一种基于硫化亚锡/氧化镓异质PN结紫外探测器及制备方法与流程

一种基于硫化亚锡/氧化镓异质pn结紫外探测器及制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于异质pn结紫外探测器的制备方法，属于半导体光电器件技术领域。


背景技术：

2.氧化镓（ga2o3）是一种直接带隙超宽禁带半导体，禁带宽度高达4.5-4.9 ev，化学和热稳定性优良、紫外可见光透过率高，是研制深紫外探测器的理想材料。ga2o3对应的光吸收波长在250 nm左右，属于日盲光波段（200-280 nm），不受太阳光背景噪声影响，是天然的制备日盲紫外探测器的材料。使用ga2o3制备的光电探测器在导弹追踪、深空探测成像、火险预警等领域有重要的应用前景。而且ga2o3器件的击穿场强高、能耗低、噪声小、耐高温等特性使其在高温、高频、抗辐射、大功率器件领域也有广泛的应用。
3.但是在作为日盲紫外探测器应用方面，由于目前基于ga2o3材料的紫外探测器综合性能还比较低，特别存在暗电流大、光响应时间长等技术问题。另外，本征β-ga2o3通常表现出n型导电，并由于氧空位等缺陷的自补偿效应，ga2o3材料难以实现高效的p型掺杂，限制了其同质pn结在半导体光电器件领域的发展，需要寻找其他p型材料与之形成异质pn结。因此，这几方面的原因，限制了ga2o3材料在日盲紫外探测器的应用。


技术实现要素：

4.为了解决紫外探测器暗电流大、光响应时间长等问题，本发明拟提供一种异质pn结紫外探测器，具有光暗比大、暗电流低、光响应速度快的性能，且制备方法简单成本低廉。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案。
6.本发明采用n2o掺杂技术，明显补偿ga2o3薄膜中的氧空位，而且首次将脉冲激光沉积（pld）法在c-al2o3衬底上制备的高质量硫化亚锡（sns）/氧化镓（ga2o3）异质pn结，将其应用在日盲紫外探测器中，该制备方法简单、成本低廉，且制得的且硫化亚锡（sns）/氧化镓（ga2o3）异质pn结光暗比大、暗电流低、光响应速度快。
7.具体的，本发明提供了一种基于硫化亚锡/氧化镓异质pn结紫外探测器，所述基于硫化亚锡/氧化镓异质pn结紫外探测器，包括c-al2o3层、ga2o3:n薄膜层、sns薄膜层和au/ti电极对，其中c-al2o3层作为衬底，ga2o3:n薄膜层设置于衬底c-al2o3层上，sns薄膜层设置于ga2o3:n薄膜层上且覆盖ga2o3:n薄膜层的部分区域形成异质pn结区，au/ti电极对包括两个au/ti电极，一个设置于pn结区即sns薄膜层上，另一个设置于ga2o3:n薄膜层上。
8.硫化亚锡（sns）作为一种新颖的p型材料，禁带宽度在1.3-1.5 ev左右,光吸收系数高达104cm-1
,可以有效吸收紫外光。本发明引入sns与ga2o3构建异质pn结，可以利用两种材料界面处因载流子扩散产生的内建电场，加速分离光生电子-空穴对，有效提高紫外探测器的响应度、响应速度、灵敏度等器件性能。另外，本发明在ga2o3薄膜中掺入n元素形成ga2o3:n薄膜层，n
3-离子半径与o
2-离子半径相近，n掺产生晶格畸变少、缺陷较少，而且n掺可以有效补偿本征ga2o3薄膜的氧空位，减少本征薄膜的载流子浓度，提高ga2o3薄膜的结晶质
量，从而大幅降低器件的暗电流。
9.本发明还提供了上述基于硫化亚锡/氧化镓异质pn结紫外探测器的制备方法。具体制备步骤如下：1）清洗c-al2o3衬底，获得表面洁净且无氧化物吸附的c-al2o3层：将c-al2o3衬底分别使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，清洗结束后用n2吹干表面水分，并放入等离子体清洗器中用等离子体清洗，以去除衬底表面的杂质与吸附的有机物，获得洁净的表面；将清洗后的c-al2o3衬底放入真空腔室内，加热并保温，获得无杂质且无氧吸附的c-al2o3层。
10.2）采用pld方法在c-al2o3衬底表面沉积ga2o3:n薄膜层：将ga2o3靶材固定在腔体内的靶台上，将清洗好的c-al2o3衬底固定在样品台上，用挡板将靶材和衬底隔开，调整靶材到衬底的距离为6.0 cm；依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，约2h后达到所需的10-5
