一种Pt表面等离激元增强的Ga2O3SBD型日盲紫外光电探测器及其制备方法

一种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及超宽禁带化合物半导体技术领域和sbd型日盲紫外光电探测器领域，具体涉及一种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.相比于传统半导体si及各种宽禁带半导体材料，如氧化锌（zno）、氮化镓（gan）、金刚石、氮化铝（aln）、氮化硼（bn）、镓锌氧（gazno）和铝镓氮（algan），氧化镓（ga2o3）材料具有直接带隙和合适的超宽带隙（~4.9 ev）、高击穿强度及化学稳定性好等优势，这使得ga2o3材料被认为是日盲紫外（uv）光电探测器最理想和最优秀的候选者。近年来，ga2o3基uv光电探测器在军事和民用领域的应用前景表现出日益重要的趋势，逐渐受到各国研究人员的广泛关注。为了提升uv光电探测器的光电性能，各种结构的ga2o3基日盲光电探测器被设计和制备。
3.ga2o3基uv日盲光电探测器主要分为五大类：金属-半导体-金属（msm）类型、光电导类型、肖特基（schottky）二极管sbd、pn结和光电晶体管。msm类型由于存在背靠背的肖特基势垒而使光响应比较小；光电导类型由于持续的光电导效应的存在而使响应较慢；光电晶体管的制备工艺相对比较复杂；schottky二极管和pn结器件的暗电流小和响应快，但光响应度一般较小。相比其他几类器件，schottky二极管具有相对简单的制备工艺、较小的暗电流、较快的响应时间等综合优势受到越来越多的关注。近年来，各种优化schottky二极管光电性能的研究工作被广泛尝试。chen等人（acs appl. mater. interfaces, 2016, 8: 4185-4191）报导了au/β-ga2o3schottky结日盲uv光电探测器，au和ga2o3在接触界面上形成金属/半导体schottky接触，并在au好β-ga2o3界面形成内建电场和对应的耗尽区。由于耗尽区和内建电场的存在，该器件的暗电流小，响应快，但光响应小。liu等人（j.mater.chem.c,2019,7,13920）报导了ni/β-ga2o3sbd型日盲uv光电探测器，该器件在au和ga2o3的接触界面形成耗尽区和内建电场，因此，该器件也表现出暗电流小，响应快的优势，且该光电探测器实现了光响应度的提高。然而，sbd日盲uv光电探测目前仍存在光响应度小的挑战，对改善sbd光电探测器光电响应的研究具有重要意义。表面等离激元共振（spr）是金属表面的自由电子在特定频率的入射光的作用下发生集体振动的现象（nature mater., 2010, 9: 193-204）。当入射光的频率与金属纳米粒子的自由电子的振动频率相同时会产生共振，使金属纳米粒子周围的电场得到大幅增强，从而提升光与金属纳米粒子的相互作用（nature photonics, 2014, 8:95-103）。同时，金属纳米粒子也会使入射光的散射截面增加，这将会改善光与感光材料的相互作用，进一步增强光电探测器的光电响应。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲uv光电探测器及其制备方法，开发高性能的ga2o3日盲uv光电探测器。通过标准的半导体工艺在ga2o3纳
米带表面制备出特定尺寸的pt表面等离激元阵列，从而实现pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲uv光电探测器的制备。本发明的sbd型日盲紫外光电探测器具有极低的暗电流，超高的整流比，优异的光响应度，快速的响应时间，在军事、环境监测、医疗、通信和太空探测领域具有广泛的应用前景。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现。
6.本发明提供一种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲uv光电探测器，其包括si/sio2衬底、ga2o3纳米带、欧姆接触电极和肖特基接触电极；衬底上方为ga2o3纳米带，ga2o3纳米带上分布两种电极和pt表面等离激元阵列，其中一种为对称分布的欧姆接触电极，另一种为单独分布的肖特基接触电极，形成肖特基结，pt表面等离激元阵列均匀地分布在ga2o3纳米带上表面。
