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CN114551645A - 一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法 - Google Patents

一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法 Download PDF

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CN114551645A CN202210160573.5A CN202210160573A CN114551645A CN 114551645 A CN114551645 A CN 114551645A CN 202210160573 A CN202210160573 A CN 202210160573A CN 114551645 A CN114551645 A CN 114551645A
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颜世琪
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Shandong University
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Abstract

本发明涉及一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，包括：(1)制备n型掺杂氧化镓衬底：通过机械剥离n型掺杂Ga2O3晶体，获得原子级平整的洁净表面，获得的氧化镓晶片；(2)依次通过清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片、光刻定义电极图形、生长电极制备得到负光电导日盲探测器；本发明首次在氧化镓光探测器件中观测到紫外波段的负光电导现象。器件负光电导性能优异，在254nm光的照射下，器件表现出高的负响应，响应度达14.6A/W，响应速度快，对周期性开/关光开关响应稳定、可逆。氧化镓晶体的负光电导特性为其在光电器件上的应用提供了新的可能性。

Description

一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法
技术领域
本发明涉及一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，属于半导体技术领域。
背景技术
光电导效应是指经过光照之后半导体的电导率发生变化。光电导效应在生物医学监测、环境探测、信息传递与处理、太空探索、可穿戴电子等领域具有重要的应用价值。目前对光电导效应的研究集中在正光电导效应，关于负光电效应的研究非常少。负光电导除了在前文所述领域具有应用前景之外，负光电导器件还可以与正光电导器件结合，组成光电逻辑门，实现全功能逻辑操作与控制。已有的报道表明负光电导仅在少数材料体系才能观测到，研究机会较少，研究理论基础薄弱，物理机制也仍有争议。目前，已在Co-doped Si,InAs,GeS,ZnSe,Black Phosphorus以及FePS3等少数低维材料体系(如纳米粒子、纳米线和薄膜)中观测到负光电导效应。文献中对负光电导机理解释主要有三类：(1)陷阱效应，表面层存在大量的陷阱，表面陷阱态的浓度大于平衡载流子浓度，光照后这些陷阱俘获光生电子，而光生空穴俘获自由电子载流子，从而产生负光电导现象；(2)表面分子的吸附/解吸附，光照后表面吸附物(如水分子)的解吸附导致某些材料的电子掺杂浓度降低；(3)表面等离激元与电子的相互作用，入射光波和表面电子因共振产生新的散射通道，导致材料电阻增大，产生负光电导现象。
氧化镓由于其超宽带隙(～4.9eV)，吸收截止边(～254nm)恰好位于日盲波段，单晶生长工艺日趋成熟，工艺成本低(如导模法)，材料化学稳定性好、抗辐射等优势，使其在紫外光电探测领域备受关注。自2013年起，氧化镓光电探测器件发展迅猛，但其主要针对正光电导效应，对氧化镓负光电导效应的研究既是对氧化镓基光探测器件基础理论的补充，同时也为在氧化镓材料中结合正负光电导效应来设计和实现光电逻辑电路打下了基础。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法；
