基于氧化镁衬底的氧化镓薄膜光电探测器及其制造方法与流程

本发明属于光电探测器技术领域，特别涉及一种利用磁控溅射沉积方法在氧化镁(mgo)衬底上外延生长(00l)取向氧化镓(β-ga2o3)薄膜的方法，以及应用β-ga2o3薄膜的光电探测器。

背景技术

由于臭氧层对紫外辐射区的强烈吸收作用，日盲紫外探测器不受太阳光背景影响，可以全天候工作，具有灵敏度高、虚警率低等特点，工作在此波段的通信准确率也极高，在生物测试、臭氧空洞监测、航天航空等方面有广泛的应用。日盲紫外通信技术的核心是高灵敏度、低噪声的紫外探测器件的研制。目前常用的基于光电倍增管的真空紫外探测器件体积大响应慢，而基于宽禁带半导体材料的紫外探测器件则具有体积小、重量轻、增益高、响应快、噪声低、耐冲击、抗振动以及不受磁场影响等优点，特别适用于装备集成。因此，基于尺寸、功耗、成本和安全等因素的考虑，采用半导体探测器替代光电倍增管是一种比较理想的选择。近年来，得益于宽禁带半导体物理基础研究和材料制备工艺的进展和突破，为新型固态紫外探测器件开发带来了新的希望。

要实现日盲紫外探测，器件核心半导体材料的禁带宽度要大于4.4ev(对应探测波长280nm)，近几年研究主要集中在algan、mgzno、ga2o3等宽带禁带半导体材料上。理论上，三元合金algan禁带宽度会随着al组分的变化在3.4～6.2ev之间可调，要获得日盲区探测，algan的al组分需高于38％，但高al含量的algan薄膜需要极高温生长且易发生相分离。mgzno在单晶纤维锌矿的结构下很难保持超过4.5ev的带隙，影响了它们在日盲探测领域的应用。而ga2o3的禁带宽度约为4.9ev，正好对应于日盲区，室温下激子束缚能高达40～50mev，远高于室温热离化能(26mev)，并具有优异的热稳定性和化学稳定性，是制备光电探测器，特别是日盲紫外探测器件的天然理想材料。

目前基于ga2o3材料的日盲紫外探测的研究还处于起步阶段，基于ga2o3单晶的日盲探测器件性能很好，但是单晶生长困难且价格昂贵。相对而言，基于ga2o3薄膜的日盲紫外探测器件的性能进步很快，由于β-ga2o3单晶属于单斜晶系，自然界还缺乏能跟其晶格匹配度较高且制造成本较低的基底材料，虽然以c面蓝宝石(al2o3)为基底能生长β-ga2o3薄膜，但是在al2o3衬底上异质外延生长高质量的β-ga2o3薄膜难度仍然非常大，特别是在al2o3衬底上生长获得的β-ga2o3薄膜均为(-201)取向，基于该取向生长的β-ga2o3基光电探测器性能要弱于沿(00l)取向生长的β-ga2o3基光电探测器。

因此，找到与β-ga2o3晶格匹配度较高，且使β-ga2o3薄膜生长质量较好的衬底，并开发出相对应的工艺方法，仍是业界极待解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于mgo衬底的(00l)取向β-ga2o3薄膜光电探测器制备方法，可应用于日盲紫外探测器。

本发明在mgo衬底上制备了沿(00l)取向外延生长的β-ga2o3薄膜基金属-半导体-金属msm结构日盲紫外探测器。该发明为(00l)取向β-ga2o3薄膜基msm结构光电探测器，特别是日盲紫外探测器的制备提供理论和技术支持。

本发明的氧化镓薄膜光电探测器，包括依次叠置的衬底、氧化镓薄膜和电极，其特征在于：所述氧化镓薄膜为(00l)取向的β-ga2o3薄膜，所述衬底为mgo衬底。

根据本发明的优选实施方式，所述mgo衬底是(100)取向的。

根据本发明的优选实施方式，所述电极包括ti层和/或金层。

根据本发明的优选实施方式，所述氧化镓薄膜的厚度为100nm至200nm。

本发明还提出一种氧化镓薄膜的制造方法，包括：在衬底上，采用磁控溅射法生长氧化镓薄膜；所述氧化镓薄膜为(00l)取向的β-ga2o3薄膜，所述衬底为mgal2o4衬底。

根据本发明的优选实施方式，所述磁控溅射法的生长参数包括：工作气氛为ar气。

根据本发明的优选实施方式，所述磁控溅射法的生长参数还包括：溅射功率为60w～100w。

根据本发明的优选实施方式，所述磁控溅射法的生长参数还包括：工作气压为0.01pa～10pa。

根据本发明的优选实施方式，所述磁控溅射法的生长参数还包括：薄膜生长温度为600℃～850℃。

此外，本发明还提出一种氧化镓薄膜光电探测器的制造方法，所述氧化镓薄膜光电探测器包括氧化镓薄膜，所述氧化镓薄膜是通过前述的氧化镓薄膜的制造方法所制造的。

本发明的有益效果是：

1.本发明制备过程简单，所用衬底为商业产品，能够获得(00l)取向的β-ga2o3薄膜；采用商业化的制备方法磁控溅射生长薄膜，工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、可大面积制备、重复性好。

2.本发明所得的msm结构的(00l)取向的β-ga2o3薄膜光电探测器响应度高，暗电流小，紫外可见抑制比高，制造工艺简单，所用材料容易获得，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1是通过本发明一个实施例的方法制备的mgo基底上β-ga2o3薄膜的日盲紫外探测器结构示意图；

