阅读说明：本技术 MgGa2O4紫外探测器及其制备方法 (MgGa2O4Ultraviolet detector and preparation method thereof ) 是由 刘可为 侯其超 申德振 陈星� 张振中 李炳辉 于 2020-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种MgGa<Sub>2</Sub>O<Sub>4</Sub>紫外探测器及其制备方法,其中的方法包括：S1、以有机镁化合物作为镁源,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的表面生长MgGa<Sub>2</Sub>O<Sub>4</Sub>薄膜；S2、在MgGa<Sub>2</Sub>O<Sub>4</Sub>薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜,在叉指电极掩膜溅射金属后将叉指电极掩膜去除,形成叉指电极；S3、在叉指电极上按压In粒,得到MSM结构的MgGa<Sub>2</Sub>O<Sub>4</Sub>紫外探测器。与现有技术相比,本发明使用金属有机化合物化学气相沉积法制备MgGa<Sub>2</Sub>O<Sub>4</Sub>薄膜,通过增加氧气流量、增加氧分压、减少氧缺陷的方式,使得制备的MgGa<Sub>2</Sub>O<Sub>4</Sub>薄膜具有结晶质量高、不出现分相、吸收截止边陡峭等特点,进而使包含MgGa<Sub>2</Sub>O<Sub>4</Sub>薄膜的紫外探测器具有较低的暗电流和较快的光响应速度。(The invention provides MgGa 2 O 4 An ultraviolet detector and a preparation method thereof, wherein the method comprises the following steps: s1, growing MgGa on the surface of the substrate by using an organic magnesium compound as a magnesium source, an organic gallium compound as a gallium source and high-purity oxygen as an oxygen source and by using a metal organic compound chemical vapor deposition method 2 O 4 A film; s2 in MgGa 2 O 4 Forming an interdigital electrode mask on the film by using negative photoresist photoetching, and removing the interdigital electrode mask after sputtering metal on the interdigital electrode mask to form an interdigital electrode; s3, pressing In particles on the interdigital electrode to obtain MgGa with an MSM structure 2 O 4 An ultraviolet detector. Compared with the prior art, the invention uses goldBelonging to the chemical vapor deposition method of organic compounds to prepare MgGa 2 O 4 The film is prepared by increasing the oxygen flow, increasing the oxygen partial pressure and reducing the oxygen defect 2 O 4 The film has the characteristics of high crystallization quality, no phase separation, steep absorption cut-off edge and the like, thereby leading the film to contain MgGa 2 O 4 The ultraviolet detector of the thin film has lower dark current and faster light response speed.)

MgGa2O4紫外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体紫外探测技术领域，特别涉及一种MgGa₂O₄紫外探测器及其制备方法。

背景技术

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的紫外辐射由于受到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，可应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、工作时无需滤光片、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。

MgGa₂O₄是MgO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4.9-7.8eV之间，在原理上可以应用于158-253nm范围内的紫外光电器件。MgGa₂O₄与ZnMgO相比，可以避免结构分相问题；MgGa₂O₄与Ga₂O₃相比，可以实现电学特性调控，提升导电性。又由于MgGa₂O₄具有很好的稳定性及抗辐射能力，较低的暗电流等优势。因此，MgGa₂O₄是制备日盲紫外探测器的候选材料。

通常采用脉冲激光沉积和射频磁控溅射制备MgGa₂O₄薄膜。这两种方法制备的MgGa₂O₄薄膜晶体质量不高，缺陷态较多，导致制备的紫外探测器暗电流较大且光响应速度较低。

发明内容

为了解决脉冲激光沉积和射频磁控溅射制备的MgGa₂O₄薄膜晶体质量不高、缺陷态较多导致紫外探测器的暗电流较大、光响应度较低的问题，本发明提出一种MgGa₂O₄紫外探测器及其制备方法，使用金属有机化合物化学气相沉积法制备MgGa₂O₄薄膜，使MgGa₂O₄薄膜具有结晶质量高、不出现分相、吸收截止边陡峭的优点，进而使包含MgGa₂O₄薄膜的紫外探测器具有较低的暗电流和较快的光响应速度。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种MgGa₂O₄紫外探测器，包括从下至上依次叠加的衬底、 MgGa₂O₄薄膜和叉指电极。

