CN117253936A - 氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器及其制备方法，所述探测器包括自下而上设置的衬底，κ‑Ga2O3压电薄膜层，金属电极层；所述金属电极层包括叉指换能器，所述叉指换能器沿宽度方向的两侧对称设置有反射栅。本发明利用κ‑Ga2O3材料的宽带隙以及压电极化特性，制备了兼具声表面波探测和日盲紫外探测双模态探测功能的探测器，所述探测器在265nm光照下可同时在声电和光导模式下工作，对日盲光波段具有较高响应，自驱动工作功耗更低，相比于其他压电材料的声表面波探测器，具有更高的谐振频率和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件及微波器件领域，具体涉及一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器及其制备方法。
背景技术
超宽禁带半导体日盲紫外光电探测器具有更宽的光谱响应范围，可实现日盲光全覆盖探测，可广泛应用于天际通信、火灾监控、气象监测和环境污染监测等领域，因而成为紫外光电探测领域的研究热点。
可用于声表面波探测的传统压电材料为ZnO和AlN，ZnO具有较高的压电系数，约为12.4 pm V-1，但带隙为3.37 eV，势必在声波探测中造成严重损耗，且带隙宽度不足以在日盲紫外探测中应用。AlN虽然具有较宽的带隙为6.2 eV，但带隙过宽也会导致原子间较强的化学键，使得材料弹性常数和硬度较高，因而压电常数仅为5 pm V-1。要提高器件高灵敏度和日盲紫外探测性能，亟需开发具有更大压电常数的新型宽禁带半导体。
发明内容
本发明提供了一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器及其制备方法，采用具有较高压电系数和较大带隙宽度的κ-Ga2O3材料作为光电导层和压电层，实现高响应日盲紫外探测和高灵敏度声表面波探测，相比于其他基于紫外声表面波的日盲紫外探测器，实现同一器件上声表面波和日盲紫外的双模式探测，探测响应度高，灵敏性好。
本发明解决上述技术问题的方案如下：一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，所述探测器包括自下而上设置的衬底，κ-Ga2O3压电薄膜层，金属电极层；所述金属电极层包括叉指换能器，所述叉指换能器两侧对称设置有反射栅。
κ-Ga2O3禁带宽度为4.8 eV，具有较高的抗辐射性能、良好的热稳定性、较高的紫外吸收系数，已成为日盲紫外探测领域的优选材料。κ-Ga2O3带隙介于ZnO和AlN之间，属于非对称的Pna21空间群，自发极化系数Psp≈23-79μC cm-2约为AlN的10倍，压电极化系数为d33≈10.8~11.2 pm V-1，约为AlN的2倍，在电学及压电器件中有巨大的应用潜力。因此，基于κ-Ga2O3声表面波日盲紫外双模态探测器，可同时实现声表面波以及日盲紫外双模态探测。
优选的，所述衬底材料包括蓝宝石、碳化硅、氧化镓、氮化铝。
优选的，所述κ-Ga2O3压电薄膜层厚度为100-5000 nm。
优选的，所述金属电极层厚度为50-1000 nm；所述金属电极层材料包括金属Ti、金属Al中的一种或两种金属的混合物。
优选的，叉指换能器的宽度为32 μm，波长为1.6 μm，占空比为0.5，叉指对数为120。
优选的，反射栅的各反射栅电极长度及宽度均相同；反射栅的宽度为32 μm，波长为1.6 μm，占空比为0.5，叉指对数为120。
如上所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、对衬底进行清洗预处理；
S2、在衬底上制备κ-Ga2O3压电薄膜层；
S3、在κ-Ga2O3压电薄膜层上涂抹一定厚度的光刻胶，光刻胶上方覆盖掩模版，进行曝光和显影；
S4、再通过EUV光刻技术，刻蚀光刻胶未被掩模版遮盖的区域，制作图形；
S5、在图形区域蒸镀Ti/Al金属混合物或金属Al；
S6、洗去光刻胶，κ-Ga2O3压电薄膜层表面形成叉指换能器与反射栅，得到所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器。
优选的，所述S1，衬底清洗预处理步骤包括采用丙酮、乙醇、水以及食人鱼溶液清洗。
优选的，所述S2，所述κ-Ga2O3压电薄膜层可通过氢化物气相外延（HVPE）技术、喷雾化学气相沉积技术（Mist-CVD）、金属有机化学气相沉积技术（MOCVD）、脉冲激光沉积技术（PLD）制得。
