一种锌镓氧紫外探测器及其制备方法
阅读：221发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种锌镓氧紫外探测器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种ZnGa2O4紫外探测器，包括依次复合而成的衬底、ZnGa2O4 薄膜 以及金属叉指 电极 ；所述ZnGa2O4薄膜以有机锌化合物作为锌源，有机镓化合物作为镓源，以高纯 氧 气为氧源，利用金属有机化合物 化学气相沉积 法在衬底表面沉积得到。本发明使用金属有机化合物化学气相沉积法制备ZnGa2O4薄膜，通过增加氧气流量，增加氧分压，减少氧 缺陷 ，使制备得到的ZnGa2O4薄膜层具有结晶 质量 高，不出现分相，吸收截止边陡峭等特点，进而使包含ZnGa2O4薄膜层的紫外探测器具有较低的暗 电流 ，较高的响应度。，下面是一种锌镓氧紫外探测器及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种ZnGa2O4紫外探测器，其特征在于，包括依次复合而成的衬底、ZnGa2O4薄膜以及金属叉指电极；
所述ZnGa2O4薄膜以有机锌化合物作为锌源，有机镓化合物作为镓源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底表面沉积得到。
2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述ZnGa2O4薄膜为尖晶石结构，沿(111)、(222)、(333)取向生长，为单一取向；
所述ZnGa2O4薄膜的厚度为100～600nm；
所述ZnGa2O4薄膜的吸收截止边为240～280nm；
所述ZnGa2O4紫外探测器的光响应截止边为250～280nm。
3.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述有机锌化合物为二乙基锌和/或二甲基锌；所述有机镓化合物为三甲基镓和/或三乙基镓。
4.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述有机锌化合物以高纯氮气为载气，所述载气流速为5～20sccm；所述有机镓化合物以高纯氮气为载气，所述载气流速为10～40sccm；所述氧气流速为100～400sccm。
5.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述衬底选自蓝宝石衬底、氧化镁或铝酸镁。
6.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述沉积的温度为400～1100℃；所述沉积的时间为1h～3h；进行沉积的真空度为2×102～1×104Pa。
7.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述生长结束后，降低衬底温度到室温，得到ZnGa2O4薄膜；所述降温的速率为0.2～0.8℃/s。
8.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述金属叉指电极为金叉指电极，所述金属叉指电极的厚度为20～40nm。
9.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述叉指电极表面复合有铟粒。
10.一种如权利要求1～9任意一项所述的紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)以有机锌化合物作为锌源，有机镓化合物作为镓源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底表面沉积ZnGa2O4薄膜；
B)在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，溅射金属金后去除胶体掩膜，得到金属叉指电极；
C)在叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。
一种锌镓氧紫外探测器及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于紫外探测器技术领域，具体涉及一种ZnGa2O4紫外探测器及其制备方法。
背景技术
[0002] 紫外探测技术在导弹尾焰探测，火焰传感，空气和水净化以及空对空通信等军事和民用领域有广阔的应用前景。波长小于280nm的紫外辐射由于地球上空臭氧层的阻挡，几乎无法传播到地球表面，被称为日盲紫外。工作在日盲波段的日盲紫外探测器不受太阳辐射的干扰，具有更高的灵敏度，可用于导弹预警等方面。近年来，宽禁带半导体紫外探测器因其体积小、重量轻、工作时不需滤光片、无需制冷等优点被认为是可以取代真空光电倍增管和Si光电倍增管的第三代紫外探测器。
[0003] ZnGa2O4是ZnO和Ga2O3的复合氧化物，具有尖晶石结构，属于直接带隙半导体，禁带宽度在4.4-5.0eV之间，在原理上可以应用于248-280nm范围内的紫外光电器件等领域。ZnGa2O4与ZnMgO相比，可以避免结构分相问题；ZnGa2O4与Ga2O3相比，可以实现电学特性调控，提升导电性。又由于ZnGa2O4具有很好的稳定性及抗辐射能力，较高的电子饱和漂移速度等优势。因此，ZnGa2O4是制备日盲紫外探测器的候选材料。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种ZnGa2O4紫外探测器及其制备方法，本发明提供的紫外探测器具有低的暗电流和高的光响应度。