图2是用本发明一个实施例的方法制得的mgo基底上β-ga2o3薄膜的xrd图；

图3是用本发明一个实施例的方法制得的β-ga2o3薄膜的紫外可见光谱；

图4是用本发明一个实施例的方法制得的β-ga2o3薄膜的扫描电子显微镜图；

图5是用本发明一个实施例的方法制得的β-ga2o3薄膜日盲紫外探测器在无光照，365nm及254nm光照下的i-v曲线；

图6是本发明一个实施例的方法制得的β-ga2o3薄膜日盲紫外探测器在5v偏压的254nm光照下的i-t曲线。

具体实施方式

总的来说，本发明提出一种在氧化镁(mgo)衬底上外延生长(00l)取向β-ga2o3薄膜并制作光电探测器的方法。该方法应用磁控溅射技术，生长的条件容易控制，重复性好，稳定性高，适宜进行大规模生产。本发明的光电探测器适合地日盲紫外探测器。

本发明以(100)取向的mgo为衬底，利用磁控溅射方法生长(00l)取向的β-ga2o3薄膜作为光敏层。

本发明在光敏层上再通过磁控溅射的方法溅射金属电极(例如au层和/或ti层叉指电极)，从而获得msm结构的日盲探测器件。通过本发明方法制备得到的日盲紫外探测器，结构为msm型三明治结构，从下到上分别是mgo衬底、(00l)取向β-ga2o3薄膜、金属电极。

本发明还提出一种光电探测器，包括衬底和形成在衬底上的光电薄膜和电极层，所述光电薄膜为上述薄膜制备方法制作的薄膜

以下结合附图并通过具体实施例进一步说明本发明，该实施例是一种制备日盲紫外探测器的方法，该方法包括如下步骤：

(1)取一片10mm×10mm×0.5mm大小的(100)取向的mgo衬底，将衬底依次浸泡在15毫升的丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声15分钟，取出后再用流动的去离子水冲洗，最后用干燥的n2气吹干，等待下一步使用。

(2)将上述清洗干净的mgo衬底放入沉积室，采用磁控溅射在其上生长β-ga2o3薄膜，以99.99％纯度的ga2o3陶瓷为靶材，磁控溅射技术的具体生长参数如下：背底真空压强小于1×10^-4pa，工作气氛为ar气，工作气压为1pa，衬底温度为750℃，溅射功率为80w，溅射时间为100min，得到的β-ga2o3薄膜的厚度约150nm。

(3)上述制备的β-ga2o3薄膜用镂空的叉指电极掩膜板遮挡，采用磁控溅射方法在薄膜表面先后溅射金属ti层(约10nm)和au层(约20nm)获得au/ti叉指电极，叉指金属电极的指宽为200μm，指长为2800μm，各叉指的间距为200μm，光敏面积为2800μm×1200μm。溅射工艺条件如下：背底真空为1×10^-4pa，衬底温度为室温，工作气氛为ar气，工作气压为3pa，溅射功率为40w，ti层的溅射时间为10s，au层的溅射时间为20s。

通过上述步骤制备获得(00l)取向β-ga2o3薄膜日盲紫外探测器如图1所示，包括(100)取向的mgo衬底1、(00l)取向β-ga2o3薄膜2和叉指电极3。在叉指电极3两侧外加5v偏压，电流则从正电极流入，通过光敏层β-ga2o3薄膜，从负电极流出，构成金属-半导体-金属(msm)型日盲紫外探测器。

图2给出了β-ga2o3薄膜的xrd，除去mgo衬底的(200)衍射峰外，有且仅有β-ga2o3(400)衍射峰，说明所有的样品都是沿着(00l)晶面外延生长的β相ga2o3薄膜。

图3给出了β-ga2o3薄膜的紫外可见光吸收谱，从图中可以看出，薄膜的吸收边都在260nm左右，具有明显的日盲紫外光敏感特性。

图4给出了β-ga2o3薄膜的扫描电子显微镜图，可以看出薄膜表面都呈现出颗粒状，颗粒与颗粒存在清晰的界面。

图5给出了日盲紫外探测器在黑暗，254nm及365nm(光强为0.6mw/cm²)光照下的i-v曲线。在黑暗和365nm的光照下，β-ga2o3薄膜日盲紫外探测器的电流都非常小。而在光强为0.6mw/cm²的254nm光照下，随着正向偏压的增加，光电流有着明显的增加。在5v时，探测器的电流从黑暗情况下的0.65na增加至954.4na，光暗比i254/idark为1468，而表明薄膜材料对254nm的紫外光具有强烈的响应，而对365nm的光不敏感，几乎没响应。

图6给出了在5v偏压及0.9mw/cm²光强下的254nm光照下通过不断灯开灯关测得的i-t曲线。本实施例中重复了6个i-t循环，该器件表现出很好的重复性。通过进一步的拟合，可得知该探测器在的上升响应时间τr及衰减时间τd分别为0.957s和0.096s。

对于上述实施例公开的具体实施方式，本领域的技术人员可在一定的范围内变化，具体如下：根据本发明的优选实施方式，所述靶材为99.99％纯度的ga2o3陶瓷靶材。所述磁控溅射沉积过程工作气氛为ar气，薄膜生长工作气压为0.01pa～10pa，优选1pa。所述衬底温度为600℃～850℃，优选为750℃。溅射功率为60w～100w，优选为80w，溅射时间优选为100分钟。得到的β-ga2o3薄膜的厚度优选为100nm至200nm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。