CN113451435A - 一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法与应用 - Google Patents
一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法与应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)采用脉冲激光沉积法在衬底的表面制备单晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品；(2)将步骤(1)所得薄膜样品进行退火处理；(3)在步骤(2)所得薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器。所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极。本发明提供的方法降低了制备难度与生产成本的同时实现了氧化镓晶相与形貌可控，提升了光电检测器的灵敏度和响应速度。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，涉及一种日盲紫外光电探测器，尤其涉及一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法与应用。
背景技术
光电探测器是最重要的光电器件之一，通过光电信号的转换来进行感知。在国民经济的各个领域都有着广泛的应用，如光度计量、射线测量和探测、生物医学测试分析、工业自动化控制、森林及农田火灾预警、天文气象和环保检测、空间通讯、光谱校准和可视化等诸多领域。近几年，紫外探测尤其是日盲紫外波段(200-280nm)的探测也引起了人们广泛的关注，在紫外制导、紫外通讯、野外搜救、无人机电力巡线、智能电网通讯监测、交通运输破雾引航、井下通信等方面有着广阔的应用前景，尤其是军事应用领域在精确制导、预警和保密通讯方面的应用，对高灵敏度、快速响应的日盲紫外光电探测器的需求日益迫切。
目前，在宽带隙半导体中，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，被公认为是未来用于电子电力领域的杰出材料。相较于第一代半导体材料如硅、锗等，后续发展的第二代半导体材料如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等化合物可以保证功率转换系统中的能源效率更高，可适用于发光器件和微波、毫米波器件的制造，并广泛应用于通讯与互联网领域。随着半导体行业的发展，传统半导体材料制备的电子器件在功率、能耗以及尺寸等方面均已无法满足当今行业需求，因此，第三代半导体材料如SiC和GaN便应运而生。
与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料的禁带宽度更大、热稳定性更好、击穿电压更高、抗辐射能力更强，在光电探测、航空航天以及国防等领域均具有巨大的发展潜力。然而由于第三代半导体材料的禁带宽度小于4eV，使得这些材料虽然在可见光区域内高度透明，但是在紫外光区域内透明度较低，甚至不透明。
β-Ga2O3的带隙为4.8eV对应于日盲区波段，因而在紫外探测器领域具有极大的应用潜力。已报道的β-Ga2O3紫外探测器件已显示出高光响应度和量子效率、低暗电流等优异性能，是满足高灵敏紫外探测的优选材料，有望实现高增益、低噪声、快速响应的深紫外响应特性。β-Ga2O3是Ga2O3众多晶相中最稳定的晶相，其他晶相在650-900℃下都会转变为β-Ga2O3，良好的热稳定性使得β-Ga2O3可相对容易地获得体单晶和外延薄膜。然而常规制备方法如磁控溅射、金属有机气相沉积与分子束外延等均存在各自不同的问题，如单晶生长所需温度过高，薄膜生产周期过长，难以实现大规模生产，设备昂贵，维修成本高等。
由此可见，如何提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法，降低制备难度与生产成本的同时实现晶相与形貌可控，提升光电检测器的灵敏度和响应速度，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法与应用，所述制备方法降低了制备难度与生产成本，实现了氧化镓晶相与形貌可控，提升了光电检测器的灵敏度和响应速度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用脉冲激光沉积法在衬底的表面制备单晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品；
(2)将步骤(1)所得薄膜样品进行退火处理；
(3)在步骤(2)所得薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器。
本发明中，采用脉冲激光沉积法相较于分子束外延法可降低设备使用成本，缩短单晶生长周期，适用于大规模生产应用；相较于磁控溅射法可满足单晶薄膜生产所需的较高温度；相较于金属有机气相沉积法可实现精确控制多元的组分比。从成膜角度来看，决定薄膜的晶体质量以及各种性能的关键因素是烧蚀物中粒子被衬底捕获时的动能、化学状态以及空间分布等，且大量实验表明，脉冲激光沉积法中荷电粒子的能量范围很高，远大于其他气相沉积方法。因此，采用脉冲激光沉积法是现有技术中制备单晶氧化镓薄膜的最好方法。
