CN114914312A - 一种日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种日盲紫外探测器及其制备方法，日盲紫外探测器包括衬底、设置在衬底表面的VO2层、设置在VO2层表面的Ga2O3层、设置在Ga2O3层表面的电极，电极呈梳状结构。本申请公开的上述技术方案，将异质结设置为VO2层，当VO2层温度升高时，可以直接诱导VO2层的绝缘态‑金属态可逆相变，因此，相对于只能通过电极两端的电压调控探测器的性能，利用VO2绝缘‑金属可逆相变特性，增加调控探测器的光电特性的手段，提高探测器的抗干扰性能，从而可以提高日盲紫外探测器性能的稳定性，进而提高该器件的探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及紫外线探测，特别涉及一种日盲紫外探测器及其制备方法，属于紫外线探测技术领域。
背景技术
日盲紫外探测技术在导弹预警、高温火焰检测、紫外通讯、生化物质检测以及空间探测等领域有着广泛的应用，在过去的几十年中，科学家们已经广泛研究了几种宽带隙半导体，与其他宽带隙半导体材料相比，Ga2O3具有比较合适的禁带宽度（4.5 eV-4.9 eV），非常适合进行日盲紫外探测，而且无需任何额外的复杂的合金化工艺，同时拥有较高吸收系数，更高的热稳定性和化学稳定性，且具有较高的击穿场（8 MV/cm），因此 Ga2O3材料在日盲紫外探测器和高功率器件等方面的广阔前景引起了科研人员的广泛关注，随着柔性光电器件和大面积光伏器件的发展，迫切需要低成本，制备工艺简单，大面积生产，制备温度低的材料，由于非晶Ga2O3（a-Ga2O3）制备技术要求较低，且光电性能优异，因此受到越来越多的关注，尽管有的已经报道的a-Ga2O3探测器内部缺陷增益使其获得较高的响应度，但是同时由于内部缺陷可以引起持续光电导效应并导致探测器的响应速度非常慢，较慢的响应速度使其无法满是现代高频信号探测的需求，最近，节能成为全世界最重要的问题之一，自供能探测器由于可以在没有任何外部电源的情况下工作而受到越来越多的关注，传统自供能光电探测器主要基于PN结、异质结和肖特基结构成，而且结型探测器可以实现较快的响应速度，由于缺乏可靠的p型a-Ga2O3材料，而且由两种或更多种具有不同带隙的半导体组成的异质结构有望实现单材料系统无法实现的应用，所以异质结可能是制造a-Ga2O3日盲光电探测器的理想结构，而传统的的探测结构无法获得异质结，从而导致自供能探测器效果较差。
发明内容
本发明的目的在提供一种日盲紫外探测器及其制备方法，本申请通过VO2薄膜代替传统的半导体薄膜材料，利用VO2绝缘-金属可逆相变特性，增加调控探测器的光电特性的手段，Ga2O3是一种 n 型半导体，其体材料的带隙约为 4.5-4.9 eV；VO2 也是一种 n 型半导体，其带隙约为 0.6 eV，当两种电子导电的 n 型半导体复合就会形成一种Ⅱ型异质结，并且由于两种半导体带隙的突变，异质结就会具有明显的整流特性，另外VO2是一种相变材料，在68℃以上会从半导体相转变为金属相，从而Ga2O3与VO2就会形成肖特基结从而解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自供能日盲紫外探测器，其特征在于，包括：
衬底；
设置在所述衬底表面的VO2薄膜，所述VO2薄膜退火处理；
设置在所述VO2薄膜表面的a-Ga2O3薄膜；
设置在所述a-Ga2O3薄膜表面的梳状电极。
优选的，所述VO2薄膜的厚度为100~300nm。
优选的，所述VO2薄膜的退火温度为300~400℃。
优选的，所述a-Ga2O3薄膜的厚度为100~300nm。
优选的，所述梳状电极选自Au电极。
优选的，所述两个指间距≤1μm。
优选的，包括以下使用步骤：
（1）在衬底表面制备VO2薄膜，且VO2薄膜采用射频磁控溅射技术制备；
（2）将所述VO2薄膜退火处理，且退火处理的温度为300~400℃；
（3）在所述VO2薄膜表面采用射频磁控溅射技术制备a-Ga2O3薄膜，采用射频磁控溅射技术；
（4）在所述a-Ga2O3薄膜表面制备电极，得到日盲紫外探测器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的日盲紫外光电探测器含有VO2薄膜，利用特殊的绝缘-金属可逆相变特性，增加了增加调控探测器的光电特性的手段，能够使得到的探测器灵敏度高、响应度速度快；同时具有自供能特性,因此，本发明提供的紫外光探测器灵敏度高、响应度速度快，自供能特性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的日盲紫外探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的制备方法的流程图；
图3为本发明实施例制备得到的VO2薄膜电阻与温度变化关系图；
