高响应度β-Ga2O3基异质结自供能紫外探测器及其制备方法和应用

高响应度
β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于半导体光电器件领域，特别涉及高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.由于臭氧层对200
–
280nm波段紫外辐射的完全吸收，此波段在大气层中几乎不存在，因此该波段称之为“日盲”波段。基于此波段的紫外探测器由于具有背景噪声低和虚警率低等优点，其在紫外制导、紫外空间预警和导弹预警等军事领域，以及在高响应火灾预警、电晕检测、大气环境监测等民生领域有着广泛的应用前景，并受到研究者的广泛关注。
3.虽然si、ge等传统半导体材料具有低成本和技术成熟的优势，但由于禁带宽度窄，通常需要增加降温装置，导致设备体积大，在高温、高压等环境下性能不稳定等缺陷，在“日盲”波段探测方面需要高质量滤光片，限制了其响应度。宽带隙半导体紫外探测器直接响应紫外光子，无需复杂昂贵的光学元件，具有体积小机动灵活、稳定性高、可集成和量子效率高等优点。β-ga2o3的禁带宽度为4.90ev，处于“日盲”波段，同时具有极高的化学稳定性和热稳定性，是天然的日盲紫外探测材料。β-ga2o3作为日盲紫外探测器具有显著的光电性能，相比于其它紫外光电探测器光谱选择性好，暗电流小[zou r,zhang z,liu q,et al.high detectivity solar-blind high-temperature deep-ultraviolet photodetector based on multi-layered(l00)facet-orientedβ-ga2o3nanobelts[j].small:2014,10(9):1848-56.]。
[0004]
目前，n型β-ga2o3可以通过sn、si等元素掺杂实现，该方法可引自文献[s.c.siah,r.e.brandt,k.lim,l.t.schelhas,r.jaramillo,m.d.heinemann,d.chua,j.wright,j.d.perkins,c.u.segre,r.g.gordon,m.f.toney,and t.buonassisi.dopant activation in sn-doped ga2o
3 investigated by x-ray absorption spectroscopy.applied physics letters 107,252103(2015)]。p型β-ga2o3难以获得，导致β-ga2o3基结型光电探测器主要以异质结为主，目前已知的β-ga2o3基异质结探测器中可能存在以下缺点：1)响应度值低，开路电压小；2)存在持续光电导现象，导致光响应速度为秒量级。


技术实现要素：

[0005]
为解决现有的β-ga2o3基异质结薄膜紫外探测器响应度低的问题，本发明的主要目的是提供一种高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器。
[0006]
本发明的另一目的是提供上述高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器的制备方法。
[0007]
本发明的再一目的是提供上述高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器在日盲波段探测方面的应用。
[0008]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009]
本发明提供一种高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器，由下至上包括依次层叠设置的衬底、第一电极、p型宽禁带导电薄膜、本征β-ga2o3薄膜耗尽层、n-β-ga2o3:sn导电薄膜、n
+-β-ga2o3:sn电子收集层、mgo:na或mgo:k薄膜钝化层和第二电极；其中：
[0010]
所述p型宽禁带导电薄膜的禁带宽度大于3.0ev；
[0011]
所述本征β-ga2o3薄膜耗尽层位于所述p型宽禁带导电薄膜和n-β-ga2o3:sn导电薄膜之间；
[0012]
所述mgo:na或mgo:k薄膜钝化层覆盖于所述n-β-ga2o3:sn导电薄膜上；
[0013]
所述n
+-β-ga2o3:sn电子收集层位于所述n-β-ga2o3:sn导电薄膜和第二电极之间。
[0014]
作为优选，所述衬底选为表面平整光滑的蓝宝石、硅或金属材料。
[0015]
作为优选，所述第一电极为ru/ni/ag/pt/au叠层合金薄膜，其中ru的厚度为5
–
50nm，ni的厚度为10
–
100nm，ag的厚度为10
–
100nm，pt的厚度为10
–
100nm，au的厚度为50
–
1000nm。
[0016]
作为优选，所述第二电极为ti/au叠层合金薄膜，ti的厚度为10
–
500nm，au厚度为50
–
1000nm。
[0017]
