CN113659020A - 日盲紫外探测器及其制备方法、以及日盲紫外探测方法 - Google Patents

日盲紫外探测器及其制备方法、以及日盲紫外探测方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种日盲紫外探测器及其制备方法、以及日盲紫外探测方法，属于日盲紫外探测技术领域。探测器包括：高阻非晶氧化镓层，氧空位浓度和致密度可在1～2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积，厚度15～30nm，有相对的第一和第二表面；低阻非晶氧化镓层，氧空位浓度和致密度可在不高于0.2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积，连接于第一表面；收集电极，有分别与第二表面连接的第一和第二电极。探测方法采用探测器，包括：在20～100V的工作电压下进行探测；或每次探测后转换电压正负性。探测器作为两端结构可兼具高的响应度和低的暗电流；探测时能够获得较大的光电流增益而实现高的比探测率，还能够有效减弱持续光电导。

Description

日盲紫外探测器及其制备方法、以及日盲紫外探测方法
本申请主张于2021年02月26日提交的中国专利申请(2021102233472)的优先权，该专利申请以全文被引入的方式整体并入本文。
技术领域
本申请涉及日盲紫外探测技术领域，具体而言，涉及一种日盲紫外探测器及其制备方法、以及日盲紫外探测方法。
背景技术
波长处于220～280nm的紫外光在经过大气臭氧层时被全部吸收，地表几乎不存在该波段的紫外光，因此被称为日盲紫外。在地表检测到的该波段信号除人为制造的日盲紫外光源，通常来自非自然的危险信号，如火灾、导弹发射或高压电线漏电。因此，相比红外探测，日盲紫外探测具有更高的信噪比和更低的虚警率，在导弹尾焰探测、火焰探测、高压输电线电晕检测等方面具有更大优势。
火焰、高压电晕和导弹尾焰辐射出的日盲紫外强度是很弱的，而且也容易被大气中的物质散射和吸收，这就要求日盲紫外探测器具有极高的弱光探测能力，即高比探测率。
目前，商业化的日盲紫外探测器多是利用光电阴极结合微通道板技术的光敏电真空器件，离不开昂贵的滤光片以及高压调制。宽带隙半导体材料如AlGaN、MgZnO和Ga2O3无需滤光片，有望获得全固态日盲紫外探测器而被大量研究，但是，上述宽带隙半导体单晶材料的制备需要昂贵的单晶衬底和复杂的外延工艺。近年来，研究发现非晶氧化镓材料在日盲紫外光电探测方面展示出了非常优异的性能。而且，相比于单晶或多晶材料，非晶氧化镓材料可利用常规的溅射等工艺在基片上大面积均匀成膜，无需单晶衬底和复杂的外延工艺，成本低廉。
但是，目前的非晶氧化镓日盲紫外探测器，制作成金属-半导体-金属结构的两端器件时，很难同时具有高的响应度和低的暗电流。另外，一般具有高响应度的氧化物半导体材料都会存在持续光电导的现象，会严重影响器件的连续工作性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种日盲紫外探测器及其制备方法、以及日盲紫外探测方法，探测器作为两端结构即可兼具高的响应度和低的暗电流，探测方法能够获得较大的光电流增益，还能够有效减弱持续光电导。
本申请的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请提供一种日盲紫外探测器，包括：高阻非晶氧化镓层、低阻非晶氧化镓层以及收集电极。
高阻非晶氧化镓层的氧空位浓度和致密度可在1～2sccm的氧流量条件下沉积得到，厚度为15～30nm，具有相对的第一表面和第二表面。
低阻非晶氧化镓层的氧空位浓度和致密度可在不高于0.2sccm的氧流量条件下沉积得到，连接于第一表面。
收集电极具有分别与第二表面连接的第一电极和第二电极。
第二方面，本申请提供一种如第一方面提供的日盲紫外探测器的制备方法，包括：形成依次连接的收集电极、高阻非晶氧化镓层以及低阻非晶氧化镓层。
第三方面，本申请提供一种日盲紫外探测方法，包括：在20～100V的工作电压下，采用如第一方面提供的日盲紫外探测器对日盲紫外光进行探测。
第四方面，本申请提供一种日盲紫外探测方法，包括：采用如第一方面提供的日盲紫外探测器对日盲紫外光进行探测，每完成一次检测后将工作电压的正负性进行转换。
本申请实施例提供的日盲紫外探测器及其制备方法、以及日盲紫外探测方法，有益效果包括：
本申请的日盲紫外探测器中，低阻非晶氧化镓层在较低的特定氧流量条件下沉积得到，具有较多的氧空位，且具有合适的致密度，在日盲紫外辐照时，该低阻非晶氧化镓层中的氧空位光电离并在电场驱动下迁移至肖特基界面附近造成肖特基势垒降低，因此可以获得很高的响应度。高阻非晶氧化镓层在相对较高的氧流量条件下沉积得到，具有相对较少的氧空位，且具有合适的致密度，在暗态时，该高阻非晶氧化镓层与收集电极之间能形成良好的肖特基接触，因此具有极低的暗电流。通过低阻非晶氧化镓层和高阻非晶氧化镓层的配合，该探测器作为两端结构即可兼具高的响应度和低的暗电流，具有很强的弱光探测能力。
本申请的日盲紫外探测方法，采用日盲紫外探测器在20～100V的工作电压下进行探测，利用高阻非晶氧化镓层实现稳定的且极低的暗电流，同时利用低阻非晶氧化镓层降低肖特基势垒实现极高的光电流，实现高的比探测率。因此该探测器可探测到环境中极弱的日盲紫外光。
本申请的日盲紫外探测方法，采用日盲紫外探测器进行探测，在每次每完成一次检测后将工作电压的正负性进行转换，光电流能够很快恢复并较稳定地保持在暗态电流量级，有效地减弱了持续光电导的现象，使得日盲紫外探测器能够较好地进行高比探测率的连续工作。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的第一种日盲紫外探测器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的第一种日盲紫外探测器的剖面结构示意图；