7.本发明中，衬底包括si片和sio2薄膜层，sio2薄膜层的厚度为100-500 nm，本征ga2o3纳米带的长度、宽度和厚度分别为5-50 μm、1-10 μm、50-500 nm。
8.本发明中，欧姆接触电极为ti/al/ni/au，ti的厚度为5-50 nm，al的厚度为30-200 nm，ni的厚度为10-100 nm，au的厚度为30-100 nm。
9.本发明中，肖特基接触电极为ni/au，ni的厚度为20-100 nm，au 的厚度为20-100 nm。
10.本发明中，pt表面等离激元的长度、宽度和厚度分别为20-100nm、20-100nm、10-50 nm。
11.本发明进一步提供上述pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲uv光电探测器的制备方法，包括以下步骤：（1）在si片上生长表面粗糙度小、绝缘性好、缺陷密度少的sio2薄膜，得到si/sio2衬底；（2）在步骤（1）得到的衬底的sio2薄膜表面，采用紫外光刻定义出对准标记的图案，并通过电子束蒸发和剥离工艺在sio2薄膜的表面制备出金属标记；（3）将单晶ga2o3纳米带机械剥离并转移到步骤（2）得到的带有标记的sio2薄膜表面；（4）在步骤（3）获得的结构表面，采用电子束光刻图案化出ga2o3纳米带的接触电极区域，并通过电子束蒸发、剥离（liftoff）工艺，在ga2o3纳米带表面制备出对称分布的接触电极；（5）对步骤（4）得到的接触电极，在特定的气体环境和温度下进行快速退火处理以形成金/半欧姆接触；（6）在步骤（5）得到的msm型光电探测器的ga2o3纳米带的表面，采用电子束光刻图案化出单独分布的肖特基接触电极区域，并通过电子束蒸发、liftoff工艺在ga2o3纳米带表面进一步制备出肖特基接触电极；（7）在步骤（6）获得的ga2o3sbd型紫外光电探测器的ga2o3表面，采用电子束光刻、电子束蒸发和liftoff工艺在ga2o3纳米带表面进一步制备出pt表面等离激元阵列。
12.上述步骤（1）中，采用等离子增强化学气相沉积（pecvd）在si衬底（100）上生长sio2薄膜，sio2薄膜的厚度为100-500 nm。
13.上述步骤（2）中，标记金属为ti/au，ti的厚度为20-50 nm，au的厚度为20-100 nm，
标记金属也可为cr/au、ni/au、au、w或pt中的任意一种。
14.上述步骤（3）中，光区熔法制得单晶ga2o3纳米带，表征ga2o3纳米带的长度、宽度和厚度分别为5-50 μm、1-10 μm和50-500 nm。
15.上述步骤（4）中，ga2o3纳米带的接触电极区域的横向尺寸为1-5 μm，对称分布接触电极为ti/al/ni/au，ti的厚度为5-50 nm，al的厚度为30-200 nm，ni的厚度为10-100 nm，au的厚度为30-100 nm。
16.上述步骤（5）中，快速退火的气氛为氮气或氩气，退火温度为450-550 ℃，退火时间为1-3 min。
17.上述步骤（6）中，肖特基接触电极为ni/au，横向尺寸为1-3 μm，ni的厚度为20-100 nm，au的厚度为20-100 nm。
18.上述步骤（7）中，pt等离激元的横向尺寸为20-100 nm，厚度为10-50 nm，间距为对应的20-100 nm。
19.本发明的原理如下：本发明的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，通过将单晶ga2o3纳米带转移到带有标记sio2薄膜上形成sbd光电探测器，并通过电子束光刻、电子束蒸发、liftoff工艺在ga2o3纳米带的表面制备出特定尺寸的pt表面等离激元阵列。在负向偏压下，pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器的耗尽区势垒进一步变大，耗尽区展宽，导致器件的暗电流变小、响应时间变快。当光入射时，入射光被 pt 纳米粒子耦合并以电磁波的形式穿过纳米粒子的横截面，从而提高了ga2o3薄膜对入射光的吸收。此外，pt纳米粒子内部自由电子的频率与入射光频率接近时，产生局部表面等离子体共振（spr）现象，导致光生载流子密度和能量的增强，从而使器件产生更多的光生载流子，实现光响应的增强。
20.和现有技术相比，本发明的有益效果在于：1）引入了pt表面等离子激元，制备了具有增强光响应的sbd型日盲uv光电探测器；制备pt表面等离激元阵列的工艺可重复。
