一种多层膜结构氧化镓光电探测器的制备方法
本发明涉及一种利用钽-氧化镓多层膜结构制备日盲紫外探测器的方法，属于半导体光电。
背景技术：
1、日盲紫外光（solar blind ultraviolet，sbuv）探测技术应用广泛，颇受研究人员的重视。sbuv（200~280 nm）波段的太阳光在穿过大气层的过程中几乎被全部吸收，因此探测该波段的紫外光具有低背景噪声干扰的优势，广泛被应用于火焰探测、导弹跟踪、空间通信和臭氧空洞监测。
2、当前用于日盲紫外探测器的材料主要有 algan、znmgo、金刚石等。但存在众多问题，如在氮化镓中掺杂铝元素会使algan 的外延薄膜难以生长，并且随着al含量的增加，薄膜质量难以保证。在znmgo中，zno和 mgo之间溶解度不高，会发生相分离，因此难以制备出mg含量较高的纤锌矿znmgo，这些原因导致这些材料在探测日盲紫外光领域并不适合。
3、超宽禁带半导体ga2o3的带隙在4.9 ev左右，不需要进行掺杂调控禁带宽度就可以直接探测日盲紫外光，是天然的日盲紫外探测材料。相较于上述材料，宽禁带半导体日盲紫外探测器具有体积小、工作电压低、耐高温、抗辐照能力强等优点，具有更大的商用价值。
4、磁控溅射法制备ga2o3具有速率快、成本低、薄膜质量均匀等优点，但氧化镓存在光电流较低即载流子浓度较低的问题。提高载流子浓度最有效的一种方法为掺杂。其中掺入ta元素可以有效提高氧化镓载流子浓度，为更好的控制掺杂效果，本发明提出一种ta层与氧化镓层交替的多层膜结构。
技术实现思路
1、根据此背景，本发明提供一种多层膜结构氧化镓光电探测器及其制备方法
2、术语解释
3、叉指电极，是指外形像指状或梳状的面内有周期性图案的电极，这种电极有利于收集载流子，提高器件电流。
4、本发明的技术方案如下：
5、一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，包括步骤如下：
6、(1)对氧化铝衬底进行单面或双面抛光并进行清洗，获得洁净表面，用于沉积氧化镓-钽金属薄膜；
7、(2)使用磁控溅射法，先在氧化铝衬底上溅射氧化镓薄膜，之后再在溅射氧化镓薄膜基础上溅射钽金属薄膜，之后再次溅射氧化镓薄膜，如此重复2-5次，制备得到多层膜结构的氧化镓-钽金属薄膜，所述中氧化镓-钽金属薄膜中最上层和最下层都是氧化镓薄膜；
8、 (3)清洗步骤(2)获得的氧化镓-钽金属薄膜，然后利用光刻工艺光刻定义叉指电极图案，为后续沉积ti-au金属电极做准备；
9、（4）在光刻定义叉指电极图案的氧化镓-钽金属薄膜上采用磁控溅射沉积ti-au金属电极，制备叉指电极得到氧化镓日盲紫外探测器；
10、所述光刻定义叉指电极图案是指利用光刻工艺，在制备的氧化镓-钽金属薄膜上制备设计好的叉指电极图案。
11、进一步地，所述氧化铝衬底为（0001）取向的蓝宝石衬底；所述氧化镓薄膜每层的厚度为50-125 nm，钽金属层的厚度为0.1-5nm以使薄膜质量最佳；
12、所述氧化镓的载流子浓度为1×1015cm-3～1×1019cm-3。
13、进一步地，沉积氧化镓薄膜时，磁控溅射中的工艺参数如下：氧化镓薄膜的制备环境中气氛为氩氧混合气体，通入氧气流量为1-4sccm，氩气流量为18-20sccm；靶材为纯度99.99%ga2o3陶瓷靶材、纯度99.99%ta金属靶；ga2o3溅射功率为80-160w、ta溅射功率为100-150w；衬底温度为25℃；ga2o3溅射时间为1000-3500s，ta溅射时间为3-150s；
14、进一步地，所述叉指电极对数为5-20对，指宽指距为5-20μm；
15、进一步地，所述氧化镓日盲紫外探测器的形状为外形像指状或梳状，尺寸为长2-5mm×宽1-3mm×高0.1-0.6mm。
16、进一步地，氧化镓多层膜结构为ga2o3-ta- ga2o3-ta- ga2o3-ta- ga2o3。
17、进一步地，清洗步骤(2)获得的氧化镓薄膜，是指：使用丙酮以40-60w功率超声清洗 10-30min、无水乙醇40-60w功率超声清洗10-30min、去离子水40-60w功率超声清洗10-30min、离心机3000r/min旋转30s、100℃恒温干燥箱干燥10-15min。
18、进一步地，步骤（3）所述氧化镓-钽薄膜采用旋涂光刻胶后，要在100℃恒温干燥箱中坚膜20-30min，光刻时用汞灯曝光时长20-30s，在显影液中超声显影10-30s，在去离子水中超声清洗1-2min，在100℃恒温干燥箱中干燥10-20min。
19、进一步地，步骤（4）在氧化镓-钽薄膜上沉积ti/au时，磁控溅射中的工艺参数如下：气氛为氩气，通入氩气流量为18-20sccm；靶材为ti金属靶、au金属靶； 溅射功率为100-150w；衬底温度为室温。溅射时间为200-1000s。
20、进一步地，钽金属层可以由其他金属层代替，包括但不限于si、sn、ge、nb、w等元素。
21、本发明的创新点在于：