图3为本申请实施例提供的第二种日盲紫外探测器的剖面结构示意图；
图4为本申请实施例提供的第一种日盲紫外探测器的制备工艺流程图；
图5为本申请实施例提供的第二种日盲紫外探测器的制备工艺流程图；
图6为本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在暗态下的I-V曲线；
图7为本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外辐照下的I-V曲线；
图8为本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在读取电压为50V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图9为本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在读取电压为50V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应速度图；
图10为本申请实施例2制得的日盲紫外探测器在读取电压为30V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图11为本申请实施例2制得的日盲紫外探测器在读取电压为40V、光功率密度为2nW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图12为本申请实施例2制得的日盲紫外探测器在读取电压为50V、光功率密度为2nW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图13为本申请实施例2制得的日盲紫外探测器在读取电压为60V、光功率密度为2nW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图14为本申请实施例2制得的日盲紫外探测器在读取电压为70V、光功率密度为2nW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图15为本申请实施例3制得的日盲紫外探测器在暗态下的I-V曲线；
图16为本申请实施例3制得的日盲紫外探测器在读取电压为80V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图17为本申请对比例1制得的日盲紫外探测器在暗态下的I-V曲线；
图18为本申请对比例2制得的日盲紫外探测器在暗态下的I-V曲线；
图19为本申请对比例3制得的日盲紫外探测器在暗态下、读取电压为20V的I-t图；
图20为本申请对比例4制得的日盲紫外探测器在读取电压为10V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图21为本申请对比例5制得的日盲紫外探测器在读取电压为10V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图；
图22为本申请对比例6提供的日盲紫外探测器的剖面结构示意图；
图23为本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外辐照下的±80V循环工作曲线；
图24为本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外辐照下的±10V循环工作曲线；
图25为本申请对比例6制得的日盲紫外探测器在光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外辐照下利用栅压脉冲抑制持续光电导的效果图。
图标：11-基片；12-低阻非晶氧化镓层；13-高阻非晶氧化镓层；141-第一电极；142-第二电极；21-Cr栅电极；22-氧化铝介质层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，本申请中的“和/或”，如“特征1和/或特征2”，均是指可以单独地为“特征1”、单独地为“特征2”、“特征1”加“特征2”，该三种情况。
另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“一种或多种”中的“多种”的含义是指两种及两种以上；“数值a～数值b”的范围包括两端值“a”和“b”，“数值a～数值b+计量单位”中的“计量单位”代表“数值a”和“数值b”二者的“计量单位”。
下面对本申请实施例的日盲紫外探测器及其制备方法、以及日盲紫外探测方法进行具体说明。
请参阅图1～图3，第一方面，本申请提供一种日盲紫外探测器，包括：高阻非晶氧化镓层13、低阻非晶氧化镓层12以及收集电极。
高阻非晶氧化镓层13具有相对的第一表面和第二表面；低阻非晶氧化镓层12连接于第一表面；收集电极具有第一电极141和第二电极142，第一电极141和第二电极142分别与第二表面连接。
本申请中，高阻非晶氧化镓层13的氧空位浓度和致密度，可在1～2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得到，具有相对较少的氧空位，相较于高氧空位的氧化镓层而言修复了肖特基接触性能。在暗态时，该高阻非晶氧化镓层13与收集电极之间能形成良好的肖特基接触，在特定的较高的读取电压下具有稳定的且极低的暗电流。
作为一些示例，高阻非晶氧化镓层13的氧空位浓度和致密度，可在磁控溅射沉积时的氧流量条件例如但不限于为1sccm、1.1sccm、1.2sccm、1.3sccm、1.4sccm、1.5sccm、1.6sccm、1.7sccm、1.8sccm、1.9sccm和2sccm中的任意一者点值或任意两者之间的范围值的条件下得到。