优选地，MgGa₂O₄薄膜为尖晶石结构。

优选地，MgGa₂O₄薄膜的吸收截止边为230～280nm，MgGa₂O₄紫外探测器的光响应截止边为230～270nm。

本发明还提供一种MgGa₂O₄紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：

S1、以有机镁化合物作为镁源，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的表面生长MgGa₂O₄薄膜；

S2、在MgGa₂O₄薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，在叉指电极掩膜溅射金属后将叉指电极掩膜去除，形成叉指电极；

S3、在叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的MgGa₂O₄紫外探测器。

优选地，高纯氧气的流速为500～800sccm。

优选地，有机镁化合物为二甲基二茂镁和/或二乙基二茂镁；有机镓化合物为三甲基镓和/或三乙基镓。

优选地，有机镓化合物以高纯氮气为载气，载气流速为10～40sccm；有机镁化合物以高纯氮气为载气，其载气流速为5～20sccm。

优选地，在步骤S2中，溅射电流为5～8mA。

优选地，步骤S2中，采用超声波去除叉指电极掩膜，超声时间为3～5min。

优选地，在步骤S1之后还包括退火处理步骤，具体如下：将MgGa₂O₄薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为8～12sccm，以0.2～0.4℃/s的升温速率将退火炉的炉温升至600～800℃，经5～10min后，从退火炉中取出MgGa₂O₄薄膜。

本发明能够取得以下技术效果：

使用金属有机化合物化学气相沉积法制备MgGa₂O₄薄膜，通过增加氧气流量、增加氧分压、减少氧缺陷的方式，使得制备的MgGa₂O₄薄膜具有结晶质量高、不出现分相、吸收截止边陡峭等特点，进而使包含MgGa₂O₄薄膜的紫外探测器具有较低的暗电流和较快的光响应速度。

附图说明

图1为本发明提供的MgGa₂O₄紫外探测器的结构示意图；

图2为本发明提供的MgGa₂O₄紫外探测器的制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例1的MgGa₂O₄薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；

图4为本发明实施例1的MgGa₂O₄薄膜的X射线能谱分析谱图；

图5为本发明实施例1的MgGa₂O₄紫外探测器的电流-电压特性曲线图；

图6为本发明实施例1的MgGa₂O₄紫外探测器的电流-时间特性曲线图；

图7为本发明实施例2的MgGa₂O₄薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；

图8为本发明实施例2的MgGa₂O₄薄膜的X射线能谱分析谱图；

图9为本发明实施例2的MgGa₂O₄紫外探测器的电流-电压特性曲线图；

图10为本发明实施例2的MgGa₂O₄紫外探测器的电流-时间特性曲线图；

图11为本发明实施例3的MgGa₂O₄薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；

图12为本发明实施例3的MgGa₂O₄薄膜的X射线能谱分析谱图；

图13为本发明实施例3的MgGa₂O₄紫外探测器的电流-电压特性曲线图；

图14为本发明实施例3的MgGa₂O₄紫外探测器的电流-时间特性曲线图。

其中的附图标记包括：衬底1、MgGa₂O₄薄膜2、叉指电极3、In粒4。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

以下将结合附图对本发明提供的方案进行详细描述。

图1示出了本发明提供的MgGa₂O₄紫外探测器的结构。

如图1所示，本发明提供的MgGa₂O₄紫外探测器，包括：按照从下至上的顺序依次叠加的衬底1、MgGa₂O₄薄膜2和叉指电极3，在叉指电极3上按压有In粒4。

衬底1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。

MgGa₂O₄薄膜2为尖晶石结构，属于直接带隙半导体，禁带宽度在3.4～ 7.8eV之间，使MgGa₂O₄紫外探测器能够实现更短波段的探测。

MgGa₂O₄薄膜2的光吸收截止边为230～280nm，且吸收截止边十分陡峭。

MgGa₂O₄薄膜2的厚度为100～600nm。

MgGa₂O₄紫外探测器的光响应截止边为230～270nm。

MgGa₂O₄薄膜2的制备方法为：利用金属有机化合物化学气相沉积 (MOCVD)设备，以有机镁化合物作为镁源，有机镓化合物作为镓源，在过量氧气氛围下，加热衬底到一定温度，在衬底上生长MgGa₂O₄薄膜。