[0008] 优选的，所述ZnGa2O4薄膜为尖晶石结构，沿(111)、(222)、(333)取向生长，为单一取向；
[0009] 所述ZnGa2O4薄膜的厚度为100～600nm；
[0010] 所述ZnGa2O4薄膜的吸收截止边为240～280nm；
[0011] 所述ZnGa2O4紫外探测器的光响应截止边为250～280nm。
[0012] 优选的，所述有机锌化合物为二乙基锌和/或二甲基锌；所述有机镓化合物为三甲基镓和/或三乙基镓。
[0013] 优选的，所述有机锌化合物以高纯氮气为载气，所述载气流速为5～20sccm；所述有机镓化合物以高纯氮气为载气，所述载气流速为10～40sccm；所述氧气流速为100～400sccm。
[0015] 优选的，所述沉积的温度为400～1100℃；所述沉积的时间为1h～3h；进行沉积的真空度为2×102～1×104Pa。
[0016] 优选的，所述生长结束后，降低衬底温度到室温，得到ZnGa2O4薄膜；所述降温的速率为0.2～0.8℃/s。
[0017] 优选的，所述金属叉指电极为金叉指电极，所述金属叉指电极的厚度为20～40nm。
[0018] 优选的，所述叉指电极表面复合有铟粒。
[0019] 本发明还提供了一种上述紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0020] A)以有机锌化合物作为锌源，有机镓化合物作为镓源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底表面沉积ZnGa2O4薄膜；
[0021] B)在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，溅射金属金后去除胶体掩膜，得到金属叉指电极；
[0022] C)在叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。
[0023] 与现有技术相比，本发明提供了一种ZnGa2O4紫外探测器，包括依次复合而成的衬底、ZnGa2O4薄膜以及金属叉指电极；所述ZnGa2O4薄膜以有机锌化合物作为锌源，有机镓化合物作为镓源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底表面沉积得到。本发明使用金属有机化合物化学气相沉积法制备ZnGa2O4薄膜，通过增加氧气流量，增加氧分压，减少氧缺陷，使制备得到的ZnGa2O4薄膜层具有结晶质量高，不出现分相，吸收截止边陡峭等特点，进而使包含ZnGa2O4薄膜层的紫外探测器具有较低的暗电流，较高的响应度。附图说明
[0024] 图1为本发明实施例1中得到的ZnGa2O4紫外探测器的结构示意图；
[0025] 图2为本发明实施例1中得到的ZnGa2O4薄膜的粉末X射线衍射图；
[0026] 图3为本发明实施例1中得到的ZnGa2O4薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；
[0027] 图4为本发明实施例1中得到的ZnGa2O4薄膜的扫描电子显微镜图片；
[0029] 图6为发明实施例1中得到的ZnGa2O4紫外探测器的光谱响应特性曲线；
[0030] 图7为对比例1中得到的ZnGa2O4薄膜的粉末X射线衍射图。
具体实施方式
[0031] 本发明提供了一种ZnGa2O4紫外探测器，包括依次复合而成的衬底、ZnGa2O4薄膜以及金属叉指电极；
[0032] 所述ZnGa2O4薄膜以有机锌化合物作为锌源，有机镓化合物作为镓源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底表面沉积得到。
[0033] 本发明提供的紫外探测器包括衬底，所述衬底为本领域技术人员熟知的衬底即可，并无特殊的限制，本发明中优选为蓝宝石衬底、氧化镁或铝酸镁。
[0034] 本发明提供的紫外探测器还包括复合于衬底的ZnGa2O4薄膜。
[0035] 其中，所述ZnGa2O4薄膜以有机锌化合物作为锌源，有机镓化合物作为镓源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底表面沉积得到。
[0036] 本发明以有机锌化合物作为锌源，所述有机锌化合物为二乙基锌和/或二甲基锌，优选为二乙基锌。所述有机锌化合物以高纯氮气为载气，所述载气流速为5～20sccm，优选为10～15sccm。
[0037] 本发明以有机镓化合物作为镓源，所述有机镓化合物为三甲基镓和/或三乙基镓，优选为三甲基镓。所述有机镓化合物以高纯氮气为载气，所述载气流速为10～40sccm，优选为20～30sccm。
[0038] 本发明以高纯氧气为氧源，所述氧气流速为100～400sccm，优选为200～300sccm。
[0039] 本发明采用金属有机化合物化学气相沉积法进行单一取向ZnGa2O4薄膜的制备，其中，所述单一取向ZnGa2O4薄膜的制备在金属有机化合物化学气相沉积设备中进行。
[0040] 本发明首先将衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备的腔体内，其中，所述衬底优选经清洗干燥后放置于MOCVD设备生长室内。通过移动衬底的基底高度，使基底与气体喷枪的距离在10～40cm范围内调节。
[0041] 所述将衬底放入腔体中后，对腔体进行抽真空。然后将衬底进行加热，当加热至沉积反应的温度时，即可在衬底表面沉积ZnGa2O4薄膜。
[0042] 所述沉积的温度为400～1100℃，优选为800～900℃；所述沉积的时间为1h～3h，优选为1.5～2.5h；进行沉积的真空度为2×102～1×104Pa，优选为8×102～8×103Pa。