优选的，所述S3，通过电子束蒸发技术或磁控溅射技术在在图形区域沉积Ti/Al金属混合物或金属Al。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明采用新型压电材料κ-Ga2O3作为光电导层和压电层，得益于κ-Ga2O3的高禁带宽度和高压电系数，可在同一器件实现声表面波探测和日盲紫外光探测的双模式。
（2）本发明所制备的κ-Ga2O3可在多种衬底上制备，实现探测形式多样化，满足不同的探测需求。在蓝宝石衬底上制备的器件在瑞利模式下工作，谐振频率约1.96 GHZ，相速度υp约3138 m/s，机电耦合系数keff 2约0.58%；在碳化硅衬底上制备的器件在塞西瓦模式下工作，谐振频率3.31 GHz，υp约为6640 m/s。
（3）本发明所制备的κ-Ga2O3声表面波日盲紫外双模态探测器在日盲紫外探测模式下工作时具有自驱动、零功耗、响应度高、有远程无线操作的优势，对261nm的日盲紫外光具有较好的响应，灵敏度达3.38×104ppm/(mW/cm2)，相比于目前报道声表面波光电探测器高出一个数量级。
（4）本发明所制备的κ-Ga2O3声表面波日盲紫外双模态探测器工艺简单，所采用的光刻等工艺可与CMOS工艺兼容，便于批量制备。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1中氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器的结构示意图；
图2为实施例1、2中的κ-Ga2O3薄膜XRD图；
图3为实施例1、2中的氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器的导纳谱图；
图4为实施例1、2中氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器在各自工作模式下随261 nm 入射光功率变化的频移示意图；
图5为实施例1、2中氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器在日盲紫外探测模式下的响应度图。
各附图中标号代表的部件名称如下：
101、衬底；102、κ-Ga2O3压电薄膜层；103、叉指换能器；104、反射栅。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，所述探测器包括自下而上设置的衬底101，κ-Ga2O3压电薄膜层102，金属电极层；所述金属电极层厚度为50-1000 nm，包括叉指换能器103，所述叉指换能器103两侧对称设置有反射栅（104）。具体制备包括以下步骤：
S1、采用蓝宝石衬底，依次置于丙酮、乙醇、水溶液中超声10分钟，之后置于食人鱼溶液中清洗1分钟。
S2、在衬底上通过HVPE、Mist-CVD、MOCVD、PLD等技术制备κ-Ga2O3压电薄膜层102。
所述κ-Ga2O3压电薄膜层102应为单一物相的κ-Ga2O3，厚度保持在50-5000 nm之间，表面应保持平整，粗糙度均方根应在10 nm以下。
S3、基于集成电路工艺技术，在κ-Ga2O3压电薄膜层102上涂抹一定厚度光刻胶，光刻胶上方覆盖掩模版，进行曝光和显影步骤。
S4、刻蚀光刻胶未被掩模版遮盖的区域，制作图形；
S5、通过电子束蒸发技术或磁控溅射技术在图形区域蒸镀Ti-Al合金或金属Al；
S6、洗去光刻胶，κ-Ga2O3压电薄膜层102表面形成叉指换能器103与反射栅104，得到所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器。
叉指换能器103的宽度为32 μm，波长为1.6 μm，占空比为0.5，共120对；反射栅（104）的各反射栅电极长度及宽度均相同；反射栅（104）的宽度为32 μm，波长为1.6 μm，占空比为0.5，共120对。
实施例2
本实施例提供一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，其制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于采用碳化硅作为衬底。
如图2所示，可知制备的κ-Ga2O3压电薄膜层在两种衬底材料上均为单一物相。
