本發(fā)明屬于光電探測器技術領域，具體涉及一種Zn:Ga₂O₃薄膜基MSM結構日盲紫外光電探測器及其制備方法。

技術背景

由于臭氧層的吸收，日盲(200-280nm)波段的深紫外光在大氣層中幾乎是不存在的，工作于該波段的日盲光電探測器具有虛警率低的特點。由于不受太陽光背景的影響，日盲紫外光信號探測靈敏度極高，工作在此波段的通信準確率也極高，在軍事及航天航空等方面有廣泛的應用，加之紅外對抗技術的日趨成熟紅外制導導彈的命中精度已受到嚴重威脅，紫外通信特別是日盲紫外通信儼然已經成為各國軍事競賽的重點目標。相對于其它幾種無線通信，日盲紫外通信除了上述提到的準確率極高外，還有以下幾個方面優(yōu)勢：1.非視距通信。紫外通信依靠大氣層的漫反射進行光信息的傳輸，信號發(fā)射臺和信號接收臺的無需在視距范圍內，是一種非視距的通信。2.安全性高。在紫外通信中，紫外光信號發(fā)射出來后，要在大氣層中經歷無數(shù)個漫反射才能達到接收臺，如此以來，即使敵方探測到信號也很難定位發(fā)射臺的位置，無法找出并摧毀它，因此日盲紫外通信的安全性極高。3.傳播距離可控，抗干擾、防竊聽能力強。大氣層利用漫反射傳輸著紫外光信號，同時大氣層對紫外光的吸收也是極強的，利用這一特性可以控制紫外通信的距離。例如，若想控制紫外通信的范圍在10km范圍之內，通過調節(jié)發(fā)射臺的紫外光信號強度，使其光信號的覆蓋在10km范圍之內；而為了減少被敵方探測到，若想控制紫外通信的范圍在1km范圍之內，適當降低發(fā)射臺的紫外光信號強度，使其光信號的覆蓋在1km范圍之內。因此，紫外通信的傳播距離是可以調控的，抗干擾、防竊聽能力較強。4.受環(huán)境影響很小，可全天候工作。由于日盲紫外通信工作在200-280nm的日盲紫外區(qū)，該波段在地球表面幾乎不存在，因此不管是白天還是黑夜，日盲紫外通信可全天候工作，不受可見光和紅外光等其它波段光的影響。除了在日盲紫外通信中的應用之外，日盲紫外光電探測器還有其它方面的應用，如國防預警與跟蹤、生命科學、高壓線電暈、臭氧層檢測、氣體探測與分析，火焰?zhèn)鞲械取?/p>

目前市場上的紫外探測器都為真空紫外探測器件，相比之，基于半導體材料的固態(tài)紫外探測器件由于體重小、功耗低、量子效率高、便于集成等特點近年來已經成為科研人員的研究熱點。雖然對現(xiàn)有寬禁帶半導體進行摻雜可實現(xiàn)對帯隙的調控，使其工作在日盲波段，但要想獲得高質量的合金薄膜卻非常艱難，例如：生長AlGaN薄膜往往需要極高溫且難以外延成膜，而ZnMgO在單晶纖維鋅礦的結構下很難保持超過4.5eV的帶隙。帶隙為4.9eV的β-Ga₂O₃對應的吸收波長為253nm，在紫外光區(qū)具有高光電響應特性，是一種有發(fā)展前景的日盲光電探測器新型材料。

針對β-Ga₂O₃材料在日盲光電探測器方面的應用，目前已有一些報道，薄膜形態(tài)的β-Ga₂O₃制備方法簡單、重復性好、可大規(guī)模生長等優(yōu)勢，將是商業(yè)化生產的最佳候選者。然而，β-Ga₂O₃薄膜內部往往會存在大量氧空位，這些氧空位會捕獲光生載流子，降低了光電探測器的響應時間。Zn的穩(wěn)定價態(tài)是二價，比正三價Ga少一個電子，Zn與O的配位數(shù)要比Ga與O的配位數(shù)少，Zn摻雜取代Ga后理論上能減少薄膜內部的氧空位，提高光電探測器的響應速度。

本發(fā)明制備了Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜基MSM結構日盲紫外光電探測器。相比于純Ga₂O₃薄膜，Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜探測器具有更高的光暗比、更快的光響應速度。該發(fā)明為Ga₂O₃薄膜基MSM結構日盲紫外光電探測器的性能的提高提供理論和技術支持。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種Zn:Ga₂O₃薄膜基MSM結構日盲紫外光電探測器及其制備方法。以c面藍寶石為襯底，通過磁控濺射生長Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜作為光敏層，再通過磁控濺射的方法濺射Au/Ti叉指電極作為光生載流子收集電極。

