阅读说明：本技术 一种基于氧化镓的三维日盲光电探测器 (Three-dimensional solar blind photoelectric detector based on gallium oxide ) 是由 单崇新 卢英杰 陈彦成 杨珣 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明的提出了一种基于氧化镓的三维日盲光电探测器,为高性能3D日盲光电探测器的制备和研究奠定基础。本发明是按照下述步骤进行的：(1)清洗柔性衬底；(2)采用射频磁控溅射技术在柔性衬底上室温沉积a-Ga<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>薄膜；(3)在a-Ga<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>薄膜上利用热蒸发技术在上面蒸发一层金属薄膜；(4)采用光刻技术在有金属薄膜的a-Ga<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>上制备电极,得到具有MSM结构的2D光电探测器阵列；(5)采用剪切折叠技术,把2D光电探测器阵列制备成3D光电探测器。本发明利用简单的剪切和折叠技术制备3D日盲光电探测器。该制备方法工艺简单、成本低廉,而且选用非晶Ga<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>作为日盲光响应层,有效改善了在弯折过程中,功能材料的断裂和脱离现象。(The invention provides a three-dimensional solar blind photoelectric detector based on gallium oxide, which lays a foundation for the preparation and research of a high-performance 3D solar blind photoelectric detector. The invention is carried out according to the following steps: (1) cleaning the flexible substrate; (2) depositing a-Ga on a flexible substrate at room temperature by adopting radio frequency magnetron sputtering technology 2 O 3 A film; (3) in a-Ga 2 O 3 Evaporating a layer of metal film on the film by using a thermal evaporation technology; (4) using photolithography technique on a-Ga with metal film 2 O 3 Preparing an electrode to obtain a 2D photoelectric detector array with an MSM structure; (5) and preparing the 2D photoelectric detector array into a 3D photoelectric detector by adopting a shearing and folding technology. The invention is beneficialThe 3D solar blind photodetector is prepared by using a simple shearing and folding technology. The preparation method has simple process and low cost, and selects amorphous Ga 2 O 3 As a solar blind light response layer, the fracture and separation phenomena of the functional material in the bending process are effectively improved.)

一种基于氧化镓的三维日盲光电探测器

技术领域

本发明属于光电器件制备领域，具体涉及一种基于氧化镓的三维光电探测器及其制备方法。

背景技术

具有三维(3D)结构的光电探测器作为一种新兴的光电器件，扩展了传统二维(2D)光电探测器的应用范围。3D光电探测器可以实现许多独特的性能，例如极宽的探测空间角度和优异的空间识别能力等，这些都是传统2D光电探测器无法实现的。然而，3D结构的光电子器件往往受限于功能材料本身在生长过程中无法自身形成所需的3D结构。随着柔性电子器件技术的发展，3D光电探测器可以采用剪切/折纸(origami/kirigami)技术制造。然而，功能材料在制备过程中通常需要高温生长，而柔性衬底的最高工作温度为150℃，这就限制了很多材料实现3D探测器的制备。目前为止，只有基于MoS₂和钙钛矿的可见光3D光电探测器被报道，关于紫外(UV)光3D光电探测器尚未实现。日盲光电探测器具有低背景噪声和高灵敏度的独特优势，可用于空间通信，火焰探测，导弹制导和臭氧监测等领域。氧化镓(Ga₂O₃)的禁带宽度在4.4～5.1eV之间，对应的吸收截止波长为240～280nm，覆盖了大部分日盲光区域，是日盲光电探测器的理想选择。

目前，报道的结晶Ga₂O₃基光电探测器大多制备在刚性无机衬底上，且生长温度在400℃以上，不适合制备柔性器件，因此限制了3D Ga₂O₃基日盲光电探测器的研究和应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有日盲光电探测器无法制备出3D结构的问题，提出了一种基于氧化镓的三维日盲光电探测器，该探测器是一种基于磁控溅射生长在柔性衬底上的a-Ga₂O₃的3D日盲光电探测器，为高性能3D日盲光电探测器的制备和研究奠定基础。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于氧化镓的三维日盲光电探测器，是按照下述步骤进行的：

(1)清洗柔性衬底；

(2)采用射频磁控溅射技术在柔性衬底上室温沉积a-Ga₂O₃薄膜；

(3)在a-Ga₂O₃薄膜上利用热蒸发技术在上面蒸发一层金属薄膜；

(4)采用光刻技术在有金属薄膜的a-Ga₂O₃上制备电极，得到具有MSM结构的2D光电探测器阵列；

(5)采用剪切折叠技术，把2D光电探测器阵列制备成3D光电探测器。

优选的，步骤(1)中的柔性衬底为PET衬底，厚度为0.125毫米。

优选的，步骤(2)中射频磁控溅射所用的靶材为Ga₂O₃陶瓷靶，溅射气体为氩气和氧气混合气体。

优选的，步骤(3)中制备的金属薄膜为金薄膜，厚度为60～80纳米。

优选的，步骤(4)中所用的制备的电极为叉指状，叉指宽度和指间距离均为5微米，指长为250微米，共5对。

优选的，步骤(5)中所制备的3D光电探测器为半径为4微米的半球状。

本发明利用简单的剪切和折叠技术制备3D日盲光电探测器。该制备方法工艺简单、成本低廉，而且选用非晶Ga₂O₃作为日盲光响应层，有效改善了在弯折过程中，功能材料的断裂和脱离现象。这种高性能的3D日盲光电探测器将会有很大的潜在应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的3D日盲光电探测器示意图和单个像素的放大图。