图4为本发明实施例制备得到的VO2薄膜透过率随温度变化图；
图5为本发明实施例制备得到的日盲紫外探测器的电流-时间（It）特性曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供了一种日盲紫外探测器，包括：
衬底；
设置在所述衬底表面的VO2薄膜；
设置在所述VO2表面的a-Ga2O3薄膜；
设置在所述a-Ga2O3薄膜表面的梳状电极。
本发明提供的紫外探测器包括衬底。本发明对所述衬底没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的制备紫外探测器所用的衬底即可。在本发明中，所述衬底优选为蓝宝石衬底、石英衬底等，更优选为蓝宝石衬底，最优选为C面宝石蓝衬底，本发明对所述衬底的厚度没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的紫外探测器中的衬底厚度即可。在本发明中，所述衬底的厚度优选为400~450μm，更优选为420~440μm，最优选为430μm。
本发明提供的紫外探测器包括设置在所述衬底表面的VO2薄膜，所述VO2薄膜为相变薄膜，在本发明中，所述VO2薄膜的厚度优选为100~300nm，更优选为150~250nm，最优选为200nm。
在本发明中，设置在所述VO2表面的a-Ga2O3薄膜，所述a-Ga2O3薄膜厚度优选为100~300nm，更优选为150~250nm，最优选为200nm。
在本发明中，所述梳状电极指间距为10μm，更优选为8μm，最优选为5μm。
在本发明中，所述衬底与上述技术方案所述的衬底一致，在此不再赘述，本发明优选采用射频磁控溅射技术在C面蓝宝石衬底表面制备VO2薄膜。本发明对所述射频磁控溅射技术的具体方法没有特殊的限制，按照本领域技术人员熟知的射频磁控溅射技术制备VO2薄膜的技术方案制备即可。在本发明中，所述衬底与上述技术方案所述的衬底一致，在此不再赘述。在本发明中，所述射频磁控溅射技术制备VO2薄膜过程中的钒靶材的射频功率优选为180~220W，更优选为190~210W，最优选为200W。在本发明中，所述射频磁控溅射技术制备VO2薄膜过程中的衬底温度优选为200~400℃，更优选为250~350℃，最优选为300℃。在本发明中，所述射频磁控溅射技术制备VO2薄膜过程中的氧氩比优选为20/0.5~40/0.5，更优选为25/0.5~35/0.5，最优选为30/0.5。在本发明中，所述VO2薄膜的厚度与上述技术方案所述VO2薄膜的厚度一致，在此不再赘述。
本发明对所述VO2薄膜进行退火处理，能够使VO2薄膜相变特性更优化。在本发明中，所述退火处理优选在保护性气氛下进行，如空气气氛下。在本发明中，所述退火处理的温度优选为300~400℃，更优选为325~375℃，最优选为350℃。在本发明中，所述退火处理的时间优选为30~90min，更优选为45~75min，最优选为60min。在本发明中，所述VO2薄膜的厚度与上述技术方案所述VO2薄膜的厚度一致，在此不再赘述。
本发明优选采用射频磁控溅射技术在VO2薄膜表面制备a-Ga2O3薄膜。本发明对所述射频磁控溅射技术的具体方法没有特殊的限制，按照本领域技术人员熟知的射频磁控溅射技术制备a-Ga2O3薄膜的技术方案制备即可。在本发明中，所述射频磁控溅射技术制备a-Ga2O3薄膜过程中的氧化镓靶材的射频功率优选为130~170W，更优选为140~160W，最优选为150W。在本发明中，所述射频磁控溅射技术制备a-Ga2O3薄膜过程中的衬底温度优选为150~250℃，更优选为175~225℃，最优选为200℃。在本发明中，所述a-Ga2O3薄膜的厚度与上述技术方案所述a-Ga2O3薄膜的厚度一致，在此不再赘述。
在本发明中在所述a-Ga2O3薄膜表面制备电极，得到紫外探测器。本发明对a-Ga2O3薄膜表面制备电极的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的紫外检测器制备电极的技术方案制备得到电极即可。本发明优选按照下述方法在a-Ga2O3薄膜表面制备电极：
在a-Ga2O3薄膜表面进行光刻，形成电极区域；
在所述电极区域溅射电极层，形成电极；
将非电极区域进行剥离处理，去除光刻过程中覆盖的光刻胶。
本发明对所述光刻的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的光刻技术方案即可，即依次进行匀胶、前烘、曝光、中烘、显影、清洗、干燥、坚膜等过程。在本发明中，所述匀胶过程中采用的光刻胶优选为KMP E3130光刻胶。在本发明中，所述前烘的温度优选为85~95℃，更优选为90℃。在本发明中，所述前烘的时间优选为2~4min，更优选为3min。在本发明中，所述中烘的温度优选为85~95℃，更优选为90℃。在本发明中，所述中烘的时间优选为4~6min，更优选为5min。在本发明中，所述干燥的方法优选为氮气吹干，在本发明中，所述坚膜的温度优选为110~130℃，更优选为120℃。在本发明中，所述坚膜的时间优选为2~4min，更优选为3min。