作为优选，所述本征β-ga2o3薄膜耗尽层的厚度为5
–
50nm。
[0018]
作为优选，所述n-β-ga2o3:sn导电薄膜中sn原子百分含量为0.01at％
–
1at％，厚度为300
–
2000nm。
[0019]
作为优选，所述n
+-β-ga2o3:sn电子收集层为条形结构，其中sn原子百分含量为1at％
–
10at％，厚度为50
–
500nm。
[0020]
作为优选，所述p型宽禁带导电薄膜选自p-gan、p-sic、p-zno导电薄膜中的一种或多种。
[0021]
作为优选，所述mgo:na或mgo:k薄膜钝化层的厚度为50
–
500nm，na或k原子百分含量为0.1at％
–
5at％。
[0022]
本发明还提供上述高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0023]
s101、清洗衬底；
[0024]
s102、通过真空磁控溅射在清洗后的衬底上制备ru/ni/ag/pt/au叠层合金薄膜，作为第一电极；
[0025]
s103、采用选自金属有机物气相外延(movpe)、脉冲激光沉积(pld)、磁控溅射或分子束外延(mbe)的真空制膜方法在第一电极上制备p型宽禁带导电薄膜；
[0026]
s104、采用pld在所述p型宽禁带导电薄膜上制备本征β-ga2o3薄膜耗尽层；
[0027]
s105、采用pld在所述本征β-ga2o3薄膜耗尽层上制备n-β-ga2o3:sn导电薄膜；
[0028]
s106、用掩膜板覆盖所述n-β-ga2o3:sn导电薄膜，采用pld在n-β-ga2o3:sn导电薄膜上制备n
+-β-ga2o3:sn电子收集层；
[0029]
s107、用掩膜板结合磁控溅射的真空制膜方法在n
+-β-ga2o3:sn电子收集层上制备ti/au合金叠层薄膜，作为第二电极；
[0030]
s108、用掩膜板覆盖所述第二电极，采用磁控溅射的真空制膜方法在n-β-ga2o3:sn导电薄膜上制备mgo:na或mgo:k薄膜钝化层。
[0031]
作为优选，所述本征β-ga2o3薄膜耗尽层的制备工艺参数包括：通入o2气体，生长压
强为0.01
–
0.1pa，生长温度为380
–
650℃，衬底与靶材之间距离为20
–
50mm，生长时间为1
–
10min。
[0032]
作为优选，所述n-β-ga2o3:sn导电薄膜的制备工艺参数包括：通入o2气体，生长压强为0.01
–
5pa，生长温度为350
–
950℃，衬底与靶材之间距离为20
–
50mm，生长时间为100
–
240min。
[0033]
作为优选，所述n
+-β-ga2o3:sn电子收集层的制备工艺参数包括：通入o2气体，生长压强为0.01
–
5pa，生长温度为350
–
950℃，衬底与靶材之间距离为20
–
50mm，生长时间为30
–
60min。
[0034]
作为优选，所述mgo:na或mgo:k薄膜钝化层的制备工艺参数包括：通入ar和o2混合气体，且ar:o2的体积比为1:0.1
–
10，生长压强为0.5
–
5pa，溅射功率为10
–
80w，生长温度为200
–
600℃，生长时间为20
–
120min。
[0035]
本发明还提供上述高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器在日盲波段探测方面的应用。
[0036]
本发明利用化学气相沉积(cvd)、金属有机物气相外延(movpe)、脉冲激光沉积(pld)等真空制膜技术，在蓝宝石、硅、金属等表面平整光滑的衬底上制备高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器，利用本征β-ga2o3作为耗尽层和吸收层，mgo:na(或k)薄膜作为钝化层，n
+-β-ga2o3:sn薄膜作为电子收集层，使β-ga2o3基异质结日盲探测器具有更高响应度，相比于现有的β-ga2o3基异质结紫外探测器响应度提高了近2倍，具有以下优点：
[0037]
1)光射入本征β-ga2o3，由于该层薄膜没有掺杂，晶格畸变小，光生载流子在内建电场的作用下，快速漂移到回路，降低了光生载流子的复合，增大了短路电流和开路电压。
[0038]
2)利用mgo:na(或k)薄膜作为钝化层，降低了表面复合。
[0039]
3)利用n
+-β-ga2o3:sn薄膜作为电子收集层，提高了电子收集效率。
附图说明
[0040]
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
[0041]
图1为实施例中高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器的结构示意图；其中：
[0042]
1——衬底；
[0043]
2——ru/ni/ag/pt/au第一电极；
[0044]
3——p型宽禁带导电薄膜；
[0045]
4——本征β-ga2o3薄膜耗尽层；
[0046]
5——n-β-ga2o3:sn导电薄膜；
[0047]
6——n
+-β-ga2o3:sn电子收集层；