发明人研究发现，若高阻非晶氧化镓层13在沉积时的氧流量过低，该高阻非晶氧化镓层13中还存在较多的氧空位，不能有效地发挥抑制暗电流的作用。若高阻非晶氧化镓层13在沉积时的氧流量过高，在沉积时粒子因气氛中存在大量的氧气而发生碰撞减速、失去能量，导致生长得到的该高阻非晶氧化镓层13结构较为疏松，也不能很好地发挥抑制暗电流的作用。
需要说明的是，在本申请的实施例中，预设的非晶氧化镓层的氧空位浓度和致密度可在特定的氧流量条件下磁控溅射沉积得到，是指在特定的氧流量条件下磁控溅射沉积得到的非晶氧化镓层的氧空位浓度和致密度，与预设的非晶氧化镓层的氧空位浓度和致密度要求相同。因此，在本申请中，非晶氧化镓层不限于在特定的氧流量条件下磁控溅射沉积得到，其也可以采用其他的沉积方式得到，只要能够得到同样的氧空位浓度和致密度即可。
发明人研究还发现，高阻非晶氧化镓层13需要具备合适的厚度，才能有效地发挥抑制暗电流的作用。当高阻非晶氧化镓层13的厚度过小时，导致宽禁带半导体薄膜修饰层过薄，不能有效地发挥抑制暗电流的作用。当高阻非晶氧化镓层13的厚度过大时，一方面，大部分光会被该高阻非晶氧化镓层13吸收；另一方面，大部分电场被施加在该高阻非晶氧化镓层13上，会使得低阻非晶氧化镓层12在光照下的肖特基势垒降低效应大大减弱，进而使得响应度变得很小，最终导致比探测率降低。
本申请中，高阻非晶氧化镓层13的厚度为15～30nm，例如但不限于为10nm、15nm、20nm、25nm和30nm中的任意一者点值或任意两者之间的范围值。
本申请中，低阻非晶氧化镓层12的氧空位浓度和致密度可在不高于0.2sccm的氧流量条件下沉积得到，具有较多的氧空位。由于高阻非晶氧化镓层13很薄，在日盲紫外辐照时，绝大部分的光被该低阻非晶氧化镓层12吸收。而由于该低阻非晶氧化镓层12具有较多的氧空位，氧空位吸收日盲紫外光后电离并在电场下迁移对肖特基势垒的降低产生巨大的增益，可以获得很高的响应度。
现有技术中，三端晶体管结构工作于耗尽状态下抑制暗电流，实现最高比探测率为1.87×1015Jones。金属-半导体-金属结构的两端器件相对于三端结构的成本低廉、制备工艺简单，但是很难同时具有高的响应度和低的暗电流。
本申请提供的日盲紫外探测器，以低阻非晶氧化镓层12和高阻非晶氧化镓层13作为感光层，通过低阻非晶氧化镓层12和高阻非晶氧化镓层13的配合，该探测器作为仅具有第一电极141和第二电极142的两端结构时，即可兼具高的响应度和低的暗电流。经研究发现，其响应电流可高达到2×10-4～5×10-3A，光暗比可高达7～9个数量级，响应度可高达1.1×105～4.4×108A/W，比探测率可高达4.22×1017～8.44×1020Jones，具有很强的弱光探测能力，在火焰预警、电晕预警和导弹尾焰探测等方面具有重大应用前景。
考虑到低阻非晶氧化镓层12在沉积时的氧流量越小，沉积得到的该低阻非晶氧化镓层12的氧空位越多，对肖特基势垒的降低的增益越大，能够获得更高的响应度。
在一些示例性的实施方案中，低阻非晶氧化镓层12在沉积时的氧流量条件不高于0.1sccm。例如，低阻非晶氧化镓层12的氧空位浓度和致密度可在无氧流量的条件下磁控溅射沉积得到。
同时，考虑到低阻非晶氧化镓层12具有合适的厚度时，有利于在保持日盲紫外探测器整体性能的同时，较好地发挥降低肖特基势垒的功效。
在一些示例性的实施方案中，低阻非晶氧化镓层12的厚度为60～200nm，例如但不限于为60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm和200nm中的任意一者点值或任意两者之间的范围值。
由于高功函数的材料有利于与高阻非晶氧化镓层13形成高势垒的肖特基结，能够降低暗电流，实现更高的比探测率。
可选地，收集电极的材料为高功函数电极，例如但不限于为ITO、Au、Pt、Pd和MXene中的一种。
考虑到收集电极的厚度对其发挥的电学性能有一定的影响，合适的厚度有利于保证其较好作业。
示例性地，收集电极的厚度为10～300nm，例如但不限于为10nm、50nm、150nm、200nm、250nm和300nm中的任意一者点值或任意两者之间的范围值。
需要说明的是，在本申请的实施例中，收集电极设置的第一电极141和第二电极142用于与感光层形成金属-半导体-金属结构的两端器件，该收集电极可以按照本领域公知的两端器件的收集电极形式进行设置。
可选地，第一电极141和第二电极142设置为环形电极、叉指电极和片状电极中的一种电极，当然，第一电极141和第二电极142也可以设置为其他形状的电极。
作为一种示例，第一电极141和第二电极142设置为叉指电极时，第一电极141的叉指和第二电极142的叉指沿预设方向交替间隔设置。第一电极141的叉指和第二电极142的叉指在该预设方向上的宽度和间距不限，只要使得第一电极141和第二电极142之间不产生短路即可，其可选地为5～10μm，或5～7μm，例如为5μm。
可以理解的是，在本申请的实施例中，日盲紫外探测器和本领域常规的探测器一样设置有基片11；该基片11可以按照本领域公知的方式进行设置，该基片11的设置方式也可以根据需要进行调整。另外，在本申请的日盲紫外探测器，还可以根据需要设置其他的功能结构。
发明人研究发现，在本申请中，将基片11设置于低阻非晶氧化镓层12所在的一侧或者设置于收集电极所在的一侧，日盲紫外探测器均能较好地发挥高比探测率的日盲紫外检测功能。
请参阅图1～2，作为第一种示例，日盲紫外探测器的基片11连接于低阻非晶氧化镓层12的远离高阻非晶氧化镓层13的一侧。即，日盲紫外探测器包括依次连接的基片11、低阻非晶氧化镓层12、高阻非晶氧化镓层13以及收集电极。
请参阅图3，作为第二种示例，日盲紫外探测器的基片11连接于收集电极的远离高阻非晶氧化镓层13的一侧。即，日盲紫外探测器包括依次连接的基片11、收集电极、高阻非晶氧化镓层13以及低阻非晶氧化镓层12。
需要说明的是，本申请的图2和图3仅用于对第一电极141和第二电极142的分布位置进行示意，其并未示出第一电极141和第二电极142的叉指等具体结构。