叉指电极3的制备方法为：在MgGa₂O₄薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，用小型镀膜机在叉指电极掩膜上溅射金属，然后通过超声等方式去除叉指电极掩膜，形成叉指电极。

上述内容详细说明了本发明提供的MgGa₂O₄紫外探测器的结构。与上述 MgGa₂O₄紫外探测器相对应，本发明还提供一种MgGa₂O₄紫外探测器的制备方法。

图2示出了如本发明提供的MgGa₂O₄紫外探测器的制备方法的流程。

如图2所示，本发明提供的MgGa₂O₄紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：

S1、以有机镁化合物作为镁源，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的表面生长MgGa₂O₄薄膜。

将衬底移入MOCVD设备的生长腔中，调节生长腔的起始温度到500～ 800℃，生长腔的真空度为1×10³Pa～4×10³Pa，通入的高纯氧气的流速为500～ 800sccm，生长时间为1～1.5h。

本发明通过增加氧气流量、增加氧分压、减少氧缺陷的方式，使得制备的MgGa₂O₄薄膜具有结晶质量高、不出现分相、吸收截止边陡峭等特点，进而使 MgGa₂O₄紫外探测器具有较低的暗电流和较快的光响应速度。

有机镁化合物以高纯氮气为载气，其载气流速为5～20sccm；有机镓化合物以高纯氮气为载气，其载气流速为10～40sccm。

有机镁化合物为二甲基二茂镁和/或二乙基二茂镁；有机镓化合物为三甲基镓和/或三乙基镓。

在步骤S1之前，还可以包括如下步骤：

S0、对衬底进行清洗。

使用三氯乙烯、丙酮和乙醇依次清洗衬底，然后用干燥的氮气吹干。

S0为可选步骤，如果衬底干净，可以不进行此步骤。

在步骤S1之后还包括对MgGa₂O₄薄膜进行退火处理的步骤，具体如下：

将MgGa₂O₄薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为8～12sccm，以 0.2～0.4℃/s的升温速率将退火炉的炉温升至600～800℃，经5～10min后，从所述退火炉中取出MgGa₂O₄薄膜。

对MgGa₂O₄薄膜进行氧气退火处理，可以增加MgGa₂O₄薄膜的性能，从而增加MgGa₂O₄紫外探测器的性能，使MgGa₂O₄紫外探测器具有更低的暗电流和更快的光响应速度。

S2、在MgGa₂O₄薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，在叉指电极掩膜溅射金属后将叉指电极掩膜去除，形成叉指电极。

在MgGa₂O₄薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，用小型镀膜机在叉指电极掩膜上溅射金属(例如：金和银)，然后去除叉指电极掩膜，形成叉指电极。

小型镀膜机的溅射电流为5～8mA。

去除叉指电极掩膜的方式可以为超声波等方式，超声时间为3～5min，形成叉指电极的厚度为20～40nm。

S3、在叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的MgGa₂O₄紫外探测器。

下面以几个具体实施例对本发明提供的MgGa₂O₄紫外探测器的制备方法及其性能进行详细说明。

实施例1

将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD设备的生长腔内，调节生长温度到 800℃，压强为4000Pa。使用二甲基二茂镁作为镁源，三甲基镓作为镓源，镁源的载气流速为5sccm，镓源的载气流速为10sccm，高纯氧气的流速为500sccm，远大于镁源和镓源的流速，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MgGa₂O₄薄膜。

将MgGa₂O₄薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为12sccm，以0.4℃/s 的升温速率将退火炉的炉温升至800℃，经10min后，从退火炉中取出 MgGa₂O₄薄膜。

在MgGa₂O₄薄膜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。将光刻有叉指电极掩膜的MgGa₂O₄薄膜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，然后通过超声去除叉指电极掩膜获得叉指电极，在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的MgGa₂O₄紫外探测器。

对实施例1中得到的MgGa₂O₄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3中可以看出，制备的MgGa₂O₄薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在245nm左右，对应于日盲紫外波段。

对实施例1中得到的MgGa₂O₄薄膜进行EDS测试，得到其图谱如图4所示，从图4中可以看出，制备的MgGa₂O₄薄膜中镁元素和镓元素同时存在，且两者的比例大约为7：3。