图2为本发明所述的3D日盲光电探测器制备示意图。

图3为使用磁控溅射在PET衬底上制备的a-Ga₂O₃薄膜的扫描电镜图。

图4为使用磁控溅射制备的a-Ga₂O₃的紫外/可见吸收光谱。

图5为3D日盲光电探测器在偏压下的响应度曲线。

图6为实施例1中3D日盲光电探测器在测试旋转运动着的光源时，器件输出端对应各像素电流随时间变化曲线。

图7为实施例2中3D日盲光电探测器在测试水平运动着的光源时，器件输出端对应各像素电流随时间变化曲线。

图8为实施例3中3D日盲光电探测器在测试两束光同时入射到3D日盲探测器时的电流和位置的关系的三维柱状图。

图9为图8测试时模拟状态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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付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。

如图1和2所示，一种基于氧化镓的三维日盲光电探测器及，是按照下述步骤进行的：

(1)清洗柔性衬底；

(2)采用射频磁控溅射技术在柔性衬底上室温沉积a-Ga₂O₃薄膜；

(3)在a-Ga₂O₃薄膜上利用热蒸发技术在上面蒸发一层金属薄膜用于制备电极；

(4)采用光刻技术在有金属膜的a-Ga₂O₃上制备具有MSM结构的2D光电探测器阵列；

(5)采用剪切折叠技术，把2D光电探测器阵列制备成3D光电探测器。

剪切折叠过程简述如下：将生长在柔性衬底的a-Ga₂O₃薄膜通过光刻刻蚀工艺制造所需的平面器件之后；将平面器件中多余的部分通过刀片剪切去除，将去除后的平面器件固定在所需3D模具上通过弯曲形成特定的3D形状，最后把各各电极通过金丝引出，即可得到所需3D器件。

从图3中可以看到，得到的晶粒尺寸为5-20nm

优选的，步骤(2)中所用的柔性衬底为PET衬底，厚度为0.125毫米；

优选的，步骤(2)中所用的靶材为高纯度(5N)Ga₂O₃陶瓷靶，气体为氩气和氧气混合气体，生长温度为室温；射频磁控溅射步骤如下：首先将柔性衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中超声波清洗5分钟，然后用氮气吹干。在溅射之前，通过分子泵将生长室的真空抽至低于6.0×10-4Pa。在生长过程中通入氩气和氧气，气体的通量都保持在10sccm，整个溅射过程射频功率为50W，生长压强为1Pa，整个生长时间为30分钟。

优选的，步骤(3)中所用的制备电极用的金属薄膜为金，厚度为60～80纳米；

优选的，步骤(4)中所用的制备的金电极为叉指状，叉指宽度和指间距离均为5微米，指长为250微米，共5对；

优选的，步骤(5)中所制备的3D光电探测器为半径为4微米的半球状。

本申请中，采用射频磁控溅射技术制备非晶Ga₂O₃(a-Ga₂O₃)可以在室温下进行，这使得在柔性基板上制备a-Ga₂O₃薄膜成为了可能。与结晶Ga₂O₃相比，a-Ga₂O₃在弯折过程中不易断裂、剥落，同时a-Ga₂O₃也具有优异的光电性能。

本申请所述的3D日盲紫外光电探测器模拟图如图1所示，包括柔性衬底、a-Ga₂O₃薄膜和金叉指电极。

实施例1

用3D日盲紫外光电探测器测试旋转运动着的光源。当光源绕中心轴做旋转运动时，把此器件放在光源旋转的区域内，光源旋转运动过程中3D探测器上的各各像素感应到光信号的时间不同，被光辐射到的像素的电流增加，没有辐射到的像素的电流不变，输出端的电流信号如图6所示。此外，可以根据轨迹和移动时间计算光源的移动速度。

实施例2

用3D日盲紫外光电探测器探测水平直线运动着的光源。当光源做水平运动时，把3D探测器放在水平直线运动着的光源的轨迹上，可以根据器件的输出端电流来判断运动的光轨迹，输出端被光照射的器件的电流随时间的变化如图7所示。

实施例3

用3D日盲紫外光电探测器同时检测多束光源。具有不同空间方向的两个光束同时入射在3D光电探测器上，把器件所在的半球用三个纬线标记，分别为A，B和C，并且每个纬线上的像素以逆时针方向标记为1至8。两束光束照射的器件标记为A3和B5像素，测试过程的模拟图如图9所示。当光照射到像素上时，相对应的电流增加，而没有被光照射到的其他像素的电流保持原来状态。可以通过监视电路中增加的电流来推断光束照射的位置。上述测量中半球表面上的光电流分布如图8所示。只有两个电路具有显着的电流增加，对应于A3和B5像素所在的位置。结果表明，这种3D光电探测器阵列不仅可以测试入射光的强度，还可以测量光的方向，这是传统的平面光电探测器无法实现的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。