pa真空度；然后将c-al2o3衬底加热至650℃，维持温度的稳定；往真空腔内通入n2o，调节压强，使腔内压强保持在0.1pa；打开激光器，预热10min后调整激光能量为200 mj/cm2，激光频率为3hz；使激光束聚焦在ga2o3靶面并烧蚀靶材，形成羽辉；先进行预沉积5 min，去除靶材表面ga、o比例不均匀层，然后打开靶材与衬底之间的挡板，在c-al2o3衬底表面沉积ga2o3:n薄膜，获得ga2o3:n薄膜层；将获得的ga2o3:n薄膜层在n2氛围下进行800℃退火处理30 min，消除薄膜中的部分应力，提升ga2o3:n薄膜层质量。
11.3）采用pld方法在ga2o3:n薄膜层的部分区域沉积sns薄膜层，形成异质pn结区：将sns靶材固定在腔体内的靶台上，在步骤2）制备好的ga2o3:n薄膜层上贴上掩模板，将其固定在样品台上，用挡板将靶材和ga2o3:n薄膜层隔开，调整好靶材到ga2o3:n薄膜层的距离为6.0 cm；依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，约2h后腔体内达到所需的10-5 pa真空度；然后将ga2o3:n薄膜层加热至200℃，维持温度的稳定；打开激光器，调整激光能量为200 mj/cm2，激光频率为1hz；激光束聚焦在sns靶面并烧蚀靶材，形成羽辉；先进行预沉积5 min，去除靶材表面sns氧化层，然后打开靶材与ga2o3:n薄膜层之间的挡板，在ga2o3:n薄膜层未贴上掩膜版的区域沉积sns薄膜，获得sns/ga2o3异质pn结。
12.其中步骤2）及3）中，ga2o3:n薄膜和sns薄膜的pld沉积时间分别可在30min-90min、300s-1500s范围调整，可分别获得100-300 nm厚度的ga2o3:n薄膜层及10-50nm厚度的sns薄膜。
13.4）采用电子束蒸发技术在sns/ga2o3异质pn结区以及ga2o3:n薄膜层表面蒸镀厚度为50 nm/20 nm的au/ti电极，完成sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的制备。
14.本发明的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的工作原理是：利用sns/ga2o3异质pn结界面因载流子扩散形成内建电场的特性，有效分离光生电子-空穴对。当电极两端加上一定偏压后，在探测器内部会出现一个微弱的电流响应，此时黑暗环境下电流在pa量级；使用
254nm日盲光照射该器件后，ga2o3:n薄膜层产生大量的光生电子-空穴对，在内建电场作用下被加速分离，导致光电流增大。
15.本发明的有益效果在于：1）本发明ga2o3:n薄膜和sns薄膜均采用pld技术制备，两种异质层的结晶质量好，制备工艺简单、制备过程安全无毒，sns/ga2o3异质结对254 nm波长光有明显的响应，属于日盲紫外范围，不受到太阳光的影响，可全天候使用。
16.2）本发明将pld技术制备的sns/ga2o3异质pn结成功应用在紫外探测器中，且光响应度、光响应时间、灵敏度等性能优异。
17.3）本发明通过简单的n2o掺杂技术在ga2o3薄膜中掺入n元素，n
3-离子半径与o
2-离子半径相近，n掺产生晶格畸变小、缺陷较少，薄膜粗糙度低、平整度高，薄膜质量高；而且n掺杂可以补偿本征ga2o3薄膜的氧空位，减少本征薄膜的载流子浓度，提高ga2o3薄膜的结晶质量，从而大幅降低器件的暗电流。且较少的氧空位可以抑制光生载流子被捕获，促进其分离，从而提升器件的响应速度。
18.而且在254 nm光照下，n在ga2o3薄膜中还作为电子-空穴对释放中心，可以增加电子-空穴对的数量从而明显提升器件的光响应度。
19.4）相比传统的单层ga2o3基紫外探测器，本发明的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器通过两种材料间产生的内建电场，有效分离光生电子空穴对，可以有效提高器件的光响应速度。
20.附图说明
21.图1是本发明的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的正视结构示意图。
22.图2是本发明的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的俯视结构示意图。
