CN114551608A - 一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器及其制备方法包括衬底、氧化镓薄膜、等离子处理界面层和电极；所述衬底为蓝宝石，所述等离子体处理界面层是采用等离子体对所述氧化镓薄膜进行表面处理后形成，所述等离子体处理界面层上设置有金属的电极，通过等离子体进行薄膜的表面处理，有效降低氧化镓薄膜中的空位缺陷，提高了界面质量，极大地提高紫外探测器的光电性能。本发明的优点：所制备的氧化镓基紫外探测器性能稳定，可实现对波长小于280nm的日盲紫外光的有效探测，具有高灵敏度和响应速度，暗电流小等诸多优势，特别合适在高压变电系统、高压输电线路等各种恶劣环境下的电晕检测应用。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域,具体涉及到一种等离子体处理氧化镓基日盲紫外探测器及其制备方法。
背景技术
透明导电氧化物β-Ga2O3是一种新型的宽禁带半导体，室温下其禁带宽度约为4.9eV，击穿电场强度为8MV/cm。β-Ga2O3具有优异的化学和热稳定性以及高的紫外可见光透过率，同时通过掺杂容易获得良好的n型导电，可以同时满足透明导电电极所需的良好电导率和高光学透过率的要求，并在日盲光电探测器领域有着广泛的应用，尤其是在高压电晕检测领域，选择在日盲波段进行电晕放电的检测，可得到准确、理想的探测效果。目前，氧化镓基日盲光电探测器，由于薄膜内部往往存在着较多的氧空位等缺陷和薄膜表面存在较多的表面态(氧空位多而引起)，易与Ti电极构成Ohmic接触，这些因素都大大降低了光电探测器的光电性能，如光暗比低，响应速度慢等。
等离子体是除固体，液体和气体之外的一种更高能量的第四种物质状态，由电子、离子、分子、自由基、光子和激发态组成的部分电离的气体，广泛应用于材料的制备以及表面改性等方面。近年来，等离子体处理技术作为一种简便、快速、高效的方法，在不使用任何溶剂的情况下，广泛应用于材料的表面改性。等离子体处理有效地减少薄膜内部的氧空位等缺陷，而且氧空位等缺陷的减少大大降低了薄膜内部的捕获态，这都大大增加了β-Ga2O3薄膜基日盲光电探测器的光电性能(光暗比增加，光响应速度变快)。
为了降低探测器的暗电流，提高响应度等的技术难题，很多企业和科研院所进行了大量的研究，但并没有达到预期的效果，因此如何解决上述问题对于氧化镓日盲紫外探测器在高压电晕检测领域的应用有着重要实现意义。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种等离子体处理氧化镓基日盲紫外探测器及其制备方法，通过等离子体对氧化镓薄膜进行表面改性处理，有效降低氧化镓薄膜中的空位缺陷，提高了界面质量，极大地提高紫外探测器的光电性能。
技术方案
一种等离子体处理氧化镓基日盲紫外探测器，包括衬底、氧化镓薄膜、等离子处理界面层和电极；所述衬底为蓝宝石，所述等离子体处理界面层是采用等离子体对所述氧化镓薄膜进行表面处理后形成，所述等离子体处理界面层上设置有金属的电极。
优选地，所述氧化镓薄膜为非晶氧化镓薄膜和结晶氧化镓薄膜中的一种或多种。
优选地，所述电极的材料为Au、Ag、Ti、Pt、In、Al、Ni和ITO中的一种或多种。
优选地，所述等离子体处理界面层是采用等离子体对所述氧化镓薄膜进行改性处理后得到的。
优选地，所述等离子体的气源为O2、Ar、N2、H2、SiCl4、HCl、Cl2中的任意一种或多种组合。
优选地，所述等离子体对所述氧化镓薄膜进行改性处理的等离子体气源的流量为1sccm～200sccm，射频功率为0W～300W，等离子体处理时间为1min-100min，处理温度为0℃～1000℃。
一种等离子体处理氧化镓基日盲紫外探测器的制备方法，本实施例中，所用的蓝宝石的衬底是(1-102)面α-Al2O3，厚度约为430±15nm，单面抛光，抛光面粗糙度≤0.3nm；
先取一片10mm×10mm×0.5mm(0001)面的α-Al2O3衬底，将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗；
将上述清洗干净的衬底放入石英管，采用等离子体增强气相增强法在其上生长一层β-Ga2O3薄膜，以99.99％纯度的金属镓为镓源，99.99％纯度的氧气为氧源，薄膜的具体生长参数如下：初始工作气压为1Pa，衬底温度为820℃，溅射功率为150W，氩气流量为80sccm，氧气流量为5sccm；
将上述制备的β-Ga2O3薄膜进行等离子体处理，以氧气为等离子体气源，氧气流量为100sccm，射频功率为150w，处理时间为10min，处理温度为室温；
在上述等离子体界面层上用镂空的叉指电极掩膜板遮挡，采用磁控溅射方法先后溅射金属Ti层和Au层获得Au/Ti叉指电极，溅射工艺条件如下：背底真空为1×10-4Pa，衬底温度为室温，工作气氛为Ar气，工作气压为2Pa，溅射功率为40W，Ti层的溅射时间为60s，Au层的溅射时间为120s；
制备获得用于电晕检测的Ga2O3薄膜基日盲紫外探测器。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：采用等离子体对氧化镓薄膜进行表面改性处理，有效降低氧化镓薄膜中的空位缺陷，提高了界面质量，极大地提高紫外探测器的光电性能。
附图说明
图1为本发明氧化镓基日盲紫外探测器的结构示意图；
图2为在蓝宝石衬底上制备的氧化镓薄膜未处理和氧气处理后的PL图谱；
图3为本发明氧化镓基日盲紫外探测器在3V偏压及光强为1.6mW/cm2的254nm光照下的I-t曲线。
附图标号
衬底1,氧化镓薄膜2，等离子体处理界面层3，电极4。
具体实施方式
为更好地说明阐述本发明内容，下面结合附图和实施实例进行展开说明：
