质结紫外探测器及其制备方法进行详细说明。
图1为本发明的一种异质结紫外探测器及其制备方法的异质结紫外探测器结构示意图。
如图1所示，本发明提供一种异质结紫外探测器，包括：衬底1、制备于衬底上的ZnO薄膜层2、制备于ZnO薄膜层2上的非晶Ga2O3薄膜层3、分别制备于非晶Ga2O3薄膜层3和ZnO薄膜层2上的接触电极4；ZnO薄膜层2的厚度为100～180nm；非晶Ga2O3薄膜层3的厚度为150～210nm。
其中，衬底1选择蓝宝石衬底；非晶Ga2O3薄膜层3覆盖所述ZnO薄膜层2表面的一半；接触电极4层材料为Au；负极制备于非晶Ga2O3薄膜层3上，正极制备于ZnO薄膜层2上；形状为圆形，厚度为10～20nm。
实施例1
采用分子束外延(MBE)技术在蓝宝石衬底上制备ZnO薄膜。Zn源温度被控制在230℃，衬底1温度保持在450℃，射频功率为280W，O2流量为1.4sccm，生长时间为40min，薄膜层厚度约为100nm。
将上述已制得的蓝宝石衬底上的ZnO薄膜层2遮挡一部分后，放入沉积室，采用磁控溅射的方法在其上生长非晶Ga2O3薄膜，Ga2O3陶瓷靶材纯度是99.99％，使用磁控溅射技术的具体生长参数为:工作气氛为氩气，工作气压为2Pa，背底真空压强小于1×10-4Pa，衬底1温度为室温，溅射功率为60W溅射时间为90min，得到的非晶Ga2O3薄膜层3的厚度约为150nm。
器件电极的制备：利用掩膜版并通过磁控溅射技术在ZnO薄膜和非晶Ga2O3薄膜上面沉积一层Au薄膜作为测量电极。其特征在于所述的步骤中，Au薄膜在氩气氛围下退火5分钟，退火温度为300℃，圆形电极的直径约为1.2mm
如图1所示，经过上述实验过程制备得到的ZnO/非晶Ga2O3异质结紫外探测器，依次包括作为衬底1的蓝宝石；设置于衬底1上的ZnO薄膜层2；设置于ZnO薄膜层2上的非晶Ga2O3薄膜层3；设置于非晶Ga2O3薄膜层3上的电极Au。ZnO薄膜与非晶Ga2O3薄膜接触面形成ZnO/非晶Ga2O3异质结。
图2为本发明实施例1制备得到的异质结紫外探测器的光谱响应特性图，可以看到，ZnO/非晶Ga2O3异质结仅能够对254nm的光产生光响应。器件的响应峰值在246nm，响应度为0.196A/W，具有良好的日盲紫外探测性能。
图3为采用本发明实施例1制备得到的异质结紫外探测器进行暗态下的I-V特性曲线测试(暗电流)和254nm光照下器件的光电流，由图3可以看出本发明制备的器件具有较好的整流特性，具备较低的暗电流。10V偏压下，在暗态下和254nm紫外光照射后，电流迅速增加至175nA，光暗比I254/Idark为1.12×104个量级，表明器件对254nm的紫外光具有较好的响应。
图4给出了在0V偏压下用254nm紫外光照下通过不断开灯关灯测得的I-t曲线。该ZnO/非晶Ga2O3异质结紫外探测器具有在0V偏压下自供能的特点。本实施例中重复了多个循环，该器件具备较好重复性。在暗态下和在254nm紫外光照射后，电流迅速增加，光暗比I254/Idark为3.64×103个量级。
实施例2
采用分子束外延(MBE)技术在c面蓝宝石衬底上制备ZnO薄膜。Zn源温度被控制在230℃，衬底温度保持在450℃，射频功率为280W，O2流量为1.4sccm，生长60min薄膜层厚度约为140nm。
将上述已制得的蓝宝石衬底上的ZnO薄膜层2遮挡一部分后，放入沉积室，采用磁控溅射的方法在其上生长非晶Ga2O3薄膜，Ga2O3陶瓷靶材纯度是99.99％，使用磁控溅射技术的具体生长参数为:工作气氛为氩气，工作气压为2Pa，背底真空压强小于1×10-4Pa，衬底1温度为室温，溅射功率为60W溅射时间为110min，得到的非晶Ga2O3薄膜层3的厚度约为180nm。
