基于梯度氧空位Ga2O3双异质结的光电探测器及制备方法

本发明属于电子，更进一步涉及半导体电子器件中的一种基于梯度氧空位ga2o3双异质结的光电探测器及制备方法。本发明可用于日盲紫外光电探测，实现低暗电流、高响应度、快速响应的探测特性。 背景技术： 随着光电探测技术的发展，紫外通信、火焰预警、空间探测、环境监测和高压放电检测等应用场景对探测器的灵敏度、响应速度和抗干扰能力提出了更高要求。为了在太阳背景下实现对微弱深紫外信号的有效识别，通常采用工作于日盲紫外波段的光电探测器。目前，β-ga2o3因其超宽禁带、日盲紫外吸收能力强以及化学稳定性和热稳定性较好，被广泛用于日盲紫外光电探测器。但是，现有β-ga2o3基光电探测器仍存在响应度、响应速度和光暗电流比难以同时提升的问题；普通异质结或双异质结结构主要依靠双二维材料之间的能带差异分离光生载流子，提高响应速度，但对β-ga2o3与二维材料接触界面处的载流子转移过程缺乏针对性调控，且光增益手段有限，导致其响应度较低。而单纯调节β-ga2o3中的氧空位浓度又容易造成光电导增益、暗电流和持续光电导效应之间的矛盾，造成响应度提高但暗电流高、响应时间长，进一步限制了器件综合性能的提升。lili luo等人在其发表的论文“ultra-fast gallium oxide solar-blindphotodetector with novel thermal pulse treatment”（advanced materials，2025，37）中提出了一种采用热脉冲处理的氧化镓日盲紫外光电探测器。该器件通过热脉冲处理方法在ga2o3薄膜中形成纵向分层的晶体结构和氧空位分布，使ga2o3薄膜表面侧具有较高氧空位浓度，内部区域具有相对较低氧空位浓度。该结构利用表面侧氧空位相关缺陷态在光照下对光生电子的俘获与释放作用，提高光电流和响应度，同时通过内部相对低氧空位区域减弱整体高缺陷浓度引起的持续光电导效应，从而缓解氧化镓日盲紫外光电探测器中响应度和响应速度难以兼顾的问题。但是，该论文中器件仍然存在的不足是，其主要针对单一ga2o3薄膜光电探测器进行氧空位纵向分布调控，无法实现光生电子和空穴的空间分离，容易造成光生载流子的复合，且采用常规金属-半导体-金属结构，其暗电流等级较高，上升下降时间仍为毫秒量级，对于氧空位增益与持续光电导效应难以兼顾这一限制仍存在优化空间，限制了器件高响应度和快速响应能力的进一步提升。西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于双异质结的光电探测器及其制备方法”（申请号cn202210816620.7，申请日2022.07.12，公布号cn115148844a，公布日2022.10.04；授权公告号cn115148844b，授权公告日2024.02.06）中提出了一种基于wse2/mos2和mos2/β-ga2o3双异质结的光电探测器。该器件在β-ga2o3层上设置mos2层，并在mos2层的上部设置wse2层，以在β-ga2o3层与mos2层之间形成异质结，在mos2层与wse2层之间形成二维异质结，从而实现对光生载流子的分离，降低暗电流并提高器件响应速度。但是，该专利技术存在的不足是：该器件主要依赖β-ga2o3/mos2异质结和mos2/wse2二维异质结的能带差异进行载流子分离，该器件的阳极和阴极设置于wse2层和mos2层的两端，主要用于引出整体光电流，导致了电流的复合，因此该器件在载流子分层收集方面仍存在进一步优化空间，其光增益手段不足也限制了器件响应度、光暗电流比的同步提升。

背景技术

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于梯度氧空位ga2o3双异质结的光电探测器及制备方法，旨在解决现有β-ga2o3基日盲紫外光电探测器中氧空位增益与持续光电导效应难以兼顾、光生电子和空穴分离收集不充分以及响应度、光暗电流比和响应速度难以同时提升的问题。