本发明中，在脉冲激光沉积法制备薄膜之后进行退火处理能够有效地改善薄膜晶体质量并消除残余应力，提升薄膜的光学性能。
优选地，步骤(1)所述脉冲激光沉积法在脉冲激光沉积系统中进行，具体操作包括以下步骤：
(a)将衬底清洗、干燥后粘贴于加热托上；
(b)将加热托置于加热台上，烘干衬底背面的粘胶；
(c)将加热托置于腔室内，抽真空后进行薄膜沉积。
优选地，步骤(a)所述衬底包括蓝宝石。
本发明选用蓝宝石(α-Al2O3)作为衬底，因其在可见光波长范围内有着良好的透过性、热稳定性与化学稳定性，且机械强度高，生产工艺成熟，制造成本低。
优选地，步骤(a)所述清洗采用的清洗液包括丙酮。
优选地，步骤(a)所述干燥的方式包括高纯氮气吹干。
优选地，步骤(a)所述粘贴采用的粘胶包括银胶。
优选地，步骤(b)所述烘干的温度为100-200℃，例如可以是100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(b)所述烘干的时间为10-30min，例如可以是10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min或30min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(c)所述抽真空的绝对真空度≤1×10-4Pa，例如可以是1×10-5Pa、2×10-5Pa、3×10-5Pa、4×10-5Pa、5×10-5Pa、6×10-5Pa、7×10-5Pa、8×10-5Pa、9×10-5Pa或1×10-4Pa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的衬底温度为550-750℃，例如可以是550℃、552℃、554℃、556℃、558℃、560℃、562℃、564℃、566℃、568℃或570℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，步骤(c)所述薄膜沉积的衬底温度需保持在合理范围内。当衬底温度低于550℃时，制备所得薄膜为非晶薄膜；当衬底温度高于750℃时，原子能量过高活性也更高，无法有效且有序地实现薄膜外延生长。
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的氧气分压为0.13-13Pa，例如可以是0.13Pa、0.2Pa、0.4Pa、0.6Pa、0.8Pa、1Pa、2Pa、4Pa、6Pa、8Pa、10Pa、12Pa或13Pa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，薄膜的表面形貌十分依赖于氧气分压。经过多次实验总结得出：当氧气分压高于13Pa时，氧气分子和羽辉粒子激烈碰撞，使得羽辉粒子被衬底捕获时动能和迁移率均很低，生长岛尺寸很小，此时虽然薄膜表面较为平整，但是薄膜内部氧空位密度很低；当氧气分压低于0.13Pa时，除了薄膜内部氧空位密度过高之外，生长岛尺寸也很大，薄膜表面非常粗糙。
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的激光能量为160-200mJ，例如可以是160mJ、165mJ、170mJ、175mJ、180mJ、185mJ、190mJ、195mJ或200mJ，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积采用的靶材为氧化镓陶瓷靶。
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的靶间距为40-60mm，例如可以是40mm、42mm、44mm、46mm、48mm、50mm、52mm、54mm、56mm、58mm或60mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的沉积次数为8000-12000次，例如可以是8000次、8500次、9000次、9500次、10000次、10500次、11000次、11500次或12000次，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述退火处理在管式炉中进行。
优选地，步骤(2)所述退火处理的温度为750-900℃，例如可以是750℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃、860℃、880℃或900℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，退火温度设定为750-900℃时器件的光暗电流比和光响应度达到最佳水平，这是因为未退火的样品制得的器件缺陷密度大，氧空位密度高，会捕获光生载流子，器件性能并不够出色；低于750℃时退火后的器件缺陷较多，光暗电流比较高。随着退火温度的升高，缺陷逐渐减少，肖特基势垒高度逐渐增大，从而使得光电流与暗电流均降低，只是暗电流下降的速率快于光电流，所以随着退火温度的升高，光暗电流比逐渐升高。综上可知，薄膜内部氧空位浓度并不是越低越好，而是处于某一浓度时会达到最佳状态，此时光暗电流比最大，过小或过大对于器件光暗电流比和光响应速度都是不利的。