22、1、本发明采用多层膜结构可以有效提高钽金属层向氧化镓层的扩散效果，且钽元素价电子数目比镓元素多，掺入后可以有效提高载流子浓度，进而提高器件光电性能。
23、2、钽离子半径（0.64å）与镓离子半径（0.62å）极为接近，有利于钽元素取代镓元素，从而提高载流子浓度。
24、3、2-5层的交替结构既能保证掺杂剂的扩散效果，也能控制整体厚度为200-500nm，该薄膜厚度的器件性能更佳。
25、本发明提供的一种多层膜结构氧化镓光电探测器的制备方法，其优势在于，可以有效提高氧化镓探测器性能，载流子数目增加，可以提高器件光电流1-1000倍，提高器件响应度。
26、以上所述的
技术实现要素：
，对本发明的目的、技术方案和进行了进一步详细说明，应说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明原则之内，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。
技术特征：
1.一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，所述氧化铝衬底为（0001）取向的蓝宝石衬底；所述氧化镓薄膜每层的厚度为50-125nm，钽金属层的厚度为0.1-5nm以使薄膜质量最佳；
3.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，沉积氧化镓薄膜时，磁控溅射中的工艺参数如下：氧化镓薄膜的制备环境中气氛为氩氧混合气体，通入氧气流量为1-4sccm，氩气流量为18-20sccm；靶材为纯度99.99%ga2o3陶瓷靶材、纯度99.99%ta金属靶；ga2o3溅射功率为80-160w、ta溅射功率为100-150w；衬底温度为25℃；ga2o3溅射时间为1000-3500s，ta溅射时间为3-150s。
4.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，所述叉指电极对数为5-20对，指宽指距为5-20μm。
5.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，所述氧化镓日盲紫外探测器的形状为外形像指状或梳状，尺寸为长2-5mm×宽1-3mm×高0.1-0.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，氧化镓多层膜结构为ga2o3-ta-ga2o3-ta- ga2o3-ta-ga2o3。
7.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，清洗步骤(2)获得的氧化镓薄膜，是指：使用丙酮以40-60w功率超声清洗 10-30min、无水乙醇40-60w功率超声清洗10-30min、去离子水40-60w功率超声清洗10-30min、离心机3000r/min旋转30s、100℃恒温干燥箱干燥10-15min。
8.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，步骤（3）所述氧化镓-钽薄膜采用旋涂光刻胶后，要在100℃恒温干燥箱中坚膜20-30min，光刻时用汞灯曝光时长20-30s，在显影液中超声显影10-30s，在去离子水中超声清洗1-2min，在100℃恒温干燥箱中干燥10-20min。
9.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，步骤（4）在氧化镓-钽薄膜上沉积ti/au时，磁控溅射中的工艺参数如下：气氛为氩气，通入氩气流量为18-20sccm；靶材为ti金属靶、au金属靶； 溅射功率为100-150w；衬底温度为室温，溅射时间为200-1000s。
10.根据权利要求1所述的一种利用非晶相氧化镓制备日盲紫外探测器的方法，其特征在于，钽金属层可以由其他金属层代替，包括但不限于si、sn、ge、nb、w元素。
技术总结
本发明公开了一种多层膜结构的氧化镓日盲紫外探测器的制备方法，属于半导体光电技术领域。探测器包括：衬底；氧化镓层；钽金属层；叉指电极。制备步骤如下：(1)对氧化铝衬底进行单面或双面抛光并进行清洗，用于沉积氧化镓‑钽薄膜。(2)在氧化铝衬底上制备氧化镓薄膜，再在其薄膜上外延生长钽金属层，依次类推，使用磁控溅射法制备氧化镓‑金属钽交替结构的多层膜。（3）在顶层氧化镓表面，采用光刻法定义叉指电极图形。(4)在定义光刻图案的样品表面沉积Ti/Au电极。制备得到金属‑半导体‑金属(MSM)型多层膜结构氧化镓日盲紫外探测器。本发明提供的多层膜结构氧化镓光电探测器可以实现大的光暗电流比和高的响应度。
技术研发人员：侯文君,滕蛟,阮勇,颜聪颖,侯福磊
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5