23.图3是实施例1制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的iv曲线，使用光照波长为254 nm、功率为182 μw/cm2的紫外光。
24.图4是实施例1制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的光响应时间曲线放大图，在5 v偏压下，使用光照波长为254 nm、功率为182 μw/cm2的紫外光。
25.图5是实施例2制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的iv曲线，使用光照波长为254 nm、功率为182 μw/cm2的紫外光。
26.图6是实施例2制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的光响应时间曲线放大图，在5 v偏压下，使用光照波长为254 nm、功率为182 μw/cm2的紫外光。
具体实施方式
27.以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐述。
28.如图1、图2，分别为本发明的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的正视结构示意图及俯视结构示意图。根据图1及2，本发明的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的结构自下而上依次为c-al2o3层、ga2o3:n薄膜层、sns薄膜层和au/ti电极对。
29.实施例11）将2英寸的c-al2o3片切割成1.0 cm x1.0 cm的小片；分别使用丙酮、乙醇和去离
子水超声清洗10 min，然后用n2吹干残留在c-al2o3衬底表面的水分，然后放入等离子体清洗器中使用等离子体清洗5 min。最后将清洗后的c-al2o3衬底放入真空腔室内使用200 ℃烘烤10 min，完成对衬底的预处理。
30.2）将纯度99.99%的ga2o3靶材固定在腔室内的靶台上，将清洗好的c-al2o3衬底固定在样品台上，用挡板将靶材和衬底隔开，调整靶材到衬底的距离为6.0 cm。依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，约2 h后达到所需的10-5 pa真空度。将c-al2o3衬底加热至650℃，维持温度的稳定；往真空腔室内通入n2o，调节压强，使腔内气压保持在0.1 pa。然后打开激光器，预热10 min后将激光能量调整为200 mj/cm2，激光频率调整为3hz，使激光束聚焦在ga2o3靶面并烧蚀靶材，形成羽辉。预沉积5 min后打开靶材与衬底之间的挡板，在c-al2o3衬底表面沉积ga2o3:n薄膜60 min。沉积结束后，关闭激光器，在650 ℃下保温30min。关闭加热器，自然降温至室温后关闭真空系统，获得200 nm厚度的ga2o3:n多晶薄膜。最后在n2氛围下800℃快速热退火30 min。
31.3）将99.99%的sns靶材固定在腔室内的靶台上，在步骤（2）制备好的ga2o3:n薄膜层上贴上掩模板，将其固定在样品台上，用挡板将靶材和ga2o3:n薄膜层隔开，调整靶材到衬底的距离为6.0 cm。依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，约2 h后达到所需的10-5 pa真空度。将ga2o3:n薄膜层加热至200℃，维持温度的稳定。打开激光器，预热10 min后将激光能量调整为200 mj/cm2，激光频率调整为1 hz，使激光束聚焦在sns靶面并烧蚀靶材，形成羽辉。预沉积5 min后打开靶材与ga2o3:n薄膜层之间的挡板，在ga2o3:n薄膜的部分区域沉积sns薄膜1200s。沉积结束后，关闭激光器，继续升温至300℃，在300 ℃下原位退火60min。关闭加热器，自然降温至室温后关闭真空系统，获得40 nm厚度的sns多晶薄膜。
32.4）在sns/ga2o3异质pn结表面采用电子束蒸发技术蒸镀50 nm/20 nm的au/ti电极对，获得sns/ga2o3异质pn结紫外探测器。