有图1-图3所示，本发明公开了一种等离子体处理氧化镓基日盲紫外探测器，包括衬底1、氧化镓薄膜2、等离子处理界面层3和电极4；所述衬底1为蓝宝石，所述等离子体处理界面层3是采用等离子体对所述氧化镓薄膜2进行表面处理后形成，所述等离子体处理界面层3上设置有金属的电极4。
优选地，所述氧化镓薄膜2为非晶氧化镓薄膜和结晶氧化镓薄膜中的一种或多种。
优选地，所述电极4的材料为Au、Ag、Ti、Pt、In、Al、Ni和ITO中的一种或多种。
优选地，所述等离子体处理界面层3是采用等离子体对所述氧化镓薄膜2进行改性处理后得到的。
优选地，所述等离子体的气源为O2、Ar、N2、H2、SiCl4、HCl、Cl2中的任意一种或多种组合。
优选地，所述等离子体对所述氧化镓薄膜2进行改性处理的等离子体气源的流量为1sccm～200sccm，射频功率为0W～300W，等离子体处理时间为1min-100min，处理温度为0℃～1000℃。
一种等离子体处理氧化镓基日盲紫外探测器的制备方法，本实施例中，所用的蓝宝石的衬底1是(1-102)面α-Al2O3，厚度约为430±15nm，单面抛光，抛光面粗糙度≤0.3nm；
先取一片10mm×10mm×0.5mm(0001)面的α-Al2O3衬底，将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗；
将上述清洗干净的衬底1放入石英管，采用等离子体增强气相增强法在其上生长一层β-Ga2O3薄膜，以99.99％纯度的金属镓为镓源，99.99％纯度的氧气为氧源，薄膜的具体生长参数如下：工作气压为1Pa，衬底温度为820℃，溅射功率为150W，氩气流量为80sccm，氧气流量为5sccm；
将上述制备的β-Ga2O3薄膜进行等离子体处理，以氧气为等离子体气源，氧气流量为100sccm，射频功率为150w，处理时间为10min，处理温度为室温；
在上述等离子体界面层上用镂空的叉指电极掩膜板遮挡，采用磁控溅射方法先后溅射金属Ti层和Au层获得Au/Ti叉指电极，溅射工艺条件如下：背底真空为1×10-4Pa，衬底温度为室温，工作气氛为Ar气，工作气压为2Pa，溅射功率为40W，Ti层的溅射时间为60s，Au层的溅射时间为120s；
制备获得用于电晕检测的Ga2O3薄膜基日盲紫外探测器。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
Claims (7)
1.一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器，其特征在于，包括衬底(1)、氧化镓薄膜(2)、等离子处理界面层(3)和电极(4)；所述衬底(1)为蓝宝石，所述等离子体处理界面层(3)是采用等离子体对所述氧化镓薄膜(2)进行表面处理后形成，所述等离子体处理界面层(3)上设置有金属的电极(4)。
2.根据权利要求1所述的一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器，其特征在于，所述氧化镓薄膜(2)为非晶氧化镓薄膜和结晶氧化镓薄膜中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器，其特征在于，所述电极(4)的材料为Au、Ag、Ti、Pt、In、Al、Ni和ITO中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器，其特征在于，所述等离子体处理界面层(3)是采用等离子体对所述氧化镓薄膜(2)进行改性处理后得到的。
5.根据权利要求1所述的一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器，其特征在于，所述等离子体的气源为O2、Ar、N2、H2、SiCl4、HCl、Cl2中的任意一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述的一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器，其特征在于，所述等离子体对所述氧化镓薄膜(2)进行改性处理的等离子体气源的流量为1sccm～200sccm，射频功率为0W～300W，等离子体处理时间为1min-100min，处理温度为0℃～1000℃。
7.一种等离子处理氧化镓基日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，
先取一片10mm×10mm×0.5mm的α-Al2O3衬底，将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗；
将上述清洗干净的衬底(1)放入石英管，采用等离子体增强气相增强法在其上生长一层β-Ga2O3薄膜，以99.99％纯度的金属镓为镓源，99.99％纯度的氧气为氧源，薄膜的具体生长参数如下：初始工作气压为1Pa，衬底温度为820℃，溅射功率为150W，氩气流量为80sccm，氧气流量为5sccm；
将上述制备的β-Ga2O3薄膜进行等离子体处理，以氧气为等离子体气源，氧气流量为100sccm，射频功率为150w，处理时间为10min，处理温度为室温；
在上述等离子体界面层上用镂空的叉指电极掩膜板遮挡，采用磁控溅射方法先后溅射金属Ti层和Au层获得Au/Ti叉指电极，溅射工艺条件如下：背底真空为1×10-4Pa，衬底温度为室温，工作气氛为Ar气，工作气压为2Pa，溅射功率为40W，Ti层的溅射时间为60s，Au层的溅射时间为120s；
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