CN114823977A - 氧化镓光电探测器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化镓光电探测器的制备方法，包括：对衬底进行预处理；利用真空沉积法在衬底上形成氧化镓薄膜；将氧化镓薄膜进行预退火处理，提高氧化镓薄膜的结晶度；将预退火处理后的氧化镓薄膜在含氢氛围内进行退火处理，钝化氧化镓薄膜的晶体缺陷；在退火处理后的氧化镓薄膜上形成电极。通过预退火处理和退火处理能在保证光响应度的前提下明显提升氧化镓光电探测器的响应速度。

Description

氧化镓光电探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，特别涉及一种氧化镓光电探测器的制备方法。
背景技术
“日盲”波段对应太阳辐射中200-280nm波段，由于此波段的光波大部分被地球大气层中的臭氧所吸收，到达地面的很少。此波段的光波的传播不受空气影响，所以工作于此波段的光电探测器可应用于地表，具有背景噪声低、探测率高、可全天候工作、抗复杂环境能力强等优势。日盲紫外光电探测器可应用于光通讯、火焰探测、导弹追踪、生物医学成像、臭氧空洞检测等多种领域。
氧化镓禁带宽度为～4.8eV，其光响应波段对应日盲波段。用氧化镓准备紫外光电探测器无需添加滤波器，氧化镓抗辐射能力强、耐高温、耐高压，能够应用于极端环境下的光电探测，且氧化镓可以用熔融法生长，成本相对低廉，因此，氧化镓在日盲紫外光电探测领域具有很大的潜力。
非晶/多晶氧化镓缺陷浓度很高，光增益大，有很高的光响应。然而，过高的缺陷浓度也会造成其暗电流高、具有持久光电导效应(PPC)的问题，从而限制了其探测率和响应速度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种氧化镓光电探测器的制备方法，能够在保持其高光响应的基础上改善其暗电流和响应速度。
为达上述目的，本发明提供了一种氧化镓光电探测器的制备方法，包括：
对衬底进行预处理；
利用真空沉积法在衬底上形成氧化镓薄膜；
将氧化镓薄膜进行预退火处理，提高氧化镓薄膜的结晶度；
将预退火处理后的氧化镓薄膜在含氢氛围内进行退火处理，钝化氧化镓薄膜的晶体缺陷；
在退火处理后的氧化镓薄膜上形成电极。
根据本发明的实施例，预退火处理在氮气或氩气氛围内进行，温度为200-1000℃，时间为10min-6h。
根据本发明的实施例，退火处理在含氢氛围内进行，温度为200-1000℃，时间为10min-6h。
根据本发明的实施例，含氢氛围包括：含氢气体与氩气、含氢气体与氮气、含氢气体与氩气和氮气混合而成的气体混合物。
根据本发明的实施例，含氢气体包括：氢气、氨气。
根据本发明的实施例，在退火处理后的氧化镓薄膜上形成电极包括：
对退火处理后的氧化镓薄膜进行预处理；
在预处理后的氧化镓薄膜上进行电极的生长及图形化；
对电极和氧化镓的接触界面进行优化处理。
根据本发明的实施例，接触界面的优化处理包括：欧姆接触与肖特基接触的退火处理、掺杂处理。
根据本发明的实施例，预处理包括：
在有机试剂中进行超声清洗；
在水中进行超声清洗；
使用干燥的惰性气体或其混合气体进行风干。
根据本发明的实施例，光电探测器器件结构包括：金属-半导体-金属结构、PN、PIN、晶体管、雪崩二极管。
根据本发明提供的氧化镓光电探测器的制备方法，先将氧化镓薄膜在氮气或氩气中进行预退火处理，提高氧化镓的结晶度，调控其氧空位，使其不易被在后续含氢氛围中分解，改善其光电响应；然后将氧化镓薄膜在含氢氛围中进行退火处理，使得氧化镓薄膜中的缺陷被氢元素钝化，从而使得基于氧化镓光电探测器响应速度显著提升。两步退火能在保证光响应度的前提下明显提升氧化镓光电探测器的响应速度。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的氧化镓光电探测器制备过程的示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的氧化镓光电探测器的制备流程图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的氧化镓光电探测器的立体图；