氧化镓是近些年来备受关注的光电材料，但基于氧化镓材料制备的光探测器件都是针对正光电导效应。本发明首次发现了氧化镓光探测器在日盲波段的负光电导效应，对于研究氧化镓材料光响应特性，探究负光电导的形成机理具有重要的意义，并且氧化镓的负光电导特性为其在光电器件上的应用提供了新的可能性。
术语解释：
1、室温，室温也称为常温或者一般温度，一般定义为25摄氏度。有时会设为300K(约27℃),以利于使用绝对温度的计算。
2、叉指电极，是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，这种电极有利于实现较大的沟道宽度，提高器件电流。
本发明的技术方案为：
一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，包括步骤如下：
(1)制备n型掺杂氧化镓衬底：通过机械剥离n型掺杂Ga2O3晶体，获得原子级平整的洁净表面，获得的氧化镓晶片；
(2)依次通过清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片、光刻定义电极图形、生长电极制备得到负光电导日盲探测器；
其中，光刻定义电极图形，是指：利用光刻工艺，在获取的氧化镓晶片上制备电极图案。
根据本发明优选的，氧化镓晶片的电子掺杂浓度为1×1018-5×1019cm-3；
进一步优选的，氧化镓晶片的电子掺杂浓度为1×1018cm-3。
根据本发明优选的，氧化镓晶片的长度为2-4cm、宽度为1-2cm、厚度为10-150μm；n型掺杂氧化镓衬底的材质为Si掺杂氧化镓；
进一步优选的，氧化镓晶片的长度为4cm、宽度为2mm、厚度为100μm。
根据本发明优选的，在获取的氧化镓晶片上制备叉指型电极图案。
根据本发明优选的，步骤(1)中，采用机械剥离的方法，剥离获取氧化镓晶片。
根据本发明优选的，清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片，是指：使用迪康清洗剂以40-100W功率超声清洗3-10min、去离子水40-100W功率超声清洗3-10min、丙酮40-100W功率超声清洗3-10min、乙醇40-100W功率超声清洗3-10min，氮气吹干之后备用。
最优选的，清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片，是指：使用迪康清洗剂以40W功率超声清洗5min、去离子水40W功率超声清洗10min、丙酮40W功率超声清洗5min、乙醇40W功率超声清洗5min，氮气吹干之后备用。
根据本发明优选的，生长电极，是指：采用磁控溅射的方法，在与氧化镓晶片接触的接触面沉积过程中的气体氛围是氩氧混合气体，有利于形成Pd的氧化物，从而提高Pd的功函数，在非接触面沉积的气体氛围是纯氩气体，有利于形成Pd金属。获得的电极为钯/钯氧化物的双层结构即Pd/PdOX双层结构，Pd/PdOX双层结构由下自上依次包括PdOX、Pd，X的取值范围为0-1；
在氧化镓晶片上沉积PdOX时，磁控溅射中的工艺参数如下：
靶材为Pd金属靶；
溅射功率为30-100W；
工作气压为3.45-4.00mTorr；
气体流速为13-20SCCM；
衬底温度为室温；
生长氛围为2.5％-35％O2含量的氩氧混合气；
溅射时间为60-900s；
在PdOX上沉积Pd时，磁控溅射中的工艺参数如下：
靶材为Pd金属靶；
溅射功率为30-100W；
工作气压为3.55-4.10mTorr；
气体流速为13-20SCCM；
衬底温度为室温；
生长氛围为纯氩气环境；
溅射时间为300-900s。
进一步优选的，
在氧化镓晶片上沉积PdOX时，磁控溅射中的工艺参数如下：
溅射功率为40W；
工作气压为3.46mTorr；
气体流速为20SCCM；
生长氛围为25％O2含量的氩氧混合气；
溅射时间为630s。
在PdOX上沉积Pd时，磁控溅射中的工艺参数如下：
溅射功率为40W；
工作气压为3.67mTorr；
气体流速为20SCCM；
生长氛围为纯氩气；
溅射时间为600s。
磁控溅射沉积的PdOx薄膜在沉积过程中掺入了一定的氧，有助于提高肖特基接触的质量，提高肖特基势垒高度。
本发明的有益效果为：
本发明通过在Si掺杂的氧化镓晶片上沉积PdOx/Pd肖特基电极制备了叉指型光探测器件，并且首次在氧化镓光探测器件中观测到紫外波段的负光电导现象。器件负光电导性能优异，在254nm光的照射下，器件表现出高的负响应，响应度达14.6A/W，响应速度快，对周期性开/关光开关响应稳定、可逆。氧化镓负光电导的发现对于加深对氧化镓材料光响应机理的理解具有重要意义。为其在光电器件上的应用提供了新的可能性。