另外，在本申请的实施例中，低阻非晶氧化镓层12、高阻非晶氧化镓层13不限于为两个表面均为平面的层结构，为了保证和相邻的结构层较好地贴合，其可以根据需要设置对应的凹陷或者凸起机构。
作为示例，请继续参阅图3，在收集电极设置于基片11的实施方式中，收集电极具有一定厚度而且仅均布覆盖于基片11，在形成高阻非晶氧化镓层13时，高阻非晶氧化镓层13不仅与收集电极的表面连接，同时与基片11未被收集电极覆盖的表面连接。由于高阻非晶氧化镓层13的厚度较小，该同时与收集电极的表面及基片11未被收集电极覆盖的表面连接的高阻非晶氧化镓层13，其与第一电极141和第二电极142对应的部位具有高阻凸起。进一步地，在该具有高阻凸起的表面形成的低阻非晶氧化镓层12，其与第一电极141和第二电极142对应的部位具有低阻凸起。
可以理解的是，基片11的材料也可以根据本领域公式的材料类型进行选择。考虑到本申请的感光层设置为非晶氧化镓层，其在制备时无需单晶衬底和复杂的外延工艺，可以通过沉积方式得到，整个工艺过程都可在低温下完成，成本低廉，工艺简单，适于大面积的产业化生产。且该沉积的方式可在以实现在柔性材料上制备，能够较好地与柔性印刷电子工艺兼容。因此，本申请提供的日盲紫外探测器，其基片11除了可以是刚性基片11，也可以是柔性基片11。
作为基片11为刚性基片11的示例，刚性基片11的材质为硅片、蓝宝石和石英玻璃中的一种。
作为基片11为柔性基片11的示例，柔性基片11的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)和有机玻璃中的一种。
发明人研究发现，基片11为有机材料材质的柔性基片11时，例如柔性基片11的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯时，存在对环境中的气体吸附的情况，且在后续制备工艺中存在由于热效应引起的形变，可能会对日盲紫外探测器的整体性能产生一定的影响。
为了有效改善柔性基片11的上述问题，可选地，柔性基片11的内表面覆盖有包覆层，该包覆层材质为氧化铝或者氧化铪。
请参阅图4～图5，第二方面，本申请提供一种如第一方面提供的日盲紫外探测器的制备方法，包括：形成依次连接的收集电极、高阻非晶氧化镓层以及低阻非晶氧化镓层。
可以理解的是，在本申请中，由于日盲紫外探测器还包括基片，在制备工艺，依次连接的收集电极、高阻非晶氧化镓层以及低阻非晶氧化镓层是按照一定的顺序依次直接或间接在基片上形成的。
请参阅图4，在基片连接于低阻非晶氧化镓层的远离高阻非晶氧化镓层的一侧的实施方案中(如图1～2所示)，日盲紫外探测器的制备方法包括：先在基片上形成覆盖基片的低阻非晶氧化镓层，然后形成覆盖低阻非晶氧化镓层的高阻非晶氧化镓层，然后再形成覆盖高阻非晶氧化镓层部分区域的收集电极。
请参阅图5，在基片连接于收集电极的远离高阻非晶氧化镓层的一侧的实施方案中(如图1～2所示)，日盲紫外探测器的制备方法包括：先在基片上形成覆盖基片部分区域的收集电极，然后形成覆盖收集电极和基片未被收集电极覆盖的区域的高阻非晶氧化镓层，再形成覆盖高阻非晶氧化镓层的低阻非晶氧化镓层。
需要说明的是，在本申请的实施例中，非晶氧化镓层可以按照本领域公知的方式进行生长，例如可以通过真空沉积方式或常压生长方式进行沉积。其中，真空沉积方式例如为磁控溅射沉积、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层沉积和分子束外延沉积中的一种，其能够较好地通过控制氧流量使得非晶氧化镓层中获得合适的氧空位浓度；常压生长方式例如为化学气相淀积、旋涂、滴涂、喷涂、打印和印刷中的一种。
可以理解的是，在非晶氧化镓层的沉积过程中，通过控制生长时的气氛、温度和前驱体等条件，以较好地获得预期浓度的有日盲紫外光响应的氧空位。
本申请中，整个工艺过程都可在低温下完成，可选地，高阻非晶氧化镓层和低阻非晶氧化镓层的生长温度为-20～450℃，例如但不限于为-20℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃和450℃中的任意一者点值或任意两者之间的范围值。
另外，在本申请的实施例中，收集电极可以按照本领域公知的方式进行制备，例如可以通过沉积方式形成电极基体，然后通过图案化制备得到特定形状的电极；或者通过喷墨打印或者丝网印刷等方式直接得到特定形状的电极。其中，沉积方式例如磁控溅射和热蒸发等真空沉积方式中的一种，或者旋涂和喷涂等常压沉积方式中的一种；图案化方式例如紫外曝光、激光直写等刻蚀剥离方式中的一种。
以下，将以图4所示的工艺流程作为示例，对本申请的日盲紫外探测器的制备方法进行说明。该日盲紫外探测器的制备方法包括：
S1.基片预处理。
以石英玻璃基片为例，将基片依次在丙酮、酒精和去离子水中各超声5分钟，并用氮气吹干。对应其它材料的基片，其相应地根据本领域公知的方式预处理直至得到干净、平整的基片即可。
S2.低阻非晶氧化镓层的制备。
采用真空沉积方式或者常压生长方式，形成覆盖基片的低阻非晶氧化镓层。在制备过程中，通过控制生长气氛、温度或前驱体成分等方法，在低阻非晶氧化镓中引入大量有日盲紫外光响应的氧空位缺陷。
以磁控溅射沉积方式形成低阻非晶氧化镓层为例：
作为第一种示例，可以通过纯氩的溅射气氛获得大量的氧空位。
作为第二种示例，因为铬与氧的结合能大于镓与氧的结合能，会夺走与镓结合的氧而形成更多的氧空位，因此也可以通过将氧化镓与铬共溅射的方法获得更多的氧空位。
S3.高阻非晶氧化镓层的制备。
采用真空沉积方式或者常压生长方式，形成覆盖低阻非晶氧化镓层的高阻非晶氧化镓层。在制备过程中，通过控制生长气氛、温度或前驱体成分等方法，尽量减少高阻非晶氧化镓层中的氧空位缺陷；同时，也要尽量减少非故意掺杂的施主杂质或受主杂质的浓度。