图4示意性示出了根据本发明实施例的未退火处理的氧化镓光电探测器的I-T特性曲线；
图5示意性示出了根据本发明实施例的氮气氛围退火处理后氧化镓光电探测器的I-T特性曲线；
图6示意性示出了根据本发明实施例的两步退火处理后的氧化镓光电探测器的I-T特性曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
为使氧化镓光电探测器能够在保持其高光响应的基础上改善其暗电流和响应速度，本发明提供了一种氧化镓光电探测器的制备方法，包括：
对衬底进行预处理；
利用真空沉积法在衬底上形成氧化镓薄膜；
将氧化镓薄膜进行预退火处理，提高氧化镓薄膜的结晶度；
将预退火处理后的氧化镓薄膜进行退火处理，钝化氧化镓薄膜的晶体缺陷；
在退火处理后的氧化镓薄膜上生长电极。
根据本发明提供的氧化镓光电探测器的制备方法，先将氧化镓薄膜在氮气或氩气中进行预退火处理，提高氧化镓的结晶度，调控其氧空位，使其不易被在后续含氢氛围中分解，改善其光电响应；然后将氧化镓薄膜在含氢氛围中进行退火处理，使得氧化镓薄膜中的缺陷被氢元素钝化，从而使得基于氧化镓光电探测器响应速度显著提升。两步退火能在保证光响应度的前提下明显提升氧化镓光电探测器的响应速度。
图1示意性示出了根据本发明实施例的氧化镓光电探测器的制备过程的示意图，图2示意性示出了根据本发明实施例的氧化镓光电探测器的制备流程图。
如图1和图2所示，氧化镓光电探测器的制备方法，包括S01～S06。
在操作S01，对衬底进行预处理。
根据本发明的实施例，对衬底进行预处理包括：在有机试剂中对衬底进行超声清洗；在水中进行超声清洗；使用干燥的惰性气体或其混合气体对衬底进行风干。
根据本发明的实施例，惰性气体包括：氮气、氩气。
根据本发明的实施例，有机试剂包括：丙酮、异丙醇。
根据本发明的实施例，超声清洗的时间为10min。
根据本发明的实施例，衬底材料包括：蓝宝石、硅、碳化硅、云母、石英玻璃、砷化镓、氮化镓、氧化镁、钛酸锶、钛酸钡、钇安定氧化锆、镁铝氧、钾钽氧中的一种或多种。
在操作S02，利用真空沉积法在衬底上形成氧化镓薄膜。
根据本发明的实施例，包括原子层沉积、等离子体化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、磁控溅射、离子束溅射、脉冲激光沉积、热蒸发沉积。
根据本发明的实施例，氧化镓薄膜厚度为200nm。
根据本发明的实施例，使用磁控溅射法在衬底上形成氧化镓薄膜时，功率为150W，工艺氛围为氩气，气压为3mtorr，沉积时间为5000s。
在操作S03，将氧化镓薄膜进行预退火处理，提高氧化镓薄膜的结晶度。
根据本发明的实施例，预退火处理在氮气或氩气氛围内进行，温度为200-1000℃，时间为10min-6h。
在操作S04，对预退火处理后的氧化镓薄膜进行退火处理，钝化氧化镓薄膜的晶体缺陷。
根据本发明的实施例，退火处理在含氢氛围内进行，温度为200-1000℃，时间为10min-6h。
根据本发明的实施例，含氢氛围包括：含氢气体与氩气、含氢气体与氮气、含氢气体与氩气和氮气混合而成的气体混合物。
根据本发明的实施例，含氢气体包括：氢气、氨气。
在操作S05，在退火处理后的氧化镓薄膜上形成电极。
根据本发明的实施例，在退火处理后的氧化镓薄膜上形成电极包括：对退火处理后的氧化镓薄膜进行预处理；在预处理后的氧化镓薄膜上进行电极的生长及图形化；对电极与氧化镓的接触界面进行优化处理。
根据本发明的实施例，接触界面的优化处理包括：欧姆接触与肖特基接触的退火处理、掺杂处理。
根据本发明的实施例，电极的形成可以是先生长电极再进行图形化，也可以是先进行图形化再生长电极。
根据本发明的实施例，先生长电极再进行图形化的电极形成方式中，图形化的工艺包括：刻蚀。