附图说明
图1为本发明制备的叉指型电极的光学图像示意图；
图2为负光电导日盲探测器结构示意图；
图3为负光电导日盲探测器性能示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，包括步骤如下：
(1)制备n型掺杂氧化镓衬底：通过机械剥离n型掺杂Ga2O3晶体，获得原子级平整的洁净表面，采用机械剥离的方法，剥离获取氧化镓晶片；氧化镓晶片的电子掺杂浓度为1×1018-5×1019cm-3；氧化镓晶片的长度为2-4cm、宽度为1-2cm、厚度为10-150μm；n型掺杂氧化镓衬底的材质为Si掺杂氧化镓；
(2)依次通过清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片、光刻定义电极图形、生长电极制备得到负光电导日盲探测器；
其中，光刻定义电极图形，是指：利用光刻工艺，在获取的氧化镓晶片上制备电极图案。
清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片，是指：使用迪康清洗剂以40-100W功率超声清洗3-10min、去离子水40-100W功率超声清洗3-10min、丙酮40-100W功率超声清洗3-10min、乙醇40-100W功率超声清洗3-10min，氮气吹干之后备用。
生长电极，是指：采用磁控溅射的方法，在与氧化镓晶片接触的接触面沉积过程中的气体氛围是氩氧混合气体，有利于形成Pd的氧化物，从而提高Pd的功函数，在非接触面沉积的气体氛围是纯氩气体，有利于形成Pd金属。获得的电极为钯/钯氧化物的双层结构即Pd/PdOX双层结构，Pd/PdOX双层结构由下自上依次包括PdOX、Pd，X的取值范围为0-1；
在氧化镓晶片上沉积PdOX时，磁控溅射中的工艺参数如下：
靶材为Pd金属靶；
溅射功率为30-100W；
工作气压为3.45-4.00mTorr；
气体流速为13-20SCCM；
衬底温度为室温；
生长氛围为2.5％-35％O2含量的氩氧混合气；
溅射时间为60-900s；
在PdOX上沉积Pd时，磁控溅射中的工艺参数如下：
靶材为Pd金属靶；
溅射功率为30-100W；
工作气压为3.55-4.10mTorr；
气体流速为13-20SCCM；
衬底温度为室温；
生长氛围为纯氩气环境；
溅射时间为300-900s。
实施例2
根据实施例1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其区别在于：
氧化镓晶片的电子掺杂浓度为1×1018cm-3。氧化镓晶片的长度为4cm、宽度为2mm、厚度为100μm。在获取的氧化镓晶片上制备叉指型电极图案。
清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片，是指：使用迪康清洗剂以40W功率超声清洗5min、去离子水40W功率超声清洗10min、丙酮40W功率超声清洗5min、乙醇40W功率超声清洗5min，氮气吹干之后备用。
在氧化镓晶片上沉积PdOX时，磁控溅射中的工艺参数如下：
溅射功率为40W；
工作气压为3.46mTorr；
气体流速为20SCCM；
生长氛围为25％O2含量的氩氧混合气；
溅射时间为630s。
在PdOX上沉积Pd时，磁控溅射中的工艺参数如下：
溅射功率为40W；
工作气压为3.67mTorr；
气体流速为20SCCM；
生长氛围为纯氩气；
溅射时间为600s。
磁控溅射沉积的PdOx薄膜在沉积过程中掺入了一定的氧，有助于提高肖特基接触的质量，提高肖特基势垒高度。
对氧化镓晶片的器件光电性能进行检测、分析和表征；用X射线光电子能谱(XPS)分析了氧化镓晶片的化学状态进行了表征；为了验证负光电导现象在氧化镓晶片上出现的原因，用扫描隧道显微镜(STM)对氧化镓表面能带以及表面形貌进行了表征。用AgilentB2900半导体分析仪和氙灯光源对氧化镓光探测器的光电性能进行检测。
制备的叉指型电极的光学图像如图1所示；在氧化镓晶片上制备叉指型光探测器；
制备的负光电导日盲探测器结构如图2所示；图2展示了氧化镓光探测器主要的结构分布，说明制备工艺简单；
图3为负光电导日盲探测器性能示意图；其中，(a)为黑暗及光照条件下I-V曲线，纵坐标为光照与黑暗条件下叉指器件的电流，横坐标为施加在叉指电极两端的电压，可以明显看出光照条件下，器件电流下降，表现出负光电导效应；(b)为时域光电流开关特性；纵坐标为光照与黑暗条件变化下的叉指器件的电流，横坐标为时间，反应了氧化镓负光电导响应速度快，对周期性开/关光开关响应稳定、可逆。