21.2）采用光区熔法制得高质量单晶ga2o3薄膜，并在负向偏压下进行光电探测，使金属与ga2o3的功函数差距进一步扩大。
22.3）通过机械剥离制备的ga2o3纳米带的尺寸小，实现了小型化器件的设计与制备。
附图说明
23.图1为本发明的实施例的si/sio2衬底结构示意图。
24.图2为本发明的实施例的紫外光刻的示意图。
25.图3为本发明的实施例的金属对准标记的示意图。
26.图4为本发明的实施例的转移ga2o3纳米带后的结构示意图。
27.图5为本发明的实施例的ga2o3的对称分布接触电极电子束光刻的示意图。
28.图6为本发明的实施例的ga2o3的对称分布接触电极在快速热退火（rtp）形成欧姆接触后的结构示意图。
29.图7为本发明的实施例的ga2o3的肖特基接触电极电子束光刻的示意图。
30.图8为本发明的实施例的ga2o3的肖特基接触电极liftoff后的示意图。
31.图9为本发明的实施例的pt等离激元阵列电子束光刻的示意图。
32.图10为本发明的实施例的pt等离激元阵列liftoff后的示意图。
33.图11为本发明的实施例的器件在暗态下的电流-电压曲线。
34.图12为本发明的实施例的器件和无pt等离激元的器件的光响应曲线。
35.图13为本发明的实施例的器件和无pt等离激元的器件的响应时间曲线。
具体实施方式
36.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合实施例及附图对本发明一种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器及其制备方法作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
37.实施例1一种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，其制备步骤如下：（1）采用pecvd在4inch si（100）衬底上生长100 nmsio2薄膜，获得表面粗糙度小、绝缘性好的sio2薄膜，所得结构如图1所示。
38.（2）在步骤（1）得到的sio2薄膜表面，采用紫外光刻图案化出对准标记，并通过电子束蒸发（ebe）、剥离工艺，在薄膜表面制备出金属标记ti（20 nm）/au（50 nm），所得的结构如图2和图3所示。
39.（3）将光区熔法制得的单晶ga2o3纳米带机械剥离（acs appl. mater. interfaces 2020, 12, 8437-8445）并转移到步骤（1）得到的带有标记的sio2薄膜表面，使ga2o3纳米带平整地附着在sio2薄膜表面，ga2o3纳米带的长、宽和高分别为10 μm、3μm和200 nm，所得结构如4所示。
40.（4）在步骤（3）获得的结构表面，采用电子束光刻（ebl）图案化出ga2o3纳米带的接触电极区域，该电极区域的横向尺寸为2 μm，并通过ebe、liftoff工艺，在ga2o3纳米带表面制备出对两个对称分布的金属接触电极，电极结构为ti（10nm）/al（100nm）/ni（30 nm）/au（50 nm），并在450 ℃的n2中快速退火3 min形成金/半欧姆接触，所得结构如图5和6所示。
41.（5）在步骤（4）获得的ga2o3纳米带表面，采用电ebl图案化出肖特基接触电极区域，该电极区域的横向尺寸为2 μm，并通过ebe、liftoff工艺，在ga2o3纳米带表面制备出肖特基接触电极，电极结构为ni（30 nm）/au（50 nm），所得结构如图7和8所示。
42.（6）在步骤（5）获得到的ga2o3纳米带表面，采用ebl图案化出pt表面等离激元阵列区域，并通过电ebe、liftoff工艺在ga2o3纳米带表面制备出pt表面等离激元阵列，pt等离激元的横向尺寸为50nm，厚度为20nm，间距为对应的50nm。所得结构如图9和10所示的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲uv光电探测器。
43.本实施例制备的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器基于构建的肖特基结。器件在无光照下的电流-电压曲线如图11所示，其中pn结的整流比为~1-9
×
105（i
7 v
/i-1.3 v