优选地，步骤(2)所述退火处理的升温速率为8-12℃/min，例如可以是8℃/min、8.5℃/min、9℃/min、9.5℃/min、10℃/min、10.5℃/min、11℃/min、11.5℃/min或12℃/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述退火处理的时间为40-80min，例如可以是40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min或80min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述叉指电极的制备过程包括依次进行的清洗、干燥、甩胶、前烘、曝光、后烘、显影、定影、沉积电极和剥离。
优选地，步骤(3)所述叉指电极包括铂电极。
优选地，步骤(3)所述叉指电极的厚度为80-120nm，例如可以是80nm、85nm、90nm、95nm、100nm、105nm、110nm、115nm或120nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述清洗采用的清洗液包括丙酮。
优选地，所述干燥的方式包括高纯氮气吹干。
优选地，所述甩胶为将薄膜样品置于匀胶机上，在薄膜样品的薄膜一侧表面滴加负胶并启动旋转操作。
优选地，所述旋转操作的转速为3000-5000rpm，例如可以是3000rpm、3200rpm、3400rpm、3600rpm、3800rpm、4000rpm、4200rpm、4400rpm、4600rpm、4800rpm或5000rpm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述旋转操作的时间为40-80s，例如可以是40s、45s、60s、65s、70s、75s或80s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述前烘在加热台上进行。
优选地，所述前烘的温度为80-100℃，例如可以是80℃、82℃、84℃、86℃、88℃、90℃、92℃、94℃、96℃、98℃或100℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述前烘的时间为40-80s，例如可以是40s、45s、60s、65s、70s、75s或80s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述曝光在光刻板下进行。
优选地，所述曝光的时间为6-8s，例如可以是6s、6.2s、6.4s、6.6s、6.8s、7s、7.2s、7.4s、7.6s、7.8s或8s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述后烘在加热台上进行。
优选地，所述后烘的温度为90-100℃，例如可以是90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃、98℃、99℃或100℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述后烘的时间为100-140s，例如可以是100s、105s、110s、115s、120s、125s、130s、135s或140s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述显影采用的显影液包括AR300-26显影液。
优选地，所述显影的时间为20-40s，例如可以是20s、22s、24s、26s、28s、30s、32s、34s、36s、38s或40s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述定影采用的定影液包括去离子水。
优选地，所述定影的时间为20-40s，例如可以是20s、22s、24s、26s、28s、30s、32s、34s、36s、38s或40s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述沉积电极在磁控溅射系统中进行。
优选地，所述剥离为将薄膜样品置于丙酮中浸泡，去除多余残胶后吹干。
作为本发明第一方面优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用脉冲激光沉积系统在衬底的表面制备单晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品，具体操作包括以下步骤：
(a)采用丙酮清洗蓝宝石衬底，高纯氮气吹干后采用银胶将衬底粘贴于加热托上；
(b)将加热托置于加热台上，在100-200℃下烘烤10-30min至衬底背面的粘胶充分干燥；