本發(fā)明的技術方案如下：

本發(fā)明公開了一種Zn:Ga₂O₃薄膜基MSM結構日盲紫外光電探測器，由Zn:Ga₂O₃薄膜、藍寶石襯底和Au/Ti叉指電極組成，所述的Zn:Ga₂O₃薄膜厚度為150-200nm，位于藍寶石襯底上，面積與藍寶石襯底相同，Au/Ti叉指電極位于Zn:Ga₂O₃薄膜上，包括Ti薄膜電極和Au薄膜電極，Ti薄膜電極厚度為30nm，Au薄膜電極在Ti薄膜電極的上方，厚度為70nm，Au/Ti叉指電極的長度為2800微米，寬度為200微米、間距為200微米。

本發(fā)明還公開了一種Zn:Ga₂O₃薄膜基MSM結構日盲紫外光電探測器的制備方法，包括如下步驟：

(1)以c面藍寶石為襯底，清洗過程如下：將襯底依次浸泡到丙酮、乙醇、去離子水中各超聲10分鐘，取出后再用去離子水沖洗，最后用干燥的N₂氣吹干，待用；

(2)將清洗干凈的藍寶石襯底放入沉積室，采用磁控濺射在其上生長純的以及Zn摻雜的β-Ga₂O₃薄膜，生長純的β-Ga₂O₃薄膜以99.99％純度的Ga₂O₃陶瓷為靶材，生長特定濃度Zn:Ga₂O₃薄膜在Ga₂O₃靶材邊緣放置特定數(shù)量的Zn顆粒，薄膜的具體生長參數(shù)如下：背底真空為1×10^-4Pa，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa，襯底溫度為650℃，濺射功率為80W，濺射時間為2h；

(3)將步驟(2)中制備的薄膜用鏤空的叉指電極掩膜板遮擋，采用磁控濺射方法先后濺射金屬Ti層和Au層獲得Au/Ti叉指電極，濺射工藝條件如下：背底真空為1×10^-4Pa，襯底溫度為室溫，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa，濺射功率為40W，Ti層的濺射時間為30s，Au層的濺射時間為70s。

優(yōu)選的，所述的步驟(2)中所使用的磁控濺射生長Zn:Ga₂O₃薄膜時在Ga₂O₃靶材邊緣周圍放置不同數(shù)量的Zn顆粒來控制Zn的摻雜濃度。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：

本發(fā)明制備過程簡單，所用襯底為商業(yè)產品；本發(fā)明在制備過程中，采用在Ga₂O₃靶材起輝圈周圍放置特定數(shù)量的Zn顆粒生長特定濃度Zn:Ga₂O₃薄膜，方法簡單。采用商業(yè)化的制備方法磁控濺射生長薄膜，工藝可控性強，易操作，所得薄膜表面致密、厚度穩(wěn)定均一、可大面積制備、重復性好。

附圖說明

圖1是用本發(fā)明方法制得的純的及不同濃度Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜的XRD圖(a)及其對應的放大圖(b)；

圖2是用本發(fā)明方法制得的純的及不同濃度Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜的紫外可見光譜及其帶隙(插圖)；

圖3是用本發(fā)明方法制得的Ga₂O₃薄膜基MSM結構日盲紫外光電探測器的結構示意圖；

圖4是用本發(fā)明方法制得的純的及3.03at％Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜日盲光電探測器在黑暗，365nm及254nm(光強為15μW/cm²)光照下的I-V曲線；

圖5是用本發(fā)明方法制得的純的及3.03at％Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜日盲光電探測器在10V偏壓及光強為15μW/cm²的254nm光照下的I-t曲線及響應時間的擬合；

具體實施方式

以下結合實例進一步說明本發(fā)明。

實例1：純Ga₂O₃薄膜日盲光電探測器的制備

先取一片10mm×10mm×0.5mm大小的c面藍寶石襯底，將襯底依次浸泡到丙酮、乙醇、去離子水中各超聲10分鐘，取出后再用去離子水沖洗，最后用干燥的N₂氣吹干，待用。將上述清洗干凈的藍寶石襯底放入沉積室，采用磁控濺射在其上生長一層為200nm的β-Ga₂O₃薄膜，以99.99％純度的Ga₂O₃陶瓷為靶材，薄膜的具體生長參數(shù)如下：背底真空為1×10^-4Pa，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa，襯底溫度為650℃，濺射功率為80W，濺射時間為2h。將上述制備的β-Ga₂O₃薄膜用鏤空的叉指電極掩膜板遮擋，采用磁控濺射方法先后濺射金屬Ti層(30nm)和Au層(70nm)獲得Au/Ti叉指電極，濺射工藝條件如下：背底真空為1×10^-4Pa，襯底溫度為室溫，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa，濺射功率為40W，Ti層的濺射時間為30s，Au層的濺射時間為70s。制備獲得純Ga₂O₃薄膜日盲光電探測器。