），其在-3.5 v偏压下的暗电流为~1-50pa，该性能在已报导的sbd型日盲uv光电探测器中相当有竞争力。器件在不同光强下的光响应度曲线如图12所示，在光强为40 mw/cm2的254 nm光照下，相比无pt表面等离激元的ga2o
3 sbd型光电探测器，pt表面等离激元增强的器件的光响应度达到~357.4 a/w，提升了~30倍。此外，pt表面等离激元增强的器件的响应时间图如图13所示。该器件的上升时间（τr）和下降时间（τf）分别为~97.2和~
78.6ms，其τf比无pt表面等离激元器件的τf提升了~1.44倍。这种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器可以实现暗电流小、响应快和光响应度大的统一，给ga2o3光电器件和通信器件的设计带来新的可能，同时该器件具有很好的整流效应，适合制备高性能ga2o3整流器等器件。另外，由于该器件耐击穿和热稳定性好，适合制备高性能ga2o3功率器件。
44.实施例2一种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，其制备步骤如下：（1）采用pecvd在4inch si（100）衬底上生长300 nmsio2薄膜，获得表面粗糙度小、绝缘性好的sio2薄膜，所得结构如图1所示。
45.（2）在步骤（1）得到的sio2薄膜表面，采用紫外光刻图案化出对准标记，并通过电子束蒸发（ebe）、剥离工艺，在薄膜表面制备出金属标记ti（30 nm）/au（80 nm），所得的结构如图2和图3所示。
46.（3）将光区熔法制得的单晶ga2o3纳米带机械剥离并转移到步骤（1）得到的带有标记的sio2薄膜表面，使ga2o3纳米带平整地附着在sio2薄膜表面， ga2o3纳米带的长、宽和高分别为15μm、2μm和250 nm，所得结构如4所示。
47.（4）在步骤（3）获得的结构表面，采用电子束光刻（ebl）图案化出ga2o3纳米带的接触电极区域，该电极区域的横向尺寸为3μm，并通过ebe、liftoff工艺，在ga2o3纳米带表面制备出对两个对称分布的金属接触电极，电极结构为ti（10 nm）/al（100 nm）/ni（30 nm）/au（50 nm），并在500 ℃的n2中快速退火2 min形成金/半欧姆接触，所得结构如图5和6所示。
48.（5）在步骤（4）获得的ga2o3纳米带表面，采用电ebl图案化出肖特基接触电极区域，该电极区域的横向尺寸为3μm，并通过ebe、liftoff工艺，在ga2o3纳米带表面制备出肖特基接触电极，电极结构为ni（50 nm）/au（100nm），所得结构如图7和8所示。
49.（6）在步骤（5）获得到的ga2o3纳米带表面，采用ebl图案化出pt表面等离激元阵列区域，并通过电ebe、liftoff工艺在ga2o3纳米带表面制备出pt表面等离激元阵列，pt等离激元的横向尺寸为90 nm，厚度为40 nm，间距为对应的90 nm。所得结构如图9和10所示的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲uv光电探测器。
50.本实施例制备的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器所具有的性能特点与实施例1类似，在此不再赘述。
51.本发明采用上述实施例为本发明的优选实施方式，并不用来限制本发明的保护范围，其他的任何未背离本发明的实质与原理下所作的修饰、改变、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1. 一种pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，其特征在于，其包括si/sio2衬底、ga2o3纳米带、欧姆接触电极、肖特基接触电极和pt表面等离激元阵列；si/sio2衬底上方为ga2o3纳米带，欧姆接触电极对称分布在ga2o3纳米带的两端，肖特基接触电极单独分布在ga2o3纳米带的上表面，形成肖特基结， pt表面等离激元阵列均匀分布在ga2o3纳米带上表面。2. 根据权利要求1所述的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，其特征在于，si/sio2衬底中包括si片和sio2薄膜层，sio2薄膜层的厚度为100-500 nm，本征ga2o3纳米带的长度、宽度和厚度分别为5-50 μm、1-10 μm、50-500 nm。3. 