(c)将加热托置于腔室内，抽真空至绝对真空度≤1×10-4Pa后进行薄膜沉积，衬底温度为550-750℃，氧气分压为0.13-13Pa，激光能量为160-200mJ，采用的靶材为氧化镓陶瓷靶，靶间距为40-60mm，沉积次数为8000-12000次；
(2)将步骤(1)所得薄膜样品在管式炉中进行温度为750-900℃的退火处理，且升温速率为8-12℃/min，退火时间为40-80min；
(3)在步骤(2)所得薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器，具体操作包括以下步骤：
(d)清洗：采用丙酮清洗薄膜样品；
(e)干燥：采用高纯氮气吹干薄膜样品表面的丙酮；
(f)甩胶：将薄膜样品置于匀胶机上，在薄膜样品的薄膜一侧表面滴加负胶并启动旋转操作，设置转速为3000-5000rpm，时间为40-80s；
(g)前烘：将薄膜样品置于加热台上，80-100℃下烘烤40-80s；
(h)曝光：将薄膜样品置于光刻板下进行曝光6-8s；
(i)后烘：将薄膜样品置于加热台上，90-100℃下烘烤100-140s；
(j)显影：采用AR300-26显影液对薄膜样品进行20-40s的显影；
(k)定影：采用去离子水对薄膜样品进行20-40s的定影；
(l)沉积电极：将薄膜样品置于磁控溅射系统中进行金属沉积，在薄膜样品的薄膜一侧表面制得厚度为80-120nm的铂材质叉指电极；
(m)剥离：将薄膜样品置于丙酮中浸泡，去除多余残胶后吹干。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述制备方法制备得到的单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器，所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极。
第三方面，本发明提供一种如第二方面所述光电探测器在民用及军事领域的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器灵敏度高，光暗电流比最高可达103数量级，响应速度快，制备条件可控且重复性好，降低了生产成本的同时实现了氧化镓晶相与形貌可控，为改善日盲紫外光谱探测器提供新思路和方法。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极；所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用脉冲激光沉积系统在衬底的表面制备单晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品，具体操作包括以下步骤：
(a)采用丙酮清洗蓝宝石衬底，高纯氮气吹干后采用银胶将衬底粘贴于加热托上；
(b)将加热托置于加热台上，在150℃下烘烤20min至衬底背面的粘胶充分干燥；
(c)将加热托置于腔室内，抽真空至绝对真空度为5×10-5Pa后进行薄膜沉积，衬底温度为650℃，氧气分压为1.3Pa，激光能量为180mJ，采用的靶材为氧化镓陶瓷靶，靶间距为50mm，沉积次数为10000次；
(2)将步骤(1)所得薄膜样品在管式炉中进行温度为800℃的退火处理，且升温速率为10℃/min，退火时间为60min；
(3)在步骤(2)所得薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器，具体操作包括以下步骤：
(d)清洗：采用丙酮清洗薄膜样品；
(e)干燥：采用高纯氮气吹干薄膜样品表面的丙酮；
(f)甩胶：将薄膜样品置于匀胶机上，在薄膜样品的薄膜一侧表面滴加负胶并启动旋转操作，设置转速为4000rpm，时间为60s；
(g)前烘：将薄膜样品置于加热台上，90℃下烘烤60s；
(h)曝光：将薄膜样品置于光刻板下进行曝光7s；
(i)后烘：将薄膜样品置于加热台上，95℃下烘烤120s；
(j)显影：采用AR300-26显影液对薄膜样品进行30s的显影；
(k)定影：采用去离子水对薄膜样品进行30s的定影；
(l)沉积电极：将薄膜样品置于磁控溅射系统中进行金属沉积，在薄膜样品的薄膜一侧表面制得厚度为100nm的铂材质叉指电极；
(m)剥离：将薄膜样品置于丙酮中浸泡，去除多余残胶后吹干。
采用半导体分析测试仪(Keithley，4200-SCS)测量本实施例所得光电探测器在日盲紫外波段的紫外光照射下的光暗电流比可达103数量级，响应时间的上升时间为1s，下降时间为4s，满足高信噪比、快速响应的基本要求。
实施例2
本实施例提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极；所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用脉冲激光沉积系统在衬底的表面制备单晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品，具体操作包括以下步骤：
(a)采用丙酮清洗蓝宝石衬底，高纯氮气吹干后采用银胶将衬底粘贴于加热托上；
(b)将加热托置于加热台上，在100℃下烘烤30min至衬底背面的粘胶充分干燥；