如图3所示，蓝宝石衬底的探测器在瑞利模式（A0）下工作，谐振频率为κ-Ga2O3的典型谐振频率为1.96 GHz，碳化硅衬底具有较高声速，可激发探测器更高的谐振频率，碳化硅衬底的探测器在二阶塞西瓦模式谐振频率可达3.31 GHz，展现了κ-Ga2O3声表面波日盲紫外双模态探测器在声表面波探测领域的巨大突破。
如图4所示，由图中斜率可计算得探测灵敏度分别为1.15×104ppm/(mW/cm2)和3.38×104ppm/(mW/cm2)，均高于同一领域的报道值，表明采用高压电极化的κ-Ga2O3可极大提高声表面波日盲紫外探测的灵敏度。
如图5所示，260 nm的响应波长下，响应度最高可达5.05×104 A/W，通过引导表面波和光产生的载流子之间的声电相互作用，日盲紫外探测的响应度水平优于其他类型日盲紫外探测器。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，其特征在于，所述探测器包括自下而上设置的衬底（101），κ-Ga2O3压电薄膜层（102），金属电极层；所述金属电极层包括叉指换能器（103），所述叉指换能器（103）沿宽度方向的两侧对称设置有反射栅（104）。
2.根据权利要求1所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，其特征在于，所述衬底（101）材料包括蓝宝石、碳化硅、氧化镓、氮化铝。
3.根据权利要求1所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，其特征在于，所述κ-Ga2O3压电薄膜层厚度为100-5000 nm。
4.根据权利要求1所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，其特征在于，所述金属电极层厚度为50-1000 nm；所述金属电极层材料包括金属Ti、金属Al中的一种或两种金属的混合物。
5.根据权利要求1所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，其特征在于，叉指换能器（103）的宽度为32 μm，波长为1.6 μm，占空比为0.5，叉指对数为120。
6.根据权利要求1所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器，其特征在于，反射栅（104）的各反射栅电极长度及宽度均相同；反射栅（104）的宽度为32 μm，波长为1.6 μm，占空比为0.5，叉指对数为120。
7.一种如权利要求1-6任一所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对衬底进行清洗预处理；
S2、在衬底上制备κ-Ga2O3压电薄膜层（102）；
S3、在κ-Ga2O3压电薄膜层（102）上涂抹一定厚度的光刻胶，光刻胶上方覆盖掩模版，进行曝光和显影；
S4、再通过EUV光刻技术，刻蚀光刻胶未被掩模版遮盖的区域，制作图形；
S5、在图形区域沉积蒸镀Ti/Al金属混合物或金属Al；
S6、洗去光刻胶，κ-Ga2O3压电薄膜层（102）表面形成叉指换能器（103）与反射栅（104），得到所述氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器。
8.根据权利要求7所述一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器的制备方法，其特征在于，所述S1，衬底清洗预处理步骤包括采用丙酮、乙醇、水以及食人鱼溶液清洗。
9.根据权利要求7所述一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器的制备方法，其特征在于，所述S2，所述κ-Ga2O3压电薄膜层（102）可通过氢化物气相外延技术、喷雾化学气相沉积技术、金属有机化学气相沉沉积技术、脉冲激光沉积技术制得。
10.根据权利要求7所述一种氧化镓基声表面波兼日盲紫外双模态探测器的制备方法，其特征在于，所述S3，通过电子束蒸发技术或磁控溅射技术在在图形区域沉积镀膜Ti/Al金属混合物或金属Al。
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2023
- 2023-11-20 CN CN202311542847.8A patent/CN117253936A/zh active Pending
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