器件电极的制备：利用掩膜版并通过磁控溅射技术在ZnO薄膜和非晶Ga2O3薄膜上面沉积一层Au薄膜作为测量电极。其特征在于所述的步骤中，Au薄膜在氩气氛围下退火5分钟，退火温度为300℃，圆形电极的直径约为1.2mm
实施例3
采用分子束外延(MBE)技术在c面蓝宝石衬底上制备ZnO薄膜。Zn源温度被控制在230℃，衬底1温度保持在450℃，射频功率为280W，O2流量为1.4sccm，生长80min薄膜层厚度约为180nm。
将上述已制得的蓝宝石衬底上的ZnO薄膜层2遮挡一部分后，放入沉积室，采用磁控溅射的方法在其上生长非晶Ga2O3薄膜，Ga2O3陶瓷靶材纯度是99.99％，使用磁控溅射技术的具体生长参数为:工作气氛为氩气，工作气压为2Pa，背底真空压强小于1×10-4Pa，衬底1温度为室温，溅射功率为60W溅射时间为130min，得到的非晶Ga2O3薄膜层3的厚度约为210nm。
器件电极的制备：利用掩膜版并通过磁控溅射技术在ZnO薄膜和非晶Ga2O3薄膜上面沉积一层Au薄膜作为测量电极。其特征在于所述的步骤中，Au薄膜在氩气氛围下退火5分钟，退火温度为300℃，圆形电极的直径约为1.2mm
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种异质结紫外探测器，其特征在于，包括：衬底(1)、制备于衬底(1)上的ZnO薄膜层(2)、制备于ZnO薄膜层(2)上的非晶Ga2O3薄膜层(3)、分别制备于非晶Ga2O3薄膜层(3)和ZnO薄膜层(2)上的接触电极(4)；所述ZnO薄膜层(2)与非晶Ga2O3薄膜层(3)接触面形成ZnO/非晶Ga2O3异质结；所述ZnO薄膜层(2)的厚度为100～180nm；所述非晶Ga2O3薄膜层(3)的厚度为150～210nm。
2.如权利要求1所述的异质结紫外探测器，其特征在于，所述衬底(1)为蓝宝石衬底。
3.如权利要求1所述的异质结紫外探测器，其特征在于，所述非晶Ga2O3薄膜层(3)的面积小于所述ZnO薄膜层(2)的面积。
4.如权利要求1所述的异质结紫外探测器，其特征在于，所述接触电极(4)层材料为Au；负极制备于非晶Ga2O3薄膜层(3)上，正极制备于ZnO薄膜层(2)上；形状为圆形，厚度为10～20nm。
5.一种异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于，
S1：准备一蓝宝石衬底，在衬底(1)表面生长ZnO薄膜层(2)；
S2：在所述ZnO薄膜层(2)表面生长非晶Ga2O3薄膜层(3)，ZnO薄膜层(2)与非晶Ga2O3薄膜层(3)的接触面形成异质结结构；
S3：在所述非晶Ga2O3薄膜层(3)和ZnO薄膜层(2)上形成接触电极(4)。
6.如权利要求5所述的异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述ZnO薄膜层(2)的制备方法为分子外延技术。
7.如权利要求5所述的异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述，非晶Ga2O3薄膜层(3)的制备方法为磁控溅射技术。
8.如权利要求5所述的异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述接触电极(4)层材料为Au；负极制备于非晶Ga2O3薄膜层(3)上，正极制备于ZnO薄膜层(2)上；形状为圆形；制备方法为磁控溅射技术。
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