根据本发明的实施例，先进行图形化再生长电极的电极形成方式包括包括：在氧化镓薄膜上旋涂光刻胶；将旋涂光刻胶后的氧化镓薄膜进行紫外曝光和显影处理；在显影后的氧化镓薄膜上生长电极。
根据本发明的实施例，对退火处理后的氧化镓薄膜进行预处理包括：在有机试剂中进行超声清洗；在水中进行超声清洗；使用干燥的惰性气体或其混合气体进行风干。
根据本发明的实施例，惰性气体包括：氮气、氩气。
根据本发明的实施例，有机试剂包括：丙酮、异丙醇。
根据本发明的实施例，超声清洗的时间为10min。
根据本发明的实施例，紫外曝光和显影处理所用的掩模版为金属-半导体-金属(MSM)插值结构。
根据本发明的实施例，掩模版插值宽5um、插值间距5um、电极长100um，共有20对插值结构。
根据本发明的实施例，电极材料包括：钛、铝、镍、金、铂、银、铬、铜、氧化铟锡(ITO)、铝锌氧(AZO)、氟锡氧(FTO)、镓锌氧(GZO)中的一种或者多种。
根据本发明的实施例，电极结构包括：插值电极、方形电极、圆形电极、环形电极。
根据本发明的实施例，光电探测器器件结构包括：金属-半导体-金属(MSM)结构、PN、PIN、晶体管、雪崩二极管。
根据本发明提供的氧化镓光电探测器的制备方法，先将氧化镓薄膜在氮气或氩气中进行预退火处理，提高氧化镓的结晶度，调控其氧空位，使其不易被在后续含氢氛围中分解，改善其光电响应；然后将氧化镓薄膜在含氢氛围中进行退火处理，使得氧化镓薄膜中的缺陷被氢元素钝化，从而使得基于氧化镓光电探测器响应速度显著提升。两步退火能在保证光响应度的前提下明显提升氧化镓光电探测器的响应速度。
图3示意性示出了根据本发明实施例的氧化镓光电探测器的结构图。
如图3所示，氧化镓光电探测器包括：衬底1；氧化镓薄膜2，位于衬底1的上方；电极3，位于氧化镓薄膜2上。
下面通过具体实施例说明上述氧化镓光电探测器的制备方法。需要说明的是，该举例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。
实例1：
本实例提供了一种氧化镓薄膜光电探测器的制备方法，其结构为金属-半导体-金属(MSM)结构。本实例的氧化镓薄膜光电探测器的具体制备方法如下：
步骤一：将一片2英寸蓝宝石衬底进行在丙酮-异丙醇-水中各10min的超声清洗，后续用干燥的氮气吹干。将预处理后的蓝宝石衬底上用sputter在室温下沉积氧化镓薄膜，所用功率为150W，工艺氛围为氩气，气压为3mtorr，沉积时间为5000s，计划沉积薄膜厚度为200nm。
步骤二：将沉积的氧化镓薄膜放入退火炉中进行高温热退火，氛围为氢气与氮气的混合物，其中氢气浓度为5％，退火温度为650℃，退火时间为1h。
步骤三：将经过退火处理的氧化镓薄膜再次进行丙酮-异丙醇-水各10min的超声冲洗，后续用干燥氮气吹干。在所得氧化镓薄膜上旋涂LOR5A/S1813双层胶。
步骤四：对紫外曝光之后的样品进行显影处理。所用掩模版为MSM插值电极，所用掩模版结构尺寸为插值宽5um、插值间距5um、电极长100um，一个电极上总共有20对插值结构。
步骤五：用Ebeam在光刻后的样品上生长Ti/Au电极，厚度为20nm/60nm。
步骤六：对生长完金属的样品进行剥离，从而形成插值电极，并最终得到氧化镓薄膜光电探测器。
实例2：
本实施例与实例1基本相同，区别在于，在步骤二之前，将氧化镓薄膜在纯氮气氛围中进行温度为900℃，时长1h的退火预处理。
实例3：
本实施例与实例1基本相同，区别在于，在步骤二之前，将氧化镓薄膜在氩气氛围中进行温度为900℃，时长1h的退火预处理。
针对上述实施例1-3，我们还设计了对比例进行对比说明：
对比例1：
本对比例与实例1基本相同，区别在于，不对氧化镓薄膜进行退火处理。
对比例2：
本对比例与实例2基本相同，区别在于，只对氧化镓薄膜进行在纯氮气氛围，温度为900℃，时长1h的退火处理，不进行后续含氢氛围退火处理。
对比例3：
