CN114284375A - 一种自供电异质结深紫外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自供电异质结深紫外光电探测器及其制备方法。所述的探测器从下而上依次为基板、ε相Ga2O3薄膜、ZnO薄膜光敏层、顶电极和侧电极，其中，顶电极形成在光敏层上，侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上，当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结。该光电探测器的ε相Ga2O3薄膜与光敏层形成的异质结对深紫外光具有很高的选择性，并且在无电压施加的情况下，器件仍然有稳定的深紫外光探测能力。
Description
技术领域
本发明涉及深紫外光电探测器技术领域，具体涉及一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术
紫外光电探测器在许多领域均实现了广泛应用，因此相应的研究在如今变得越来越重要。使用宽带隙半导体构建紫外光电探测器可以很好地克服传统硅基器件的一些挑战。Ga2O3作为一种宽禁带半导体，由于其具有～4.85eV的带隙和良好的本征物理化学性质，在深紫外光电传感器的制备中具有很大的应用前景。其中，金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal,MSM)、p-n结、异质结、肖特基光电二极管、场效应晶体管等多种器件结构已被报道，显示出良好的、可改进的光电性能。
在此之前，氧化镓相关的自供电异质结包括β-Ga2O3/α-MoO3全氧化物异质结，PEDOT:PSS/β-Ga2O3和spiro-MeOTAD/β-Ga2O3有机-无机杂化异质结，在零偏压下都具有良好的自供电光电传感性能，均实现了自供电的光检测。然而，高稳定性的ε相Ga2O3基光电探测器的研究尚处于起步阶段，相关报道寥寥无几。
发明内容
针对现有的光电探测器存在的两大共性问题：ε相Ga2O3薄膜基光电探测器性能不稳定以及多数报道的Ga2O3基自供电光电探测器为β相，本发明的目的是提供一种自供电ε相Ga2O3/Zn O薄膜异质结深紫外光电探测器及其制备方法。该光电探测器即使在无电压施加的情况下，器件仍然有稳定的深紫外光探测能力。
本发明采用的技术方案如下：
一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器，从下而上依次为基板、ε相Ga2O3薄膜、光敏层、顶电极和侧电极，其中，顶电极形成在光敏层上，侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结。
优选的，所述的光敏层为ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜的厚度为40～100nm。
优选的，所述的ε相Ga2O3薄膜的厚度为300nm。
优选的，所述的顶电极和侧电极为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm。
优选的，所述的顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。
优选的，所述的基板为蓝宝石。
本发明还提供一种制备上述自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)依次在基板表面上制备ε相Ga2O3薄膜和光敏层；
(2)在光敏层上制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上制备侧电极，当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结。
优选的，所述ε相Ga2O3薄膜的制备工艺为化学气相沉积，脉冲激光沉积，原子层沉积，物理气相沉积中的任意一种。
优选的，所述光敏层的制备工艺为旋涂，喷涂，滴涂，化学气相沉积，脉冲激光沉积，原子层沉积，物理气相沉积中的任意一种。
优选的，所述顶电极和侧电极的制备工艺为蒸镀法。
本发明提供的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的工作原理如下：
当该自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器在254nm的紫外光照射下，光激发产生了电子-空穴对。电子向导带边缘移动，空穴相应地向价带边缘漂移。由于ε-Ga2O3/ZnO薄膜异质结光电探测器在非均质界面上形成了正峰势垒，使得该异质结光电探测器的整流性能不佳。然而，界面势垒为该ε-Ga2O3/ZnO薄膜异质结光电探测器提供了实现自供电运行的机会。
本发明的有益效果：
采用本发明提供的制备方法制备得到的光电探测器的ε相Ga2O3薄膜与光敏层形成的异质结对深紫外光具有很高的选择性，并且在无电压施加的情况下，器件仍然有稳定的深紫外光探测能力。
附图说明
图1是本发明自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备流程图。
图2是本发明实施例1中自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的表面和截面扫描电子显微镜照片。
图3是本发明实施例1中自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的结构示意图。其中，1-蓝宝石(Al2O3)基板，2-ε相Ga2O3薄膜，3-ZnO薄膜光敏层，21-测电极，32-顶电极。
图4是本发明实施例1中自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器在无施加电压下不同紫外光强照射下电流随时间的变化曲线。
图5是本发明实施例1中自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器在无施加电压下电流随紫外光强度的变化曲线。
图6本发明实施例1中自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器在无施加电压下在500Μw/cm2的紫外光照强度下单个循环的响应/恢复曲线。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
本发明自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备流程图见图1所示。
实施例1
本实施例提供一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一蓝宝石(Al2O3)基板。
(2)在所述基板上通过CVD工艺生长一层ε相Ga2O3薄膜，厚度为300nm左右。
(3)在所述ε相Ga2O3薄膜上通过旋涂方法生长一层ZnO薄膜用作光敏层，厚度为40nm之间。
(4)在光敏层上通过蒸镀法制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上通过蒸镀法制备侧电极，所述的顶电极和侧电极均为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm，顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结，从而有利于提高气体传感器的灵敏度。
本实施例制得的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的表面和截面扫描电子显微镜照片见图2所示，其结构示意图见图3所示。
为了验证本实施例制得的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的光电性能，在光照条件下，使用可发出254nm深紫外光的紫外灯作为光源，通过改变光源与测量异质结深紫外光电探测器之间的距离来调节光强。其传感特性相关的I-V和I-t曲线是由Keithley 4200SCS半导体分析仪在室温下的空气中进行测量的。结果见图4-6所示。
所述自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器实现了对深紫外光的可重复和稳定性探测能力，如图4所示。光电流与光强呈近似线性关系，说明自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器为线性动态运行(图5)。此外，所述自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的响应时间为0.97s和.012s，恢复时间为0.62s和0.28s，表明其具有良好的光生成和重组过程(图6)。