根据权利要求1所述的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，其特征在于，欧姆接触电极为ti/al/ni/au，ti的厚度为5-50 nm，al的厚度为30-200 nm，ni的厚度为10-100 nm，au的厚度为30-100 nm。4. 根据权利要求1所述的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，其特征在于，肖特基接触电极为ni/au，ni的厚度为20-100 nm，au 的厚度为20-100 nm。5. 根据权利要求1所述的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，其特征在于，pt表面等离激元的长度、宽度和厚度分别为20-100nm、20-100nm、10-50 nm。6. 根据权利要求1所述的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器，其特征在于，该sbd型紫外光电探测器的整流比达到1
×
10
5-9
×
105（i
7 v
/i-1.3 v
），其在-3.5 v偏压下的暗电流为1-50pa，在光强为40-320μw/cm2的254 nm光照下，光响应度达到1
×
10
2-5
×
10
2 a/w，响应时间的上升时间τ
r
和下降时间τ
f
分别为90-98和60-80ms。7. 一种根据权利要求1所述的pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）在si片上生长表面粗糙度小、绝缘性好的sio2薄膜，得到si/sio2衬底；（2）在步骤（1）得到的衬底的sio2薄膜表面，采用紫外光刻图案化出对准标记，再通过电子束蒸发和剥离工艺，在薄膜表面制备出金属标记；（3）将单晶ga2o3纳米带机械剥离并转移到步骤（2）得到的带有金属标记的sio2薄膜表面，使ga2o3纳米带平整地附着在sio2薄膜表面；（4）在步骤（3）获得的结构表面，采用电子束光刻图案化出ga2o3纳米带的接触电极区域，再通过电子束蒸发和剥离工艺，在ga2o3纳米带的两端制备出对称分布的接触电极；（5）对步骤（4）得到的接触电极进行快速退火以形成欧姆接触，制得具有光电导工作模式的ga2o3金属-半导体-金属msm型紫外光电探测器；（6）在步骤（5）得到的光电探测器的ga2o3纳米带的表面，采用电子束光刻图案化出单独分布的肖特基接触电极区域，在通过电子束蒸发和剥离工艺，在msm型紫外光电探测器的ga2o3纳米带表面制备出肖特基接触电极，制得具有光伏工作模式的ga2o3sbd型紫外光电探测器；（7）在步骤（6）获得的ga2o3sbd型紫外光电探测器的ga2o3表面，采用电子束光刻图案化出pt表面等离激元阵列区域，再通过电子束蒸发和剥离工艺，在ga2o3纳米带表面制备出pt表面等离激元阵列，得到pt表面等离激元增强的ga2o
3 sbd型日盲紫外光电探测器。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，采用等离子增强化学气相沉积技术制备si/sio2衬底，sio2薄膜的厚度为
100-500 nm；步骤（2）中，标记金属为ti/au、cr/au、ni/au、au、w或pt中的任意一种；步骤（3）中，单晶ga2o3纳米带通过光区熔法生长，本征ga2o3纳米带的长度、宽度和厚度分别为5-50 μm、1-10 μm和50-500 nm；步骤（4）中，ga2o3纳米带的接触电极区域的横向尺寸为1-5 μm，对称分布接触电极为ti/al/ni/au，ti的厚度为5-50 nm，al的厚度为30-200 nm，ni的厚度为10-100 nm，au的厚度为30-100 nm；步骤（5）中，快速退火的气氛为氮气或氩气，退火温度为450-550 ℃，退火时间为1-3 min；步骤（6）中，肖特基接触电极为ni/au，横向尺寸为1-3 μm，ni的厚度为20-100 nm，au的厚度为20-100 nm；步骤（7）中，pt等离激元的横向尺寸为20-100 nm，厚度为10-50 nm，间距为对应的20-100 nm。

技术总结
本发明公开了一种Pt表面等离激元增强的Ga2O


技术研发人员：卢红亮 曾光
受保护的技术使用者：复旦大学义乌研究院
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/15