在本发明中，所述溅射电极层的溅射电流优选为5~7mA，更优选为6 mA，在本发明中，所述溅射电极层的时间优选为8~12min，更优选为10 min。
在本发明中，所述剥离处理的剥离液优选为丙酮。在本发明中，所述剥离处理的方法优选为超声剥离，在本发明中，所述超声剥离的时间优选为10~20分钟，更优选为15分钟。
在本发明中，所述方法制备得到的电极形状、厚度、材质以及分布与上述技术方案所述电极的形状、厚度、材质以及分布一致，在此不再赘述。
实施例1
参见图1和图2，其中，图1示出了本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的结构示意图。本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器，可以包括衬底1、设置在衬底1表面的VO2层2、设置在VO2层2表面的a-Ga2O3层3、设置在a-Ga2O3层3表面的梳状电极4，
利用射频磁控溅射技术，采用c面蓝宝石衬底，控制衬底温度为300℃，钒靶材的射频功率为200W，氧氩比为30/0.5，获得厚度为200nm的VO2薄膜。
利用管式退火炉对获得的VO2薄膜在350℃，空气氛围退火60min。
利用射频磁控溅射技术，控制衬底温度为200℃，氧化镓靶材的射频功率为150W，获得厚度为200nm的a-Ga2O3薄膜。
将上述a-Ga2O3/VO2薄膜通过匀胶（KMP E3130光刻胶）、前烘（90℃，3分钟）、曝光、中烘（90℃，5分钟）、显影、去离子水反复清洗、氮气吹干、坚膜（120℃，3分钟），形成电极区域；在电极区域溅射Au电极层，溅射电流为4 mA，溅射时间10 min，形成梳状Au电极；采用丙酮作为剥离液超声剥离15 min，然后去离子水冲洗，氮气吹干，制备得到紫外探测器，具有图1所示的结构，图1为本发明实施例提供的紫外探测器的结构示意图。
实施例2
对本发明实施例1制备得到的VO2薄膜进行相变特性测试，具体测试方法为：
利用四探针法分别对实施例进行相变特性测试，首先，用探针台将待测待测薄膜与测试仪连接，仪器与器件连接完毕后，通过集成了变温平台的Keithley 2400电学测试系统，研究电阻随温度变化特性，电压输出设定为10V，升温间隔为2℃；其次，利用中红外激光器研究实施例相变前后透过率的变化，激光波长设定为3.5μm，功率设定为200mW，升温间隔为2℃。
检测结果如图3所示，VO2薄膜相变时其电阻率变化可以达到45个数量级，说明本发明实施例制备的VO2薄膜具有相对良好的绝缘-金属可逆相变特性，图4可以观察到此时的 VO2薄膜相变具有良好的光学开关特性，在 3.5μm 处的红外透射率相变幅度则超过60%。
实施例3
利用半导体分析仪设备分别对实施例的响应时间性能测试。首先，用探针台将待测器件两电极与半导体分析仪连接，仪器与器件连接完毕后，将器件与整套系统暗态静置30分钟，然后进行测试，电压输出设定为0V，取样间隔为100ms，得到数据即为器件响应时间特性图。
检测结果如图5所示，图5为发明实施例1制备得到的紫外光电探测器响应时间特性曲线，由图5可以看出，本发明制备的紫外探测器具有较好开关特性和重复性；说明本发明实施例制备的紫外光电探测器具有相对较快的响应速度和自供能特性。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种自供能日盲紫外探测器，其特征在于，包括：
衬底；设置在所述衬底表面的VO2薄膜，所述VO2薄膜退火处理； 设置在所述VO2薄膜表面的a-Ga2O3薄膜；设置在所述a-Ga2O3薄膜表面的梳状电极。
2.根据权利要求1所述的一种自供能日盲紫外探测器，其特征在于，所述VO2薄膜的厚度为100~300nm。
3.根据权利要求1所述的一种自供能日盲紫外探测器，其特征在于，所述VO2薄膜的退火温度为300~400℃。
4.根据权利要求1所述的一种自供能日盲紫外探测器，其特征在于，所述a-Ga2O3薄膜的厚度为100~300nm。
5.根据权利要求1所述的一种自供能日盲紫外探测器，其特征在于，所述梳状电极选自Au电极。
6.根据权利要求5所述的一种自供能日盲紫外探测器，其特征在于，所述两个指间距≤1μm。
7.一种权利要求1所述的一种自供能日盲紫外探测器，其特征在于，包括以下使用步骤：
（1）在衬底表面制备VO2薄膜，且VO2薄膜采用射频磁控溅射技术制备；
（2）将所述VO2薄膜退火处理，且退火处理的温度为300~400℃；
（3）在所述VO2薄膜表面采用射频磁控溅射技术制备a-Ga2O3薄膜，采用射频磁控溅射技术；
（4）在所述a-Ga2O3薄膜表面制备电极，得到日盲紫外探测器。
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