(c)将加热托置于腔室内，抽真空至绝对真空度为1×10-5Pa后进行薄膜沉积，衬底温度为550℃，氧气分压为13Pa，激光能量为160mJ，采用的靶材为氧化镓陶瓷靶，靶间距为40mm，沉积次数为8000次；
(2)将步骤(1)所得薄膜样品在管式炉中进行温度为750℃的退火处理，且升温速率为8℃/min，退火时间为40min；
(3)在步骤(2)所得薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器，具体操作包括以下步骤：
(d)清洗：采用丙酮清洗薄膜样品；
(e)干燥：采用高纯氮气吹干薄膜样品表面的丙酮；
(f)甩胶：将薄膜样品置于匀胶机上，在薄膜样品的薄膜一侧表面滴加负胶并启动旋转操作，设置转速为3000rpm，时间为80s；
(g)前烘：将薄膜样品置于加热台上，80℃下烘烤80s；
(h)曝光：将薄膜样品置于光刻板下进行曝光6s；
(i)后烘：将薄膜样品置于加热台上，90℃下烘烤140s；
(j)显影：采用AR300-26显影液对薄膜样品进行20s的显影；
(k)定影：采用去离子水对薄膜样品进行20s的定影；
(l)沉积电极：将薄膜样品置于磁控溅射系统中进行金属沉积，在薄膜样品的薄膜一侧表面制得厚度为80nm的铂材质叉指电极；
(m)剥离：将薄膜样品置于丙酮中浸泡，去除多余残胶后吹干。
采用半导体分析测试仪(Keithley，4200-SCS)测量本实施例所得光电探测器在日盲紫外波段的紫外光照射下的光暗电流比可达103数量级，响应时间的上升时间为1s，下降时间为4s，满足高信噪比、快速响应的基本要求。
实施例3
本实施例提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极；所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用脉冲激光沉积系统在衬底的表面制备单晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品，具体操作包括以下步骤：
(a)采用丙酮清洗蓝宝石衬底，高纯氮气吹干后采用银胶将衬底粘贴于加热托上；
(b)将加热托置于加热台上，在200℃下烘烤10min至衬底背面的粘胶充分干燥；
(c)将加热托置于腔室内，抽真空至绝对真空度为1×10-4Pa后进行薄膜沉积，衬底温度为750℃，氧气分压为0.13Pa，激光能量为200mJ，采用的靶材为氧化镓陶瓷靶，靶间距为60mm，沉积次数为12000次；
(2)将步骤(1)所得薄膜样品在管式炉中进行温度为900℃的退火处理，且升温速率为12℃/min，退火时间为80min；
(3)在步骤(2)所得薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器，具体操作包括以下步骤：
(d)清洗：采用丙酮清洗薄膜样品；
(e)干燥：采用高纯氮气吹干薄膜样品表面的丙酮；
(f)甩胶：将薄膜样品置于匀胶机上，在薄膜样品的薄膜一侧表面滴加负胶并启动旋转操作，设置转速为5000rpm，时间为40s；
(g)前烘：将薄膜样品置于加热台上，100℃下烘烤40s；
(h)曝光：将薄膜样品置于光刻板下进行曝光8s；
(i)后烘：将薄膜样品置于加热台上，100℃下烘烤100s；
(j)显影：采用AR300-26显影液对薄膜样品进行40s的显影；
(k)定影：采用去离子水对薄膜样品进行40s的定影；
(l)沉积电极：将薄膜样品置于磁控溅射系统中进行金属沉积，在薄膜样品的薄膜一侧表面制得厚度为120nm的铂材质叉指电极；
(m)剥离：将薄膜样品置于丙酮中浸泡，去除多余残胶后吹干。
采用半导体分析测试仪(Keithley，4200-SCS)测量本实施例所得光电探测器在日盲紫外波段的紫外光照射下的光暗电流比可达103数量级，响应时间的上升时间为1s，下降时间为4s，满足高信噪比、快速响应的基本要求。
实施例4
本实施例提供一种氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次设置的衬底、氧化镓薄膜和叉指电极；所述制备方法除了将步骤(c)中的衬底温度降为500℃，其余条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。
相较于实施例1，由于衬底温度的降低，本实施例所得氧化镓薄膜为非晶薄膜。
实施例5
本实施例提供一种氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次设置的衬底、氧化镓薄膜和叉指电极；所述制备方法除了将步骤(c)中的衬底温度升为800℃，其余条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。
相较于实施例1，由于衬底温度的升高，本实施例无法有效且有序地实现薄膜外延生长。
实施例6
本实施例提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极；所述制备方法除了将步骤(c)中的氧气分压降为0.1Pa，其余条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。
相较于实施例1，由于氧气分压的降低，本实施例所得氧化镓薄膜内部氧空位密度过高，生长岛尺寸过大，薄膜表面非常粗糙，光响应速度也不及实施例1。
