[发明专利]基于氧化镁衬底的氧化镓薄膜光电探测器及其制造方法

说明书

本发明提供了一种氧化镓薄膜光电探测器，以及相应的氧化镓薄膜和氧化镓薄膜的制造方法。所述的探测器包括依次叠置的衬底、氧化镓薄膜和电极，其中氧化镓薄膜为(00l)取向的β‑Ga₂O₃薄膜，衬底为MgO衬底。本发明的工艺可控性强、容易操作。本发明制得的氧化镓薄膜表面致密、厚度稳定均一，适于大面积制备、且复性好。本发明制得的光电探测器响应度高、暗电流小、紫外可见抑制比高、制造工艺简单，且所用材料容易获得。

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，特别涉及一种利用磁控溅射沉积方法在氧化镁(MgO)衬底上外延生长(00l)取向氧化镓(β-Ga₂O₃)薄膜的方法，以及应用β-Ga₂O₃薄膜的光电探测器。

背景技术

由于臭氧层对紫外辐射区的强烈吸收作用，日盲紫外探测器不受太阳光背景影响，可以全天候工作，具有灵敏度高、虚警率低等特点，工作在此波段的通信准确率也极高，在生物测试、臭氧空洞监测、航天航空等方面有广泛的应用。日盲紫外通信技术的核心是高灵敏度、低噪声的紫外探测器件的研制。目前常用的基于光电倍增管的真空紫外探测器件体积大响应慢，而基于宽禁带半导体材料的紫外探测器件则具有体积小、重量轻、增益高、响应快、噪声低、耐冲击、抗振动以及不受磁场影响等优点，特别适用于装备集成。因此，基于尺寸、功耗、成本和安全等因素的考虑，采用半导体探测器替代光电倍增管是一种比较理想的选择。近年来，得益于宽禁带半导体物理基础研究和材料制备工艺的进展和突破，为新型固态紫外探测器件开发带来了新的希望。

要实现日盲紫外探测，器件核心半导体材料的禁带宽度要大于4.4eV(对应探测波长280nm)，近几年研究主要集中在AlGaN、MgZnO、Ga₂O₃等宽带禁带半导体材料上。理论上，三元合金AlGaN禁带宽度会随着Al组分的变化在3.4～6.2eV之间可调，要获得日盲区探测，AlGaN的Al组分需高于38％，但高Al含量的AlGaN薄膜需要极高温生长且易发生相分离。MgZnO在单晶纤维锌矿的结构下很难保持超过4.5eV的带隙，影响了它们在日盲探测领域的应用。而Ga₂O₃的禁带宽度约为4.9eV，正好对应于日盲区，室温下激子束缚能高达40～50meV，远高于室温热离化能(26meV)，并具有优异的热稳定性和化学稳定性，是制备光电探测器，特别是日盲紫外探测器件的天然理想材料。

目前基于Ga₂O₃材料的日盲紫外探测的研究还处于起步阶段，基于Ga₂O₃单晶的日盲探测器件性能很好，但是单晶生长困难且价格昂贵。相对而言，基于Ga₂O₃薄膜的日盲紫外探测器件的性能进步很快，由于β-Ga₂O₃单晶属于单斜晶系，自然界还缺乏能跟其晶格匹配度较高且制造成本较低的基底材料，虽然以c面蓝宝石(Al₂O₃)为基底能生长β-Ga₂O₃薄膜，但是在Al₂O₃衬底上异质外延生长高质量的β-Ga₂O₃薄膜难度仍然非常大，特别是在Al₂O₃衬底上生长获得的β-Ga₂O₃薄膜均为(-201)取向，基于该取向生长的β-Ga₂O₃基光电探测器性能要弱于沿(00l)取向生长的β-Ga₂O₃基光电探测器。

因此，找到与β-Ga₂O₃晶格匹配度较高，且使β-Ga₂O₃薄膜生长质量较好的衬底，并开发出相对应的工艺方法，仍是业界极待解决的问题。

发明内容