本对比例与实例3基本相同，区别在于，只对氧化镓薄膜进行在纯氩气氛围，温度为900℃，时长1h的退火处理，不进行后续含氢氛围的退火处理。
对基于未经退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器、基于氮气退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器和基于两步退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器的光电流进行检测，结果如图4-6所示。
如图4-6所示，对比基于未经退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器，基于氮气退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器的持久光电导效应(PPC效应)消除，响应速度有所加快，而基于两步退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器响应速度大幅提升；同时，基于氮气退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器的光电流I2及基于两步退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器的光电流I3相比于基于未经退火处理的氧化镓薄膜的光电探测器的光电流I1略有下降，但处于同一量级内，变化幅度不大。
由此，本发明提供的氧化镓光电探测器的制备方法，能在保证响应度变化不大的前提下明显提升所制备器件的响应速度。
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，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 (9)

1.一种氧化镓光电探测器的制备方法，包括：
对衬底进行预处理；
利用真空沉积法在所述衬底上形成氧化镓薄膜；
将所述氧化镓薄膜进行预退火处理，提高所述氧化镓薄膜的结晶度；
将预退火处理后的氧化镓薄膜在含氢氛围内进行退火处理，钝化所述氧化镓薄膜的晶体缺陷；
在退火处理后的所述氧化镓薄膜上形成电极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述预退火处理在惰性气体氛围内进行，温度为200-1000℃，时间为2min-6h。
3.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述退火处理在含氢氛围内进行，温度为200-1000℃，时间为2min-6h。
4.如权利要求3所述的制备方法，其中，所述含氢氛围包括：含氢气体与氩气、含氢气体与氮气、含氢气体与氩气和氮气混合而成的气体混合物。
5.如权利要求4所述的制备方法，其中，所述含氢气体包括：氢气、氨气。
6.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述在退火处理后的所述氧化镓薄膜上形成电极包括：
对退火处理后的所述氧化镓薄膜进行预处理；
在预处理后的所述氧化镓薄膜上进行电极的生长及图形化；
对所述电极与所述氧化镓的接触界面进行优化处理。
7.如权利要求1或6所述的制备方法，其中，所述预处理包括：
在有机试剂中进行超声清洗；
使用干燥惰性气体或其混合气体进行风干。
8.如权利要求6所述的制备方法，其中，所述接触界面的优化处理包括：欧姆接触与肖特基接触的退火处理、掺杂处理。
9.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述探测器的器件结构包括：金属-半导体-金属结构、PN、PIN、晶体管、雪崩二极管。
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