Claims (10)

1.一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)制备n型掺杂氧化镓衬底：剥离n型掺杂Ga2O3晶体，获得原子级平整的洁净表面，获得的氧化镓晶片；
(2)依次通过清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片、光刻定义电极图形、生长电极制备得到负光电导日盲探测器；
其中，光刻定义电极图形，是指：利用光刻工艺，在获取的氧化镓晶片上制备电极图案。
2.根据权利要求1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，氧化镓晶片的电子掺杂浓度为1×1018-5×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，氧化镓晶片的电子掺杂浓度为1×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，氧化镓晶片的长度为2-4cm、宽度为1-2cm、厚度为10-150μm；n型掺杂氧化镓衬底的材质为Si掺杂氧化镓；
进一步优选的，氧化镓晶片的长度为4cm、宽度为2mm、厚度为100μm。
5.根据权利要求1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，在获取的氧化镓晶片上制备叉指型电极图案。
6.根据权利要求1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，步骤(1)中，采用机械剥离的方法，剥离获取氧化镓晶片。
7.根据权利要求1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片，是指：使用迪康清洗剂以40-100W功率超声清洗3-10min、去离子水40-100W功率超声清洗3-10min、丙酮40-100W功率超声清洗3-10min、乙醇40-100W功率超声清洗3-10min，氮气吹干之后备用。
8.根据权利要求1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，清洗步骤(1)获得的氧化镓晶片，是指：使用迪康清洗剂以40W功率超声清洗5min、去离子水40W功率超声清洗10min、丙酮40W功率超声清洗5min、乙醇40W功率超声清洗5min，氮气吹干之后备用。
9.根据权利要求1所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，生长电极，是指：采用磁控溅射的方法，在与氧化镓晶片接触的接触面沉积过程中的气体氛围是氩氧混合气体，在非接触面沉积的气体氛围是纯氩气体，获得的电极为钯/钯氧化物的双层结构即Pd/PdOX双层结构，Pd/PdOX双层结构由下自上依次包括PdOX、Pd，X的取值范围为0-1；
在氧化镓晶片上沉积PdOX时，磁控溅射中的工艺参数如下：
靶材为Pd金属靶；
溅射功率为30-100W；
工作气压为3.45-4.00mTorr；
气体流速为13-20SCCM；
衬底温度为室温；
生长氛围为2.5％-35％O2含量的氩氧混合气；
溅射时间为60-900s；
在PdOX上沉积Pd时，磁控溅射中的工艺参数如下：
靶材为Pd金属靶；
溅射功率为30-100W；
工作气压为3.55-4.10mTorr；
气体流速为13-20SCCM；
衬底温度为室温；
生长氛围为纯氩气环境；
溅射时间为300-900s。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种利用β相氧化镓晶体制备负光电导日盲探测器的方法，其特征在于，在氧化镓晶片上沉积PdOX时，磁控溅射中的工艺参数如下：
溅射功率为40W；
工作气压为3.46mTorr；
气体流速为20SCCM；
生长氛围为25％O2含量的氩氧混合气；
溅射时间为630s；
在PdOX上沉积Pd时，磁控溅射中的工艺参数如下：
溅射功率为40W；
工作气压为3.67mTorr；
气体流速为20SCCM；
生长氛围为纯氩气；
溅射时间为600s。
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