2、实现本发明目的的思路是，本发明在衬底上依次设置β-ga2o3层、富氧空位β-ga2o3层、mos2层和wse2层，并分别在mos2层裸露区域和wse2层上设置第一电极和第二电极。其中，β-ga2o3层作为日盲紫外光吸收层，用于吸收日盲紫外光并产生光生载流子；富氧空位β-ga2o3层设置于β-ga2o3层靠近mos2层的一侧，为β-ga2o3表面侧经处理形成的氧空位富集区域，并使氧空位浓度沿远离mos2层的方向逐渐降低。该富氧空位β-ga2o3层位于β-ga2o3/mos2接触界面附近，其氧空位相关缺陷态能够在光照下俘获并释放光生电子，增强β-ga2o3表面侧的光电导增益和有效电子浓度，使β-ga2o3/mos2界面附近能够提供更多参与输运的光生载流子；同时，由于氧空位主要限制在β-ga2o3层靠近mos2层的一侧，而非均匀分布于整个β-ga2o3层中，可减少主体区域高缺陷浓度导致的暗电流升高和持续光电导效应，由此解决氧空位增益与响应速度难以兼顾的问题。本发明在上述界面侧载流子供给增强的基础上，mos2层设置于富氧空位β-ga2o3层上，并与β-ga2o3层形成β-ga2o3/mos2异质结，使β-ga2o3吸收层产生的光生载流子能够进入mos2二维输运层参与横向输运；wse2层设置于mos2层上并覆盖mos2层的部分区域，与mos2层形成mos2/wse2二维异质结，利用两种二维材料之间的能带差异促进光生电子和光生空穴的空间分离，由此降低电子和空穴的复合概率。第一电极与mos2层电连接，第二电极与wse2层电连接，使分离后的载流子分别沿mos2层和wse2层输运并被对应电极收集，由此减少载流子在传输和收集过程中的复合与损失。本发明通过梯度氧空位表面增益、β-ga2o3/mos2界面载流子供给、mos2/wse2二维异质结载流子分离和分层电极收集的结合，使器件能够在提高光生载流子产生、输运和收集效率的同时，抑制整体高氧空位浓度造成的不利影响，由此改善现有β-ga2o3基日盲紫外光电探测器响应度、光暗电流比和响应速度难以同时提升的问题。

3、本发明的日盲紫外光电探测器包括衬底、β-ga2o3层、富氧空位β-ga2o3层、mos2层、wse2层、第一电极和第二电极；所述β-ga2o3层设置于衬底上，作为日盲紫外光吸收层；所述富氧空位β-ga2o3层设置于β-ga2o3层靠近mos2层的一侧，用于在β-ga2o3层表面侧形成氧空位梯度调控区域，增强光电导增益和界面载流子供给；所述mos2层设置于富氧空位β-ga2o3层上，所述wse2层设置于mos2层上并仅覆盖mos2层的一侧，β-ga2o3层与mos2层形成β-ga2o3/mos2异质结，mos2层与wse2层形成mos2/wse2二维异质结，该双异质结用于界面载流子输运和光生载流子空间分布调控；所述第一电极设置于mos2层未被wse2层覆盖的一侧并与mos2层电连接，所述第二电极设置于wse2层上，并与wse2层电连接，用于分别从mos2层和wse2层收集光生载流子。

4、进一步地，所述衬底为蓝宝石衬底、sio2/si衬底、石英衬底或绝缘硅衬底中的任意一种。

5、进一步地，所述β- ga2o3层的厚度为30nm～300nm，所述mos2层的厚度为0.7nm～10nm，所述wse2层的厚度为1nm～50nm。

6、进一步地，所述富氧空位β-ga2o3层中的氧空位相关缺陷态密度为1×1020cm-3～1×1021cm-3，所述β-ga2o3层主体区域中的氧空位相关缺陷态密度为1×1018cm-3～5×1020cm-3。

7、进一步地，所述富氧空位β- ga2o3层的厚度为3nm～30nm。

8、进一步地，所述mos2层与wse2层形成mos2/wse2二维异质结，所述mos2层作为光生电子输运通道，所述wse2层作为光生空穴输运通道；所述第一电极与mos2层电连接，所述第二电极与wse2层电连接，用于在外加偏压作用下分别收集经mos2/wse2二维异质结分离后的光生载流子。