[0048]
7——mgo:na(或k)薄膜钝化层；
[0049]
8——ti/au第二电极。
[0050]
图2为实施例中高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器(1)和传统β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器(2)的波长与响应度关系图。
ga2o3:sn电子收集层；
[0064]
f)在e)步骤基础上，利用掩膜板技术，采用磁控溅射设备在n
+-β-ga2o3:sn电子收集层上，沉积第二电极；
[0065]
g)利用掩膜板技术，覆盖住第二电极薄膜，采用磁控溅射设备沉积mgo:na(或k)薄膜钝化层。
[0066]
步骤a)中，先用乙醇、丙酮各超声15分钟后，然后用去离子水清洗，最后用氮气吹干净。
[0067]
步骤e)和f)中，n
+-β-ga2o3:sn电子收集层及其上覆盖的第二电极掩膜板形状一样，均为长方形。
[0068]
步骤g)中，mgo:na(或k)薄膜钝化层掩膜板形状为长方形。
[0069]
步骤e)、f)和g)中，n
+-β-ga2o3:sn电子收集层、第二电极掩膜板的宽度与mgo:na(或k)薄膜钝化层采用的掩膜板宽度比为1:2。
[0070]
上述制作工艺还包括：
[0071]
(a)pld制备本征β-ga2o3薄膜耗尽层的工艺参数为：通入o2气体，生长压强为0.01
–
0.1pa，生长温度为380
–
650℃，衬底与靶材之间距离为20
–
50mm，生长时间为1
–
10min；
[0072]
(b)pld制备n-β-ga2o3:sn导电薄膜的工艺参数为：通入o2气体，生长压强为0.01
–
5pa，生长温度为350
–
950℃，衬底与靶材之间距离为20
–
50mm，生长时间为100
–
240min；
[0073]
(c)pld制备n
+-β-ga2o3:sn电子收集层的工艺参数为：通入o2气体，生长压强为0.01
–
5pa，生长温度为350
–
950℃，衬底与靶材之间距离为20
–
50mm，生长时间为30
–
60min；
[0074]
(d)磁控溅射制备mgo:na(或k)薄膜钝化层的工艺参数为：通入ar和o2混合气体，且ar:o2值范围为0至10:1，生长压强为0.5
–
5pa，溅射功率为10
–
80w，生长温度为200
–
600℃，生长时间为20
–
120min。
[0075]
针对β-ga2o3基异质结薄膜日盲探测器响应度低、开路电压小等问题，本发明制备高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器，在n-β-ga2o3:sn/p-宽禁带导电薄膜异质结中，利用本征高质量β-ga2o3薄膜提高耗尽层宽度，提高光的吸收率和利用率；通过增加mgo:na(或k)薄膜钝化层，对n-β-ga2o3:sn导电层进行表面钝化和场钝化；通过增加n
+-β-ga2o3:sn电子收集，降低电极和导电层之间的电流和电压损失。通过上述方法，提高了β-ga2o3异质结薄膜紫外光探测器的开路电压、短路电流，进而提高响应度。
[0076]
实施例1
[0077]
本实施例制备高响应度β-ga2o3基异质结自供能紫外探测器，步骤如下：
[0078]
s201、蓝宝石衬底清洗。首先用乙醇、丙酮各超声15分钟，然后，用80℃稀盐酸浸煮10分钟，最后用h3po4:h2so4＝1:3的混合酸溶液浸煮，温度为100℃，时间为的10分钟。
[0079]
s202、将清洗后的衬底放进磁控溅射设备生长室，设置气氛、真空度等工艺参数，制备ru/ni/ag/pt/au叠层第一电极；
[0080]
s203、将沉积有第一电极的衬底放进movpe反应室，三甲基镓(tmga)、二茂镁(cp2mg)和高纯氨气(nh3)分别作ga、mg和n源。高纯氢气(h2)作载气。将蓝宝石衬底经1050℃h2气氛下烘烤、h2/nh3气氛下氮化、550℃下生长180min后，制备p-gan:mg导电层。
[0081]
s204、将“衬底/第一合金金属薄膜电极/p-gan导电薄膜”放进pld设备生长室，通入o2气体，生长压强为0.085pa，生长温度为480℃，衬底与靶材之间距离为40mm，靶材为高
ga2o3作为耗尽层和吸收层，mgo:na(或k)薄膜作为钝化层，n
+-β-ga2o3:sn薄膜作为电子收集层，使β-ga2o3基异质结日盲探测器具有更高响应度，相比于现有的β-ga2o3基异质结紫外探测器响应度提高了近2倍，具有以下优点：
[0096]
1)光射入本征β-ga2o3，由于该层薄膜没有掺杂，晶格畸变小，光生载流子在内建电场的作用下，快速漂移到回路，降低了光生载流子的复合，增大了短路电流和开路电压；
[0097]
2)利用mgo:na(或k)薄膜作为钝化层，降低了表面复合；
[0098]
3)利用n
+-β-ga2o3:sn薄膜作为电子收集层，提高了电子收集效率。
[0099]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。