以磁控溅射高阻非晶氧化镓层为例，在溅射过程中，通过通入一定量的氧气去补充非晶氧化镓在溅射时失去的氧元素，从而将薄膜中氧空位的含量大大降低。
S4.收集电极的制备。
在高阻非晶氧化镓层的表面形成分别覆盖高阻非晶氧化镓层部分区域的第一电极和第二电极。
作为第一种示例，采用紫外曝光、显影或者定影技术在高阻非晶氧化镓层之上光刻出收集电极的结构，再放入真空腔内沉积电极材料，然后去除剩余的光刻胶及附着在光刻胶上的电极材料，保留光刻图形区域内的电极材料，形成具有第一电极和第二电极的收集电极。
作为第二种示例，先在真空腔内沉积电极材料，然后采用紫外曝光、显影或者定影技术在电极上光刻出收集电极的结构，再用电极刻蚀液进行刻蚀，最后去除光刻胶完成电极的图案化，形成具有第一电极和第二电极的收集电极。
作为第三种示例，采用掩膜、丝网印刷或喷墨打印等手段，直接在高阻非晶氧化镓层上制作具有第一电极和第二电极的收集电极。
第三方面，本申请提供一种日盲紫外探测方法，包括：在20～100V的工作电压下，采用如第一方面提供的日盲紫外探测器对日盲紫外光进行探测。
发明人研究发现，现有的日盲紫外探测器，通常是在5V偏压下对日盲紫外光进行探测，而本申请第一方面实施例提供的日盲紫外探测器，在20～100V的工作电压下进行探测，高阻非晶氧化镓层能够实现稳定的且极低的暗电流，同时有利于低阻非晶氧化镓层降低肖特基势垒，探测时能够获得较大的光电流增益和响应度。
作为一种示例，本申请提供的日盲紫外探测方法，采用日盲紫外探测器对日盲紫外光进行探测时，工作电压例如但不限于为20V、30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V和100V中的任意一者点值或任意两者之间的范围值。
发明人研究发现，采用本申请的日盲紫外探测器对日盲紫外光进行探测，随着工作电压的增加，光电流先呈指数增加，而后呈线性增加，最后逐渐饱和。在该特定的工作电压条件下，保证能够充分利用电能实现光电流的增益。当工作电压过低时，光电流处于指数增加段，不能充分发挥光电流的增益效果；当工作电压过高时，光电流的增益与工作电压的成本增加不匹配。
第四方面，本申请提供一种日盲紫外探测方法，包括：采用如第一方面提供的日盲紫外探测器对日盲紫外光进行探测，每完成一次检测后将工作电压的正负性进行转换。
发明人研究发现，一般具有高响应度的氧化物半导体材料都会存在持续光电导的现象，会严重影响器件的连续工作性能。现有技术中，一般采用两种方式消除持续光电导现象。第一种方式是高温退火方式，第二种方式是将器件制备成三端结构，利用栅压脉冲去抑制持续光电导。
退火的方式中，在一方面，需要在器件中再设置加热元件，会导致器件的结构更复杂；例如一些研究中，在器件中集成微加热丝，在检测时当紫外光撤离后立即向集成微加热丝施加适当的脉冲电压以产生一个热脉冲，从而使得电流在几秒钟之内迅速恢复，该集成微加热丝的方式不仅使得器件结构更复杂，还存在工艺复杂和成本高等问题。
将器件制备成三端结构的方式中，三端结构的器件的设置更复杂；而且，发明人还研究发现，三端结构的器件中，虽然每次检测完成后光电流能够很快恢复到暗态电流量级，但是很快又会升高到很高的水平，同样不利于多次检测的连续工作。
本申请中，高阻非晶氧化镓层的氧空位浓度具有相对较少的氧空位，使得器件保持高探测率的同时，能够有效地减弱器件的持续光电导的现象。
进一步地的研究还发现，在每次每完成一次检测后将工作电压的正负性进行转换，光电流能够很快恢复暗态电流量级，且恢复到暗态电流量级后能够长时间地保持稳定。
因此，采用本申请提供的日盲紫外探测方法对日盲紫外光进行探测时，在每次完成检测后将工作电压的正负性进行转换，使得光电流迅速恢复并保持在暗态电流量级，能有效地减弱持续光电导的现象，使得日盲紫外探测器能够较好地进行高比探测率的连续工作。
在一些可能的实施方案中，工作电压的绝对值X为0V＜X≤80V，或10V≤X≤80V，例如但不限于为10V、20V、30V、40V、50V、60V、70V和80V中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
作为一种示例，工作电压的绝对值为80V，在保证光电流能够很快恢复并较稳定地保持在暗态电流量级的同时，该较大的偏压使得探测时具有更高的光电流，从而能够获得更高的检测比探测率。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种日盲紫外探测器的制备方法，包括：
S1.基片预处理。
选用石英玻璃基片，将基片依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗干净，并用干燥的高纯氮气吹干。
S2.低阻非晶氧化镓层的制备。
将吹干的石英玻璃基片放入磁控溅射腔内，启动真空泵将真空腔抽至本底真空后，通入10sccm氩气起辉，在室温下使用氧化镓陶瓷靶沉积厚度为90nm且富含氧空位的低阻非晶氧化镓层。
S3.高阻非晶氧化镓层的制备。
生长完低阻非晶氧化镓层后，直接往磁控溅射腔里再通入1sccm氧气，在室温下溅射沉积厚度为20nm的高阻非晶氧化镓层。
S4.收集电极的制备。
将已制备了双层非晶氧化镓层的石英玻璃基片放入用于溅射金属电极的磁控溅射腔内，在纯氩气氛下溅射厚度为56nm的Au层。随后，采用涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、刻蚀和溶脱一系列工艺完成Au电极的图案化，得到收集电极，完成日盲紫外探测器的制备。
其中，收集电极为叉指电极，其结构如图1所示。第一电极和第二电极的叉指沿预设方向交替间隔设置，共75对叉指。叉指在预设方向上的宽度和间距均为5μm，叉指在垂直预设方向的方向上的长度为300μm。
实施例2
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S3步骤中，高阻非晶氧化镓层的厚度为15nm。
实施例3