實例2：不同濃度Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜日盲光電探測器的制備

先取一片10mm×10mm×0.5mm大小的c面藍寶石襯底，將襯底依次浸泡到丙酮、乙醇、去離子水中各超聲10分鐘，取出后再用去離子水沖洗，最后用干燥的N₂氣吹干，待用。將上述清洗干凈的藍寶石襯底放入沉積室，采用磁控濺射在其上生長一層約為200nm的不同濃度Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜，以99.99％純度的Ga₂O₃陶瓷為母靶材，在Ga₂O₃靶材起輝圈周圍放置不同數(shù)量的Zn顆粒生長不同濃度Zn:Ga₂O₃薄膜(通過XPS對Zn:Ga₂O₃薄膜的測試，放置1，2，3，4，5，6個Zn顆粒時制備獲得的Zn:Ga₂O₃薄膜中Zn的摻雜濃度分別為0.69％，0.88％，0.96％，1.83％，2.49％，3.03％)，薄膜的具體生長參數(shù)如下：背底真空為1×10^-4Pa，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa，襯底溫度為650℃，濺射功率為80W，濺射時間為2h。將上述制備的Zn:Ga₂O₃薄膜用鏤空的叉指電極掩膜板遮擋，采用磁控濺射方法先后濺射金屬Ti層(30nm)和Au層(70nm)獲得Au/Ti叉指電極，濺射工藝條件如下：背底真空為1×10^-4Pa，襯底溫度為室溫，工作氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.8Pa，濺射功率為40W，Ti層的濺射時間為30s，Au層的濺射時間為70s。制備獲得不同濃度Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜日盲光電探測器。

圖1給出了純的及不同濃度Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜的XRD圖(a)及其對應的放大圖(b)，除去襯底的衍射峰外，有且僅有晶面族，說明所有的樣品都是沿著晶面擇優(yōu)生長的β相Ga₂O₃薄膜。從圖1(b)的放大圖可以看出，隨著Zn摻雜濃度的增加，的峰位逐漸左移，表明晶格常數(shù)不斷增大。這由于Zn離子摻雜取代Ga離子所引起的，因為Zn²⁺和Ga³⁺對應的離子半徑分別為0.74和Zn²⁺的離子半徑普遍要比Ga³⁺的離子半徑大。

圖2給出了純的及不同濃度Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜的紫外可見光吸收譜，從圖中可以看出，所有樣品的吸收峰都在260nm左右，具有明顯的日盲紫外光敏感特性。同時，隨著Zn摻雜濃度的增加，吸收邊逐漸紅移，帶隙也逐漸變小(圖2插圖)，這是由于ZnO的帶隙為3.2eV，比β-Ga₂O₃的4.9eV小。

圖3是用本發(fā)明方法制得的Ga₂O₃薄膜基MSM結構日盲紫外光電探測器的結構示意圖。純的及3.03at％Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜日盲光電探測器在黑暗，365nm及254nm(光強為15μW/cm²)光照下的I-V曲線在圖4中給出。在黑暗和365nm的光照下，純的及3.03at％Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜日盲光電探測器的電流都非常小，而在光強為15μW/cm²的254nm光照下，電流都迅速增加，展現(xiàn)出明顯的日盲光電特性。相比于純的Ga₂O₃薄膜，3.03at％Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜光電探測器電流增加更顯著。在10偏壓下，純Ga₂O₃薄膜光電探測器的電流從黑暗情況下的0.43nA增加至13nA，光暗比I₂₅₄/I_dark為30；而3.03at％Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜光電探測器從黑暗情況下的0.31nA增加至34nA，光暗比I₂₅₄/I_dark為110。圖5給出了兩個器件在10V偏壓及光強為15μW/cm²的254nm光照下通過不斷燈開燈關測得的I-t曲線。我們重復了多個I-t循環(huán)，該器件表現(xiàn)出很好的重復性。我們通過對I-t曲線進行擬合，純Ga₂O₃薄膜光電探測器的上升響應時間τ_r1/τ_r2和衰減時間τ_d1/τ_d2分別為3.39s/20.30s和0.60s/0.05；而3.03at％Zn摻雜的Zn:Ga₂O₃薄膜光電探測器的上升響應時間τ_r1/τ_r2和衰減時間τ_d1/τ_d2分別為1.95s/15.04s和0.25s。Zn摻雜的日盲光電探測器表現(xiàn)出更快的光響應時間。