对实施例1中得到的MgGa₂O₄紫外探测器进行暗态下和254nm光照下的电流-电压特性和I-T特性测试，得到其图谱分别如图5和图6所示。从图5和图6 中可以看出，制备的MgGa₂O₄紫外探测器在10V下的暗电流约为8pA，光电流为0.65mA，光暗抑制比为8×10⁷，且光响应速度较快，说明制备的MgGa₂O₄紫外探测器具有较高的电学性能。

实施例2

将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD设备的生长腔内，调节生长温度到 700℃，压强为3000Pa。使用二乙基二茂镁作为镁源，三乙基镓作为镓源，镁源的载气流速为20sccm，镓源的载气流速为40sccm，高纯氧气的流速为800sccm，远大于镁源和镓源的流速，生长1.3h，关闭有机源和氧气，以0.5℃/s降低衬底温度到室温，得到MgGa₂O₄薄膜。

将MgGa₂O₄薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为8sccm，以0.2℃/s 的升温速率将退火炉的炉温升至600℃，恒定该温度5min后，从退火炉中移出MgGa₂O₄薄膜。

在MgGa₂O₄薄膜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。将光刻有叉指电极掩膜的MgGa₂O₄薄膜放入到小型镀膜机中，在压强为8Pa的条件下，电流为5mA，溅射金属金，然后通过超声去除叉指电极掩膜获得叉指电极，在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的MgGa₂O₄紫外探测器。

对实施例2中得到的MgGa₂O₄薄膜进行紫外～可见光吸收光谱测试，得到其图谱如图7所示，从图7中可以看出，制备的MgGa₂O₄薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在248nm左右，位于日盲紫外波段。

对实施例2中得到的MgGa₂O₄薄膜进行EDS测试，得到其图谱如图8所示，从图8中可以看出，制备的MgGa₂O₄薄膜中镁元素和镓元素同时存在，且两者的比例大约为17：8。

对实施例2中得到的MgGa₂O₄紫外探测器进行暗态下和254nm光照下的电流-电压特性和I-T特性测试，得到其图谱分别如图9和图10所示。从图9和图 10中可以看出，制备的MgGa₂O₄紫外探测器在10V下的暗电流约为6pA，光电流为280nA，光暗抑制比为4.7x10⁴。

实施例3

将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD设备的生长腔内，调节生长温度到 600℃，压强为1000Pa。使用二甲基二茂镁和二乙基二茂镁作为镁源，三甲基镓和三乙基镓作为镓源，镓源的载气流速为25sccm，镁源的载气流速为13sccm，高纯氧气的流速为600sccm，远大于镁源和镓源的流速，生长1.5h，关闭有机源和氧气，以0.4℃/s降低衬底温度到室温，得到MgGa₂O₄薄膜。

将MgGa₂O₄薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为9sccm，以0.3℃/s 的升温速率将退火炉的炉温升至700℃，恒定该温度7min后，从退火炉中移出MgGa₂O₄薄膜。

在MgGa₂O₄薄膜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。将光刻有叉指电极掩膜的MgGa₂O₄薄膜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，然后通过超声去除叉指电极掩膜获得叉指电极，在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的MgGa₂O₄紫外探测器。

对实施例3中得到的MgGa₂O₄薄膜进行紫外～可见光吸收光谱测试，得到其图谱如图11所示，从图11中可以看出，制备的MgGa₂O₄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，位于日盲紫外波段。

对实施例3中得到的MgGa₂O₄薄膜进行EDS测试，得到其图谱如图12所示，从图12中可以看出，制备的MgGa₂O₄薄膜中镁元素和镓元素同时存在，且两者的比例大约为17：3。

对实施例3中得到的MgGa₂O₄紫外探测器进行暗态下和254nm光照下的电流-电压特性和I-T特性测试，得到其图谱分别如图13和图14所示。从图13和图14中可以看出，制备的MgGa₂O₄紫外探测器在10V下的暗电流约为4pA，光电流为0.5mA，光暗抑制比为1.3x10⁸且光响应速度较快，说明制备的MgGa₂O₄紫外探测器具有较高的电学性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何如本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。