33.如图3是本实施例制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的iv曲线、图4是本实施例制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器在5 v偏压下的光响应时间曲线放大图，均在光照波长为254 nm、功率为182 μw/cm2的紫外光下测试。如图可以看到，本例制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器在5 v偏压下，具有非常小的暗电流2.512 pa，响应度为59.78 ma/w，响应时间相应常数为τr=1.52s；τd=0.095s。
34.实施例21）将2英寸的c-al2o3片切割成1.0 cm x1.0 cm的小片；分别使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗10 min，然后用n2吹干残留在c-al2o3衬底表面的水分，然后放入等离子体清洗器中使用等离子体清洗5 min。最后将清洗后的c-al2o3衬底放入真空腔室内使用200 ℃烘烤10 min，完成对衬底的预处理。
35.2）将纯度99.99%的ga2o3靶材固定在腔室内的靶台上，将清洗好的c-al2o3衬底固定在样品台上，用挡板将靶材和衬底隔开，调整靶材到衬底的距离为6.0 cm。依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，约2 h后达到所需的10-5 pa真空度。将c-al2o3衬底加热至650℃，维持温度的稳定；往真空腔室内通入o2，调节压强，使腔内气压保持在0.1 pa。然后打开激光器，预热10 min后将激光能量调整为200 mj/cm2，激光频率调整为3hz，使激光束聚焦在ga2o3靶面并烧蚀靶材，形成羽辉。预沉积5 min后打开靶材与衬底之间的挡板，在c-al2o3衬底表面沉积ga2o3:n薄膜60 min。沉积结束后，关闭激光器，在650 ℃下保温
30min。关闭加热器，自然降温至室温后关闭真空系统，获得200 nm厚度的ga2o3:n多晶薄膜。最后在n2氛围下800℃快速热退火30 min。
36.3）将纯度99.99%的sns靶材固定在腔室内的靶台上，在步骤（2）制备好的ga2o3:n薄膜层上贴上掩模板，将其固定在样品台上，用挡板将靶材和衬底隔开，调整靶材到衬底的距离为6.0 cm。依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，约2 h后达到实验所需的10-5 pa真空度。将ga2o3:n薄膜层加热至200℃，维持温度的稳定。打开激光器，预热10 min后将激光能量调整为200 mj/cm2，激光频率调整为1 hz，使激光束聚焦在sns靶面并烧蚀靶材，形成羽辉。预沉积5 min后打开靶材与衬底之间的挡板，在ga2o3薄膜的部分区域沉积sns薄膜1300 s。沉积结束后，关闭激光器，继续升温至300℃，在300 ℃下原位退火60min。关闭加热器，自然降温至室温后关闭真空系统，获得45 nm的sns多晶薄膜。
37.4）在sns/ga2o3异质pn结表面采用电子束蒸发技术蒸镀50 nm/20 nm的au/ti电极对，获得sns/ga2o3异质pn结紫外探测器。
38.如图5是本实施例制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器的iv曲线、图6是本实施例制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器在5 v偏压下的光响应时间曲线放大图，均在光照波长为254 nm、功率为182 μw/cm2的紫外光下测试。如图可以看到，本例制得的sns/ga2o3异质pn结紫外探测器在5 v偏压下，暗电流为3.437 pa，响应度为45.78 ma/w，响应时间相应常数为τr=1.29s；τd=0.086 s。
39.在上述实施例的基础上，分别调整ga2o3:n薄膜和sns薄膜的pld沉积时间30min-90min及300s-1500s，可分别获得100-300 nm厚度的ga2o3:n薄膜层及10-50nm厚度的sns薄膜，在这个厚度范围ga2o3:n薄膜层和sns薄膜层形成的异质pn结，均可获得上述实施例的技术效果，满足本发明的发明目的。