技术领域
[0001] 本
发明涉及一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜的传感器的制备方法，属于宽禁带
半导体传感技术领域。
背景技术
[0002] Ga2O3在紫外探测、催化、透明导电
薄膜和气体传感等领域有潜在的应用；SnO2在紫外探测、催化、透明导电薄膜、气体传感、发光、压电、锂
电池和
磁性半导体等领域有潜在的应用，将SnO2混入Ga2O3形成的混相材料，不仅可以扩宽Ga2O3应用范畴，优化设计的混相材料也具有更加优异的磁学，压电，光电转换和催化等性能。
发明内容
[0003] 为实现性能优异的混相膜基传感器，本发明提供一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法。
[0004] 上述一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于：所述制备方法是按下列步骤进行的：（1） 将Ga2O3粉末、SnO2粉末与
碳粉末按
质量比为1∶0.1-2∶1的比例混合且充分
研磨，获得固体混合粉末；
（2）在高温管式炉中，以所述混合粉末为反应源，置于陶瓷舟中，反应源
温度为900℃-
1300℃，利用
化学气相沉积方法，通
过热碳还原Ga2O3和SnO2提供Ga源和Sn源，以
氧气为氧源，惰性气体为载气，按氧气和惰性气体流量比例为1-20mL/min∶0-50mL/min，基片温度为
900℃-1300℃，生长压
力为1 Pa-105 Pa，沉积时间为10 min-60 min，在基片上获得具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜；
（3）在所述具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜上采用叉指
电极制备工艺制备平面金属叉指电极结构，获得择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器。
[0005] 进一步的附加技术特征如下：一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气、氩气、氦气及氖气中的一种或几种的混合。
[0006] 一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于：所述基片是与Ga2O3和SnO2均具有小失配度的衬底或者缓生层，失配度小于10%。
[0007] 一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于：所述缓生层是通过对衬底进行热、物理或化学处理得到，或者通过在衬底上生长得到；所述缓生层是失配度小于10%的一层或多层结构。
[0008] 一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于：所述择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜中Ga2O3和SnO2是单一择优取向。
[0009] 一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于：所述基片上制备的择优取向Ga2O3和SnO2混相膜的厚度为100nm-1μm，膜光学由SnO2到Ga2O3的带隙为3.6 eV-5.7 eV。
[0010] 一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于：所述叉指电极的叉指宽度为1 μm-10 μm，叉指间距为1μm-100 μm，叉指长度为100 μm-700 μm，叉指对数为5-100对。
[0011] 一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于所述叉指电极工艺是
光刻和湿法
刻蚀，或者光刻和剥离技术。
[0012] 一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，其特征在于：所述金属蒸
镀方法为热
蒸发，
电子束蒸发或是
溅射法；其中金属为：Pt、Ag、Au、Cu、Al、Cr、Ti，Ni或者它们的组合；所述金属的厚度为10 nm-200 nm。
[0013] 实现上述本发明所提供的一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，与
现有技术相比，本发明利用高温管式炉设，工艺简单，设备便宜；使用Ga2O3粉末、SnO2粉末与碳粉混合粉末作为反应源，具有稳定，固态，无毒无害，可便携称量和取放等优点。
[0014] 本发明传感材料选择具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜，即Ga2O3和SnO2均具有单一择优取向，利用其制备的平面叉指电极结构传感器工艺简单，兼容性强，利用两种相材料之间的共同特性和差异特性，可以实现单一增强或多功能传感器，在紫外探测、催化、透明导电薄膜、气体传感和发光
二极管、压电、锂电池和磁性半导体等领域有广阔的应用前景。
附图说明
[0015] 图1是本发明提供的择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器结构示意图。
[0016] 图中，1：衬底或衬底和缓生层；2：择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜；3：叉指电极层；4：叉指长度；5：叉指宽度；6：叉指间距。
[0017] 图2是本发明生长在c-Ga2O3衬底上的具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜的XRD图。