实施例7
本实施例提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极；所述制备方法除了将步骤(c)中的氧气分压升为15Pa，其余条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。
相较于实施例1，由于氧气分压的升高，本实施例中氧气分子和羽辉粒子激烈碰撞，使得羽辉粒子被衬底捕获时动能和迁移率均很低，生长岛尺寸很小，此时虽然薄膜表面较为平整，但是薄膜内部氧空位密度很低。
对比例1
本对比例提供一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极；所述制备方法除了去除步骤(2)，即薄膜沉积后不进行退火处理，而是直接进行叉指电极的制备，其余条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。
采用半导体分析测试仪(Keithley，4200-SCS)测量本对比例所得光电探测器在日盲紫外波段的紫外光照射下的光暗电流比为102数量级，响应时间的上升时间为1.4s，下降时间为4.4s，信噪比与响应速度均不及实施例1。
本发明中，实施例1-7与对比例1所述脉冲激光沉积系统的型号为PLD-450，沉积系统中脉冲激光器的型号为COMPEX Pro102F。
由此可见，本发明提供的单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器灵敏度高，光暗电流比最高可达103数量级，响应速度快，制备条件可控且重复性好，降低了生产成本的同时实现了氧化镓晶相与形貌可控，为改善日盲紫外光谱探测器提供新思路和方法。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用脉冲激光沉积法在衬底的表面制备单晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品；
(2)将步骤(1)所得薄膜样品进行退火处理；
(3)在步骤(2)所得薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述脉冲激光沉积法在脉冲激光沉积系统中进行，具体操作包括以下步骤：
(a)将衬底清洗、干燥后粘贴于加热托上；
(b)将加热托置于加热台上，烘干衬底背面的粘胶；
(c)将加热托置于腔室内，抽真空后进行薄膜沉积。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(a)所述衬底包括蓝宝石；
优选地，步骤(a)所述清洗采用的清洗液包括丙酮；
优选地，步骤(a)所述干燥的方式包括高纯氮气吹干；
优选地，步骤(a)所述粘贴采用的粘胶包括银胶；
优选地，步骤(b)所述烘干的温度为100-200℃；
优选地，步骤(b)所述烘干的时间为10-30min。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)所述抽真空的绝对真空度≤1×10-4Pa；
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的衬底温度为550-750℃；
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的氧气分压为0.13-13Pa；
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的激光能量为160-200mJ；
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积采用的靶材为氧化镓陶瓷靶；
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的靶间距为40-60mm；
优选地，步骤(c)所述薄膜沉积的沉积次数为8000-12000次。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述退火处理在管式炉中进行；
优选地，步骤(2)所述退火处理的温度为750-900℃；
优选地，步骤(2)所述退火处理的升温速率为8-12℃/min；
优选地，步骤(2)所述退火处理的时间为40-80min。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述叉指电极的制备过程包括依次进行的清洗、干燥、甩胶、前烘、曝光、后烘、显影、定影、沉积电极和剥离；
优选地，步骤(3)所述叉指电极包括铂电极；
优选地，步骤(3)所述叉指电极的厚度为80-120nm。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述清洗采用的清洗液包括丙酮；
优选地，所述干燥的方式包括高纯氮气吹干；
优选地，所述甩胶为将薄膜样品置于匀胶机上，在薄膜样品的薄膜一侧表面滴加负胶并启动旋转操作；
优选地，所述旋转操作的转速为3000-5000rpm；
优选地，所述旋转操作的时间为40-80s；
优选地，所述前烘在加热台上进行；