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S4步骤中，共10对叉指，叉指的长度为100μm。
实施例4
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S3步骤中，高阻非晶氧化镓层的厚度为30nm。
实施例5
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S3步骤中，氧流量为2sccm。
实施例6
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S2步骤中，低阻非晶氧化镓层的厚度为60nm。
实施例7
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S2步骤中，低阻非晶氧化镓层的厚度为200nm。
实施例8
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S2步骤中，氧流量为0.2sccm。
实施例9
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S1步骤中，采用材质为PEN的基片；在吹干基片后，将基片在原子层沉积系统内制备了一层Al2O3包覆层。
实施例10
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S2步骤和S3步骤中，采用脉冲激光沉积的方法。其中，沉积的气氛不变，靶材是纯度为99.999％的Ga2O3陶瓷靶，激光器是248nm的KrF准分子激光器，脉冲能量为300mJ，脉冲频率为10Hz。
实施例11
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S2步骤和S3步骤中，采用等离子体增强化学气相沉积的方法。其中，以三甲基镓作为镓源，并以二氧化碳作为氧化剂，通过调控三甲基镓和二氧化碳的相对含量，获得与实施例1中氧空位相当的低阻非晶氧化镓层和高阻非晶氧化镓层。
实施例12
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S3步骤中，采用原子层沉积的方法。其中，以三甲基镓作为镓源，并以臭氧或水作为氧源，通过调控镓源和氧源相对含量，获得与实施例1中氧空位相当的高阻非晶氧化镓层。
对比例1
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S3步骤中，氧流量为0.5sccm。
对比例2
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S3步骤中，氧流量为5sccm。
对比例3
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S3步骤中，高阻非晶氧化镓层的厚度为10nm。
对比例4
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S2步骤中，形成厚度为80nm的低阻非晶氧化镓层，不再进行S3步骤。
对比例5
一种日盲紫外探测器的制备方法，其与实施例1的不同之处仅在于：
S2步骤中，通入10sccm氩气的同时还通入1sccm氧气，直接形成80nm的高阻非晶氧化镓层，不再形成低阻非晶氧化镓层，也不再进行S3步骤。
对比例6
一种日盲紫外探测器的制备方法，其为三端的日盲紫外探测器，图22为该三端的日盲紫外探测器的剖面结构示意图。
三端的日盲紫外探测器的结构包括：
依次层叠分布的Cr栅电极21、氧化铝介质层22、低阻非晶氧化镓层12、高阻非晶氧化镓层13以及电极，电极包括第一电极141和第二电极142。
三端的日盲紫外探测器的制备方法如下：
请继续参阅图22，在预处理好的基片(图未示)之上用磁控溅射的方法制备厚度为40nm的Cr栅电极21，然后利用光刻和刻蚀的方法对Cr栅电极21进行图形化；接着放入原子层沉积系统中，在200摄氏度的条件下生长厚度为100nm的氧化铝介质层22，然后依次形成低阻非晶氧化镓层12、高阻非晶氧化镓层13以及电极。
其中，基片预处理要求，以及低阻非晶氧化镓层12、高阻非晶氧化镓层13以及电极的形成要求，参见实施例1。
试验例1
检测方法：利用Keithley2636B源表对日盲紫外探测器进行电学测试，利用紫外增强氙灯、单色仪对日盲紫外探测器进行254nm日盲紫外线辐照。
一、实施例1制得的日盲紫外探测器的测试结果：
(1)获取实施例1制得的日盲紫外探测器在暗态下的I-V曲线，如图6所示。
根据图6可知，实施例1制得的日盲紫外探测器在暗态下，刚开始出现比较大的电流，其是因为收集电极/高阻非晶氧化镓层/低阻非晶氧化镓层之间形成的电容引起的电容充放电电流。当达到稳态后，随着电压的增加，电流基本都维持在5×10-12A量级，其是因为高阻非晶氧化镓层的插入制备出了好的肖特基结，降低了器件的暗电流。
(2)获取实施例1制得的日盲紫外探测器在光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外辐照下的I-V曲线，如图7所示。
根据图7可知，随着工作电压的增加，光电流先呈指数增加，而后呈线性增加，最后逐渐饱和。可见，本申请实施例1提供的日盲紫外探测器在20～100V该较大的工作电压下，更有利于肖特基势垒的降低，从而获得更大的光电流增益和响应度。
(3)获取实施例1制得的日盲紫外探测器在读取电压为50V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图，如图8所示。
根据图8可知，本申请实施例1提供的日盲紫外探测器，在暗态下，暗电流稳定地维持在5×10-12A；在开光的瞬间，电流达到了5×10-3A，实现了9个量级的光暗比。
结合数据和公式对响应度和比探测率进行计算，响应度的计算公式如公式1所示，比探测率的计算公式如公式2所示。