9、所述第一电极和第二电极采用相同的金属材料或相同的金属叠层结构，所述金属材料为au、ti、ni、pt、cr、al中的一种，所述金属叠层结构为au、ti、ni、pt、cr、al中两种或两种以上金属形成的叠层结构。

10、本发明的光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

11、s1，对衬底进行清洗和干燥处理；

12、s2，在衬底上生长β- ga2o3薄膜，形成厚度为30nm～300nm的β- ga2o3层；

13、s3，对β- ga2o3层远离衬底的一侧进行热脉冲处理，使β- ga2o3层预定与mos2层接触的一侧表面区域形成富氧空位β- ga2o3层；所述富氧空位β- ga2o3层的厚度为3nm～30nm，使氧空位主要分布于自β- ga2o3层表面向β- ga2o3层内部延伸的表面区域；

14、s4，将厚度为0.7nm～10nm的mos2层转移至富氧空位β- ga2o3层上；

15、s5，将厚度为1nm～50nm的wse2层转移至mos2层上，使wse2层仅覆盖mos2层的一侧，mos2层的另一侧不被wse2层覆盖；

16、s6，在mos2层未被wse2层覆盖的一侧制备第一电极，使第一电极与mos2层电连接；在wse2层上制备第二电极，使第二电极与wse2层电连接；所述第一电极和第二电极采用相同的金属材料或相同的金属叠层结构，并分别位于器件的横向两侧。

17、进一步地，步骤s3中所述热脉冲处理包括向β-ga2o3层表面侧通入氢氧混合气体，并通过点火方式产生短时热脉冲，在β-ga2o3层表面侧形成氧空位富集区域；其中，所述氢氧混合气体中氢气与氧气的体积比为1.5:1～3:1，优选为2:1；所述短时热脉冲的脉冲次数为1～30次，优选为3～18次；单次热脉冲作用时间为0.01s～5s；相邻两次热脉冲之间的间隔时间为0.1s～60s。

18、进一步地，所述β- ga2o3层采用磁控溅射法制备，所述mos2层和wse2层采用pdms辅助干法转移方法形成，所述第一电极和第二电极采用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射方法形成。

19、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

20、第一，由于本发明在β- ga2o3层靠近mos2层的一侧设置富氧空位β- ga2o3层，使氧空位主要富集于β- ga2o3/mos2接触界面附近。克服了现有技术中主体区域整体高缺陷浓度导致的暗电流升高和持续光电导效应，使得本发明的日盲紫外光电探测器具有较高的光增益的同时，暗电流减小，且光电导效应减弱。有利于兼顾高响应度和较快响应速度。

21、第二，由于本发明采用β- ga2o3/mos2异质结与mos2/wse2二维异质结共同构成双异质结结构，进一步使用分层电极对经mos2/wse2二维异质结分离后的不同类型载流子进行分层收集，克服了现有技术中载流子复合概率高，光电流输出效率低的缺陷，使得本发明的日盲紫外光电探测器减少载流子在传输和收集过程中的复合与损失，更加高效地收集载流子，在暗态下给载流子设置了多重势垒和耗尽区。有利于进一步提高器件的响应速度并降低暗电流。

22、第三，本发明的日盲紫外光电探测器将双异质结结构、分层电极设置与氧空位调控相结合，克服了现有光电探测器中暗电流较高、光生载流子分离效率不足以及响应度、响应速度、探测率难以同步提升的不足，使得本发明的日盲紫外光电探测器能够在抑制暗态载流子输运的同时增强光照条件下的载流子分离与收集能力，具有低暗电流、高响应度和快速响应的特性，有利于该器件用于高灵敏、低噪声的紫外光电探测领域。

23、第四，本发明的仿真实验中。日盲紫外光电探测器在第一电极电压为 +5 v 的仿真条件下的响应度为 268.04 a/w，外量子效率为 1.31×105%，比探测率为 5.54×1013jones，光暗电流比为 7.33×104。上述结果用于说明本发明结构在该仿真条件下具有较高的光响应能力、较低的暗态漏电流和较优的综合探测性能，不作为对实际制备器件性能的限定。