[0018] 图3是本发明生长在
石英衬底上的具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜的XRD图。
[0019] 图4是具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜光学带隙示意图。
具体实施方式
[0020] 为了进一步了解本发明，下面结合
实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明
专利要求的限制，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021] 本发明提供一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器制备方法，其特征在于：所述制备方法是按下列步骤进行的：
（1） 将Ga2O3粉末、SnO2粉末与碳粉末按质量比为1∶0.1-2∶1的比例混合且充分研磨，得到固体混合粉末；
（2）在高温管式炉中，以所述混合粉末为反应源，放在陶瓷舟中，反应源温度为900℃-
1300℃，利用化学气相沉积方法，通过热碳还原Ga2O3和SnO2提供Ga源和Sn源，以氧气为氧源，惰性气体为载气，按氧气和惰性气体流量比例为1-20mL/min∶0-50mL/min，基片温度为
900℃-1300℃，生长压力为1 Pa-105 Pa，沉积时间为10 min-60 min，在基片上获得具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜；
（3）在所述具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜上采用叉指电极制备工艺制备平面金属叉指电极结构，获得择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器。
[0022] 本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
[0023] 将Ga2O3粉末、SnO2粉末与碳粉末按比例混合且充分研磨，得到固体混合粉末，所述Ga2O3粉末、SnO2粉末与碳粉混合粉末的质量比例优选为1：0.2-1.5：1，更优选为1：0.3-1.2：1，再优选1：0.5-1：1，最有选为1：0.5：1和1：1：1，但不限于该范围，具体视实际情况而定。
[0024] 以所述混合粉末为反应源，放在高温管式炉中，利用化学气相沉积方法，以氧气为氧源，惰性气体为载气，在基片上制备具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜。
[0025] 基片优选为与Ga2O3和SnO2均具有小失配度的衬底（失配度小于10%）或者缓生层（失配度小于10%），更优选为蓝
宝石、石英、氧化镁和
硅等衬底；再优选为蓝宝石、石英和氧化镁，最优选为蓝宝石和石英；但不限于该范围，具体视实际情况而定。
[0026] 氧气和惰性气体流量比例优选为1-20 mL/min：0-50 mL/min，更优选为 2-10mL/min：10-40mL/min，再优选为5-8mL/min：20-35mL/min，最优选为7 mL/min：30 mL/min；惰性气体优选为氮气、氩气、氦气及氖气中的一种或几种混合气体，更优选为氮气、氩气和氦气，再优选为氮气和氩气，最优选为氩气；但不限于该范围，具体视实际情况而定。
[0027] 反应源温度优选为900℃-1300℃，更优选为 1000℃-1200℃，再优选为1020℃-1130℃，最优选为1050℃；基片温度优选为900℃-1300℃，更优选为 1000℃-1150℃，再优选为1040℃-1000℃，最优选为1050℃；生长压力优选为1 Pa-105 Pa，更优选为10 Pa-103 Pa，再优选为20 Pa-102 Pa，最优选为30 Pa；沉积时间优选为5 min-60 min，更优选为10 min-40 min，再优选为20 min-45 min，最优选为30 min；但不限于该范围，具体视实际情况而定。
[0028] 按照本发明，此步骤优选具体为：混合粉末为反应源放在陶瓷舟中，将所述陶瓷中放入高温管式炉中，将衬底放置在所述高温管式炉中，利用
真空泵对系统
抽取真空达到生长真空，按照本发明，所述管式炉、陶瓷舟和
真空泵为本领域技术人员熟知的设备即可，并无特殊的限制。
[0029] 利用上述方法生长的具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜：优选为Ga2O3和SnO2混相膜中Ga2O3和SnO2均具有单一择优取向，更优选为Ga2O3具有β-Ga2O3（-201）单一择优取向，SnO2具有（200）单一择优取向，但不限于该范围，具体视实际情况而定；所述具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜的厚度优选为100 nm-1μm，再优选为400 nm-
800 nm，最优选为400nm和750 nm；所述具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜光学带隙优选为
3.6 eV-5.7 eV，再优选为4.7 eV 和5.1 eV，但不限于该范围，具体视实际情况而定。
[0030] 本发明所提供的一种择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器的制备方法，所述传感器包括上述具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜，具体包括：利用光刻和湿法刻蚀技术或者光刻和剥离技术，以及热蒸发，