R＝(Iphoto-Idark)/(PS)
公式1
D*＝RS1/2/(2qIdark)1/2
公式2
公式1和公式2中，R是响应度，Iphoto是光电流，Idark是暗电流，P是光功率密度，S是器件的有效照光面积，D*是比探测率。
结合数据和公式对响应度和比探测率进行计算的结果显示，实施例1提供的日盲紫外探测器，能够达到：响应度为1.1×105A/W，比探测率为4.22×1017Jones。
(4)将一个10KΩ的电阻与本申请实施例1制得的日盲紫外探测器进行串连，并用示波器与该电阻并联监视电阻分压的变化，以对本申请实施例1制得的日盲紫外探测器的响应速度进行测量。获取本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在读取电压为50V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应速度图，如图9所示。
根据图9可知，本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在读取电压为50V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下，响应速度能够到达8ms。
二、实施例2制得的日盲紫外探测器的测试结果：
(1)获取实施例2制得的日盲紫外探测器在读取电压为30V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图，如图10所示。
根据图10可知，本申请实施例2提供的日盲紫外探测器，在暗态下，暗电流稳定地维持在2×10-11A；在开光的瞬间，电流达到了2×10-3A，实现了8个量级的光暗比。
结合数据和公式对响应度和比探测率进行计算的结果显示，实施例2提供的日盲紫外探测器，能够达到：响应度为4.4×104A/W，比探测率为8.44×1016Jones。
(2)将实施例2制得的日盲紫外探测器在光功率密度为2nW/cm2的254nm日盲紫外照射下，获取读取电压分别为40V、50V、60V和70V的响应性能图，结果依次如图11～14。
根据图11～14可知，本申请实施例2提供的日盲紫外探测器，在暗态下，在不同的读取电压下，在暗态下，暗电流稳定地维持在2×10-11A。在开光后，所有的器件都是先有接近一个量级的电流的瞬间提升，而后随着时间的积累，光电流逐渐增加到10-4A量级。
在开光后的该过程中，电压越大，电流增加得越快，可见在特定的工作电压下，更大的电场驱动电离氧空位能更快地迁移到肖特基结处使肖特基势垒下降。
光功率密度为2nW/cm2的日盲紫外光极弱，本申请提供的日盲紫外探测器，在该特定的较大的读取电压下进行该极弱的日盲紫外光的检测时，能够实现7个量级的光暗比。结合数据和公式对响应度和比探测率进行计算的结果显示，实施例2提供的日盲紫外探测器，能够达到：响应度为4.4×108A/W，比探测率为8.44×1020Jones。
可见，本申请提供的日盲紫外探测器，通过牺牲50～80s的响应时间，能够实现超强的弱光探测能力，这在火焰预警、电晕预警等预警方面具有重大的应用前景。
三、实施例3制得的日盲紫外探测器的测试结果：
(1)获取实施例3的日盲紫外探测器在暗态下的I-V曲线，如图15所示。
根据图15可知，实施例3制得的日盲紫外探测器，在暗态下具有极低的暗电流。
根据图15和图6的对比可知，实施例3和实施例1相比，制得的日盲紫外探测器在暗态下的暗电流下降了一个量级，其原因在于器件的工作面积减少了一个量级。
(2)获取实施例3制得的日盲紫外探测器在读取电压为80V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图，如图16所示。
根据图16可知，实施例3制得的日盲紫外探测器，具有较高的光电流。
根据图16和图6的对比可知，实施例3和实施例1相比，光电流同样下降一个量级，因此其响应度和探测率与实施例1的性能一致。
四、对比例制得的日盲紫外探测器的测试结果：
(1)获取对比例1制得的日盲紫外探测器在暗态下的I-V曲线，如图17所示。
根据图17可知，对比例1制得的日盲紫外探测器，起不到很好地抑制暗电流的作用，其原因在于高阻非晶氧化镓层中存在过多的氧空位。
(2)获取对比例2制得的日盲紫外探测器在暗态下的I-V曲线，如图18所示。
根据图18可知，对比例2制得的日盲紫外探测器，起不到很好地抑制暗电流的作用，其原因在于高阻非晶氧化镓层生成时氧流量过大，沉积时粒子因气氛中存在大量的氧气而发生碰撞减速、失去能量，导致生长得到的该高阻非晶氧化镓层13结构较为疏松。
(3)获取对比例3制得的日盲紫外探测器在暗态下、读取电压为20V的I-t图。
根据图19可知，对比例3制得的日盲紫外探测器，在20V的读取电压下，即使没有光照，暗电流也在持续上升且最终稳定到8×10-6A量级，没有很好地起到抑制暗电流的作用，其原因在于宽禁带的高阻非晶氧化镓层的厚度过薄，不能有效地发挥作用。
(4)获取对比例4制得的日盲紫外探测器在读取电压为10V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图，如图20所示。
根据图20可知，对比例4制得的日盲紫外探测器，虽然光电流维持在很高的量级，但是暗电流较高，只获得了5～6个数量级的光暗比，其原因在于单层的低阻非晶氧化镓层与收集电极的肖特基接触不好，没有很好地抑制暗电流。
(5)获取对比例5制得的日盲紫外探测器在读取电压为10V、光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外照射下的响应性能图，如图21所示。
根据图21可知，对比例5制得的日盲紫外探测器，虽然暗电流维持在很低的量级，但是光电流很低，只获得了3个数量级的光暗比，其原因在于单层的高阻非晶氧化镓中几乎没有能产生光电流增益的氧空位，因此光电流很低。