[0043] 所述沉积生长结束后，降低衬底温度到室温，得到ZnGa2O4薄膜；所述降温的速率为0.2～0.8℃/s，优选为0.4～0.6℃/s。在本发明中，将所述室温定义为25±5℃。
[0044] 所述ZnGa2O4薄膜为尖晶石结构，沿(111)、(222)、(333)取向生长，为单一取向。所述ZnGa2O4薄膜的吸收截止边为240～280nm。所述ZnGa2O4薄膜的厚度为100～600nm，优选为200～500nm，进一步优选为300～400nm。
[0045] 本发明提供的紫外探测器还包括复合于所述ZnGa2O4薄膜的金属叉指电极。所述金属叉指电极为金叉指电极，所述金属叉指电极的厚度为20～40nm，优选为25～35nm。
[0046] 在本发明中，所述叉指电极表面复合有铟粒。
[0047] 所述ZnGa2O4紫外探测器的光响应截止边为250～280nm。
[0048] 本发明还提供了一种上述紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0049] A)以有机锌化合物作为锌源，有机镓化合物作为镓源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底表面沉积ZnGa2O4薄膜；
[0050] B)在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，溅射金属金后去除胶体掩膜，得到金属叉指电极；
[0051] C)在叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。
[0052] 本发明首先利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底表面沉积ZnGa2O4薄膜。具体方法如上文所述，在此不做赘述。
[0053] 得到ZnGa2O4薄膜之后，在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，溅射金属金后去除胶体掩膜，得到金属叉指电极。
[0055] 然后，通过超声去除胶体掩膜，得到金属叉指电极。所述超声时间优选为3～5min。
[0056] 最后，在金属叉指电极上按压In粒得到，MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。
[0057] 本发明使用金属有机化合物化学气相沉积法制备ZnGa2O4薄膜，通过增加氧气流量，增加氧分压，减少氧缺陷，使制备得到的ZnGa2O4薄膜层具有结晶质量高，不出现分相，吸收截止边陡峭等特点，进而使包含ZnGa2O4薄膜层的紫外探测器具有较低的暗电流，较高的响应度。
[0058] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的ZnGa2O4紫外探测器及其制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
[0059] 实施例1
[0060] 将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD生长腔内，调节生长温度到850℃，压强为1×103Pa。使用二乙基锌作为锌源，三甲基镓作为镓源，锌源的载气流速为5sccm，镓源的载气流速为10sccm。氧气的流速为300sccm，远大于锌源和镓源的流速。生长2h，关闭有机源和氧气，以0.6℃/s降低衬底温度到室温，得到厚度为300nm左右的ZnGa2O4薄膜。
[0061] 在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为8Pa的条件下，电流为6mA，溅射金属金。然后通过超声去除胶体掩膜。在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。器件结构图如图1示。
[0062] 对实施例1中得到的ZnGa2O4薄膜进行粉末X射线衍射(XRD)测试，得到其图谱如2所示。从图中可以看出，在蓝宝石衬底上制备的ZnGa2O4薄膜为尖晶石结构。沿着(111)、(333)取向生长，为单一取向，XRD的吸收峰比较尖锐，说明结晶质量较高。
[0063] 对实施例1中得到的ZnGa2O4薄膜进行紫外-可见光吸收光谱测试，得到其图谱如图3所示，从图中可以看出，制备的ZnGa2O4薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在250nm左右。
[0064] 对实施例1中得到的ZnGa2O4薄膜进行扫描电子显微镜(SEM)测试，得到其表面图谱如4所示。从图中可以看出，制备的ZnGa2O4薄膜的表面较平整，晶体质量较好。
[0065] 对实施例1中得到的ZnGa2O4紫外探测器进行暗态下和254nm光照下的电流-电压特性曲线测试，得到其图谱如5所示。从图中可以看出，制备的ZnGa2O4紫外探测器在10V下的暗电流为2.38nA，光电流为0.94mA，光暗抑制比为4x106，说明制备的ZnGa2O4紫外探测器具有低的暗电流。
[0066] 对实施例1中得到的ZnGa2O4紫外探测器进行光响应特性测试，得到其图谱如6所示。从图中可以看出，制备的ZnGa2O4紫外探测器在10V下的光响应度为155A/W，-3dB截止边为254nm，说明制备的ZnGa2O4紫外探测器具有高的光响应度。
[0067] 实施例2