电子束蒸发或溅射等金属蒸镀设备，在上述具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜上制备平面金属叉指电极结构，作为传感器金属
接触，得到择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器。
[0031] 按照本发明，在所述具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜上制备的金属叉指电极，叉指电极的叉指宽度优选为1 μm-10 μm，更为优选为1.5 μm-8 μm，再优选为2 μm-5μm；叉指间距优选为1 μm-100 μm，更为优选为1.5 μm-50 μm，再优选为2 μm-10 μm，最优选为2 μm；叉指长度优选为100 μm-700 μm，更为优选为200 μm-600 μm，再优选为400 μm-500 μm，最优选为500μm；叉指对数优选为5-100对，更优选为10-50对，最优选为12对；优选金属为：Pt、Ag、Au、Cu、Al、Cr、Ti、Ni或者它们组成的
合金，更为优选为Pt、Au、Ti、Ni或者它们组成的合金，金属厚度优选为10 nm-200 nm，更优选为50 nm-150 nm,再优选为100 nm，但不限于各项参数范围，具体视实际情况而定。
[0032] 本发明提供的择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜基传感器结构示意图，如附图1所示，图中，1：衬底或衬底和缓生层；2：择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜；3：叉指电极层；4：叉指长度；5：叉指宽度；6：叉指间距。
[0033] 本发明所述的金属蒸镀设备，金属材料，光刻设备和湿法刻蚀或光刻和剥离技术为本领域技术人员常用的工艺和设备，没有特殊限制。
[0034] 生长Ga2O3或SnO2膜多采用分子束
外延，
脉冲激光沉积，
金属有机化学气相沉积和
磁控溅射等，这些设备昂贵且生长工艺复杂，而基于简单的管式炉设备，以CVD技术制备的膜，所采用的反应源又具有有毒、有害且易发生化学反应不稳定等缺点，本发明除了利用简单的高温管式炉设备外，采用了固态混合源，具有稳定，固态，无毒无害，可便携称量和取放等优点，此外，本方明中还采用了小失配基片（失配度小于10%），该基片是与Ga2O3和SnO2均具有小失配度的衬底或者缓生层，高温下，在这些基片上生长具有择优取向的Ga2O3和SnO2混相膜，在具体实施例1中，所选基片为C面蓝宝石（c-Ga2O3）衬底；c-Ga2O3与β-Ga2O（3 -201）以及SnO（2 200）的失配度分别小于3.2%和0.6%，小失配下，（-201）β-Ga2O3和（200）SnO2在c-Ga2O3上同时结晶，并长大共存，在具体实施例2中，所选基片为石英衬底，生长前通过对石英在高温下
热处理，形成（101）α-方石英（α-SiO2），（101）α-SiO2与β-Ga2O（3 -201）以及SnO2（200）的失配度分别小于1.4%和4.8%，小失配下，（-201）β-Ga2O3和（200）SnO2在c-Ga2O3上同时结晶，并长大共存，本发明的金属接触采用平面叉指电极结构，兼容性好，工艺成熟，制备简单，本发明利用Ga2O3和SnO2之间的共同特性和差异特性，可以实现单一增强或多功能传感器，在紫外探测、催化、透明导电薄膜、气体传感和
发光二极管、压电、锂电池和磁性半导体等领域有广阔的应用前景。
[0035] 下面通过实施例对本发明做进一步详细的说明。
[0036] 实施例1将Ga2O3粉末、SnO2粉末与碳粉末按比例混合且充分研磨，得到固体混合粉末，Ga2O3粉末、SnO2粉末与碳粉混合粉末的质量比例为1：1：1；混合粉末为反应源放在陶瓷舟中，将陶瓷舟和c-Ga2O3衬底放入高温管式炉中；氧气和氩气比例为7 mL/min：30 mL/min；反应源温度为1050℃，衬底温度为1050℃；生长真空为30 Pa；沉积时间为30 min；混相膜厚度为400 nm；如附图2，在c-Ga2O3上生长的混相膜， SnO2为（200）择优取向，β-Ga2O3为（-201）择优取向，且均为单一择优取向；如附图4，混相膜光学带隙为5.1 eV。
[0037] 在得到的混相膜上，利用热蒸镀设备蒸镀Au接触电极层，并利用光刻和湿法刻蚀技术将Au接触电极制备成平面叉指电极结构；金属厚度100 nm；叉指电极的叉指宽度为2 μm，叉指长度为500 μm，叉指间距为2 μm，叉指对数为12对。
[0038] 实施例2将Ga2O3粉末、SnO2粉末与碳粉末按比例混合且充分研磨，得到固体混合粉末，Ga2O3粉末、SnO2粉末与碳粉混合粉末的质量比例为1：0.5：1；混合粉末为反应源放在陶瓷舟中，将陶瓷舟和石英衬底放入高温管式炉中；氧气和氩气比例为7 mL/min：30 mL/min。反应源温度为1050℃，衬底温度为1050℃；生长真空为30 Pa；生长前衬底在1050℃处理10 min，沉积时间为30 min；混相膜厚度为750 nm；如附图3，石英在热处理过程中形成（101）α-SiO2；生长的混相膜中，SnO2为（200）择优取向，β-Ga2O3为（-201）择优取向，且均为单一取向；如附图
4，混相膜光学带隙为4.7 eV。
[0039] 在得到的混相膜上，利用热蒸镀设备蒸镀Au接触电极层，并利用光刻和湿法刻蚀技术将Au接触电极制备成平面叉指电极结构，金属厚度100 nm，叉指电极的叉指宽度为2 μm，叉指长度为500 μm，叉指间距为2 μm，叉指对数为12对。
[0040] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明
权利要求的保护范围内。
[0041] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