试验例2
检测方法：利用Keithley2636B源表对日盲紫外探测器进行电学测试，利用紫外增强氙灯、单色仪对日盲紫外探测器进行光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外线辐照。
一、对实施例1提供的日盲紫外探测器在交替切换电压正负性的工作情况下的循环性能进行检测。
检测过程中，每完成一次检测后，将工作电压的正负性进行转换，获取日盲紫外探测器的循环工作曲线。
图23为本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外辐照下的±80V循环工作曲线。
根据图23可知，本申请实施例1提供的日盲紫外探测器，在工作电压的绝对值X为80V的情况下工作，在每次检测完成关掉紫外光后，电流会迅速下降到1E-6安培量级，但是远没恢复到暗态电流量级；而当变换电压极性后，电流迅速到了暗态电流量级，而且在之后能够长时间(超出50s)地保持在暗态电流量级。
图24为本申请实施例1制得的日盲紫外探测器在光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外辐照下的±10V循环工作曲线。
根据图24可知，本申请实施例1提供的日盲紫外探测器，在工作电压的绝对值X为10V的情况下工作，在每次检测完成关掉紫外光后，电流下降后但不能恢复到暗态电流量级；而当变换电压极性后，电流迅速到了暗态电流量级，而且在之后能够长时间地保持在暗态电流量级。
二、对对比例6提供的日盲紫外探测器利用栅压脉冲抑制持续光电导效果进行检测。
图25为本申请对比例6制得的日盲紫外探测器在光功率密度为200μW/cm2的254nm日盲紫外辐照下利用栅压脉冲抑制持续光电导的效果图。
根据图25可知，本申请对比例6提供的三端的日盲紫外探测器，在每次检测完成关掉紫外光后，在用了持续时间5s的50V栅压脉冲之后，虽然电流迅速降低，但是很快电流又开始增加到很高的水平。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (11)

1.一种日盲紫外探测器，其特征在于，包括：
高阻非晶氧化镓层，其氧空位浓度和致密度可在1～2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得到，厚度为15～30nm，具有相对的第一表面和第二表面；
低阻非晶氧化镓层，其氧空位浓度和致密度可在不高于0.2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得到，连接于所述第一表面；以及
收集电极，具有分别与所述第二表面连接的第一电极和第二电极。
2.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述低阻非晶氧化镓层的氧空位浓度和致密度可在无氧流量的条件下磁控溅射沉积得到；
和/或，所述高阻非晶氧化镓层的氧空位浓度和致密度可在1sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得到。
3.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述低阻非晶氧化镓层的厚度为60～200nm；可选地，所述低阻非晶氧化镓层的厚度为90nm；
和/或，所述高阻非晶氧化镓层的厚度为15～20nm。
4.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述收集电极为高功函数电极；
可选地，所述收集电极的材料为ITO、Au、Pt、Pd和MXene中的一种；
可选地，所述收集电极的厚度为10～300nm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述日盲紫外探测器的基片连接于所述低阻非晶氧化镓层的远离所述高阻非晶氧化镓层的一侧，或者所述日盲紫外探测器的基片连接于所述收集电极的远离所述高阻非晶氧化镓层的一侧。
6.根据权利要求5所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述基片为刚性基片；
可选地，所述刚性基片的材质为硅片、蓝宝石和石英玻璃中的一种。
7.根据权利要求5所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述基片为柔性基片；
可选地，所述柔性基片的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和有机玻璃中的一种；
可选地，所述柔性基片的内表面覆盖有包覆层，所述包覆层的材质为氧化铝或者氧化铪。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括：形成依次连接的所述收集电极、所述高阻非晶氧化镓层以及所述低阻非晶氧化镓层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述高阻非晶氧化镓层和所述低阻非晶氧化镓层的生长方式均为磁控溅射沉积、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层沉积和分子束外延沉积中的一种；
和/或，所述高阻非晶氧化镓层和所述低阻非晶氧化镓层的生长温度为-20～450℃。
10.一种日盲紫外探测方法，其特征在于，包括：在20～100V的工作电压下，采用如权利要求1～7任一项所述的日盲紫外探测器对日盲紫外光进行探测。
11.一种日盲紫外探测方法，其特征在于，包括：采用如权利要求1～7任一项所述的日盲紫外探测器对日盲紫外光进行探测，每完成一次检测后将工作电压的正负性进行转换。
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