[0068] 将清洗好的将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD生长腔内，调节生长温度到900℃，压强为1×103Pa。使用二乙基锌作为锌源，三甲基镓作为镓源，锌源的载气流速为5sccm，镓源的载气流速为10sccm。氧气的流速为300sccm，远大于锌源和镓源的流速。生长
2h，关闭有机源和氧气，以0.6℃/s降低衬底温度到室温，得到厚度为300nm左右的ZnGa2O4薄膜。
2h，关闭有机源和氧气，以0.6℃/s降低衬底温度到室温，得到厚度为300nm左右的ZnGa2O4薄膜。
[0069] 在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为8Pa的条件下，电流为6mA，溅射金属金。然后通过超声去除胶体掩膜。在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。
[0070] 对实施例2中得到的ZnGa2O4紫外探测器进行测试，得到其在10V下的光响应度为120A/W，-3dB截止边为256nm。
[0071] 实施例3
[0072] 将清洗好的将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD生长腔内，调节生长温度到8503
℃，压强为1×10 Pa。使用二乙基锌作为锌源，三甲基镓作为镓源，锌源的载气流速为
5sccm，镓源的载气流速为10sccm。氧气的流速为400sccm，远大于锌源和镓源的流速。生长
1h，关闭有机源和氧气，以0.6℃/s降低衬底温度到室温，得到厚度为300nm左右的ZnGa2O4薄膜。
℃，压强为1×10 Pa。使用二乙基锌作为锌源，三甲基镓作为镓源，锌源的载气流速为
5sccm，镓源的载气流速为10sccm。氧气的流速为400sccm，远大于锌源和镓源的流速。生长
1h，关闭有机源和氧气，以0.6℃/s降低衬底温度到室温，得到厚度为300nm左右的ZnGa2O4薄膜。
[0073] 在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成30对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为8Pa的条件下，电流为4mA，溅射金属金。然后通过超声去除胶体掩膜。在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。
[0074] 对实施3中得到的ZnGa2O4紫外探测器进行测试，得到其在10V下的光响应度为99A/W，-3dB截止边为261nm。
[0075] 对比例1
[0076] 将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD生长腔内，调节生长温度到850℃，压强为1×103Pa。使用二乙基锌作为锌源，三甲基镓作为镓源，锌源的载气流速为5sccm，镓源的载气流速为10sccm。氧气的流速为30sccm。生长2h，关闭有机源和氧气，以0.6℃/s降低衬底温度到室温，得到厚度为300nm左右的ZnGa2O4薄膜。对对比例1中得到的ZnGa2O4薄膜进行粉末X射线衍射(XRD)测试，得到其图谱如图7所示。从图中可以看出，如图所示，除了111,222,333的峰，还有220和440的峰，这是非单一取向的薄膜。
[0077] 在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为8Pa的条件下，电流为6mA，溅射金属金。然后通过超声去除胶体掩膜。在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。
[0078] 对对比例1中得到的ZnGa2O4紫外探测器进行测试，得到其在10V下的光响应度为0.1A/W，-3dB截止边为256nm，证明此方法得到的ZnGa2O4紫外探测器响应度低，性能差。
[0079] 对比例2
[0080] 将清洗好的将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD生长腔内，调节生长温度到3503
℃，压强为1×10 Pa。使用二乙基锌作为锌源，三甲基镓作为镓源，锌源的载气流速为
5sccm，镓源的载气流速为10sccm。氧气的流速为300sccm。生长3h，关闭有机源和氧气，以
0.6℃/s降低衬底温度到室温，得到厚度为300nm左右的ZnGa2O4薄膜。
℃，压强为1×10 Pa。使用二乙基锌作为锌源，三甲基镓作为镓源，锌源的载气流速为
5sccm，镓源的载气流速为10sccm。氧气的流速为300sccm。生长3h，关闭有机源和氧气，以
0.6℃/s降低衬底温度到室温，得到厚度为300nm左右的ZnGa2O4薄膜。
[0081] 在ZnGa2O4薄膜材料上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为8Pa的条件下，电流为6mA，溅射金属金。然后通过超声去除胶体掩膜。在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnGa2O4紫外探测器。
[0082] 对对比例2中得到的ZnGa2O4紫外探测器进行测试，得到其在10V下的光响应度为0.07A/W，-3dB截止边为253nm，证明此方法得到的ZnGa2O4紫外探测器响应度低，性能差。
[0083] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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