优选地，所述前烘的温度为80-100℃；
优选地，所述前烘的时间为40-80s；
优选地，所述曝光在光刻板下进行；
优选地，所述曝光的时间为6-8s；
优选地，所述后烘在加热台上进行；
优选地，所述后烘的温度为90-100℃；
优选地，所述后烘的时间为100-140s；
优选地，所述显影采用的显影液包括AR300-26显影液；
优选地，所述显影的时间为20-40s；
优选地，所述定影采用的定影液包括去离子水；
优选地，所述定影的时间为20-40s；
优选地，所述沉积电极在磁控溅射系统中进行；
优选地，所述剥离为将薄膜样品置于丙酮中浸泡，去除多余残胶后吹干。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用脉冲激光沉积系统在衬底的表面制备单晶氧化镓薄膜，得到薄膜样品，具体操作包括以下步骤：
(a)采用丙酮清洗蓝宝石衬底，高纯氮气吹干后采用银胶将衬底粘贴于加热托上；
(b)将加热托置于加热台上，在100-200℃下烘烤10-30min至衬底背面的粘胶充分干燥；
(c)将加热托置于腔室内，抽真空至绝对真空度≤1×10-4Pa后进行薄膜沉积，衬底温度为550-750℃，氧气分压为0.13-13Pa，激光能量为160-200mJ，采用的靶材为氧化镓陶瓷靶，靶间距为40-60mm，沉积次数为8000-12000次；
(2)将步骤(1)所得薄膜样品在管式炉中进行温度为750-900℃的退火处理，且升温速率为8-12℃/min，退火时间为40-80min；
(3)在步骤(2)所得薄膜样品的薄膜一侧表面制备叉指电极，得到单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器，具体操作包括以下步骤：
(d)清洗：采用丙酮清洗薄膜样品；
(e)干燥：采用高纯氮气吹干薄膜样品表面的丙酮；
(f)甩胶：将薄膜样品置于匀胶机上，在薄膜样品的薄膜一侧表面滴加负胶并启动旋转操作，设置转速为3000-5000rpm，时间为40-80s；
(g)前烘：将薄膜样品置于加热台上，80-100℃下烘烤40-80s；
(h)曝光：将薄膜样品置于光刻板下进行曝光6-8s；
(i)后烘：将薄膜样品置于加热台上，90-100℃下烘烤100-140s；
(j)显影：采用AR300-26显影液对薄膜样品进行20-40s的显影；
(k)定影：采用去离子水对薄膜样品进行20-40s的定影；
(l)沉积电极：将薄膜样品置于磁控溅射系统中进行金属沉积，在薄膜样品的薄膜一侧表面制得厚度为80-120nm的铂材质叉指电极；
(m)剥离：将薄膜样品置于丙酮中浸泡，去除多余残胶后吹干。
9.一种如权利要求1-8任一项所述制备方法制备得到的单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括依次设置的衬底、单晶氧化镓薄膜和叉指电极。
10.一种如权利要求9所述光电探测器在民用及军事领域的应用。
Priority Applications (1)
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| CN202110738948.7A CN113451435A (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法与应用 |
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| CN202110738948.7A CN113451435A (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法与应用 |
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| CN202110738948.7A Pending CN113451435A (zh) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 一种单晶氧化镓基日盲紫外光电探测器及其制备方法与应用 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115000228A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-09-02 | 厦门大学 | 一种高性能Ga2O3薄膜有源日盲紫外探测器及其制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN104988579A (zh) * | 2015-07-08 | 2015-10-21 | 西安电子科技大学 | 基于蓝宝石衬底的氧化镓薄膜及其生长方法 |
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-
2021
- 2021-06-30 CN CN202110738948.7A patent/CN113451435A/zh active Pending
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