实施例2
本实施例提供一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一蓝宝石(Al2O3)基板。
(2)在所述基板上通过PLD工艺生长一层ε相Ga2O3薄膜，厚度为300nm左右。
(3)在所述ε相Ga2O3薄膜上通过喷涂方法生长一层ZnO薄膜用作光敏层，厚度为50nm之间。
(4)在光敏层上通过蒸镀法制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上通过蒸镀法制备侧电极，所述的顶电极和侧电极均为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm，顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结，从而有利于提高气体传感器的灵敏度。
实施例3
本实施例提供一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一蓝宝石(Al2O3)基板。
(2)在所述基板上通过PLD工艺生长一层ε相Ga2O3薄膜，厚度为300nm左右。
(3)在所述ε相Ga2O3薄膜上通过滴涂方法生长一层ZnO薄膜用作光敏层，厚度为60nm之间。
(4)在光敏层上通过蒸镀法制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上通过蒸镀法制备侧电极，所述的顶电极和侧电极均为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm，顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结，从而有利于提高气体传感器的灵敏度。
实施例4
本实施例提供一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一蓝宝石(Al2O3)基板。
(2)在所述基板上通过ALD工艺生长一层ε相Ga2O3薄膜，厚度为300nm左右。
(3)在所述ε相Ga2O3薄膜上通过ALD方法生长一层ZnO薄膜用作光敏层，厚度为70nm之间。
(4)在光敏层上通过蒸镀法制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上通过蒸镀法制备侧电极，所述的顶电极和侧电极均为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm，顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结，从而有利于提高气体传感器的灵敏度。
实施例5
本实施例提供一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一蓝宝石(Al2O3)基板。
(2)在所述基板上通过ALD工艺生长一层ε相Ga2O3薄膜，厚度为300nm左右。
(3)在所述ε相Ga2O3薄膜上通过CVD方法生长一层ZnO薄膜用作光敏层，厚度为80nm之间。
(4)在光敏层上通过蒸镀法制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上通过蒸镀法制备侧电极，所述的顶电极和侧电极均为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm，顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结，从而有利于提高气体传感器的灵敏度。
实施例6
本实施例提供一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一蓝宝石(Al2O3)基板。
(2)在所述基板上通过ALD工艺生长一层ε相Ga2O3薄膜，厚度为300nm左右。
(3)在所述ε相Ga2O3薄膜上通过PVD方法生长一层ZnO薄膜用作光敏层，厚度为90nm之间。
(4)在光敏层上通过蒸镀法制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上通过蒸镀法制备侧电极，所述的顶电极和侧电极均为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm，顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结，从而有利于提高气体传感器的灵敏度。
实施例7
本实施例提供一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一蓝宝石(Al2O3)基板。
(2)在所述基板上通过ALD工艺生长一层ε相Ga2O3薄膜，厚度为300nm左右。
(3)在所述ε相Ga2O3薄膜上通过PLD方法生长一层ZnO薄膜用作光敏层，厚度为100nm之间。
(4)在光敏层上通过蒸镀法制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上通过蒸镀法制备侧电极，所述的顶电极和侧电极均为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm，顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结，从而有利于提高气体传感器的灵敏度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器，其特征在于，所述的探测器从下而上依次为基板、ε相Ga2O3薄膜、光敏层、顶电极和侧电极，其中，顶电极形成在光敏层上，侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结。
2.根据权利要求1所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器，其特征在于，所述的光敏层为ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜的厚度为40～100nm。
3.根据权利要求1所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器，其特征在于，所述的ε相Ga2O3薄膜的厚度为300nm。
4.根据权利要求1所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器，其特征在于，所述的顶电极和侧电极为Ti/Au双层结构的金属电极，其中Ti的厚度为50nm，Au的厚度为100nm。
5.根据权利要求1所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器，其特征在于，所述的顶电极和侧电极的边长为1mm，间距为1mm，有效照明面积为1mm2。
6.根据权利要求1所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器，其特征在于，所述的基板为蓝宝石。
7.一种权利要求1-6任一项所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)依次在基板表面上制备ε相Ga2O3薄膜和光敏层；
(2)在光敏层上制备顶电极，在光敏层之外的ε相Ga2O3薄膜上制备侧电极，当侧电极形成在所述光敏层之外的ε相Ga2O3薄上时，光敏层与ε相Ga2O3薄膜之间形成异质结。
8.根据权利要求7所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述ε相Ga2O3薄膜的制备工艺为化学气相沉积，脉冲激光沉积，原子层沉积，物理气相沉积中的任意一种。
9.根据权利要求7所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述光敏层的制备工艺为旋涂，喷涂，滴涂，化学气相沉积，脉冲激光沉积，原子层沉积，物理气相沉积中的任意一种。
10.根据权利要求7所述的自供电ε相Ga2O3/ZnO薄膜异质结深紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述顶电极和侧电极的制备工艺为蒸镀法。
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2021
- 2021-12-24 CN CN202111599331.8A patent/CN114284375A/zh active Pending
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