[发明专利]一种新型氧化镓基PIN结构紫外光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型氧化镓(Ga₂O₃)基PIN结构紫外光电探测器及其制备方法。该紫外光电探测器的结构包括：由下至上依次设置的衬底(101)、缓冲层(102)、n型Ga₂O₃层(103)、非掺杂i型NiO/TiO₂超晶格吸收层(104)、p型Ga₂O₃层(105)、在n型Ga₂O₃层(103)上引出的n型欧姆电极(107)，在p型Ga₂O₃层(106)上引出的p型欧姆电极(106)。本发明提供的采用多周期非掺杂i型NiO/TiO₂超晶格作为吸收层的结构，能够有效解决紫外光电探测器中由于电子和空穴的离化系数相近而导致的紫外探测器不灵敏，有助于提高探测器对紫外信号的响应度和稳定性。本发明提供的一种结构新颖、灵敏度高，特别适用于深紫外探测的紫外光电探测器。

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种新型氧化镓基PIN结构紫外光电探测器及其制备方法。

背景技术

紫外光电探测器在军用和民用方面都具有重要的应用价值和发展前景，如：紫外告警与制导、碳氢化合物燃烧火焰的探测、生化基因的检测、紫外天文学的研究、短距离的通信以及皮肤病的治疗等。商业化的紫外探测器以硅为主，它需要滤除入射的可见光及红外光并需配置冷却部件。与此相比，带隙处于紫外区的宽禁带半导体如SiC、金刚石、GaN和Ga₂O₃等，天然地避免了硅探测器的这些问题；其中Ga₂O₃室温下的禁带宽度约为4.9eV，远高于GaN和ZnO等宽禁带半导体材料。相较于AlGaN、ZnMgO等常见的紫外敏感材料，Ga₂O₃更容易制备出高质量的薄膜，而且具备较大的禁带宽度，非常适合用于制造深紫外紫外探测器。传统的紫外光电探测器的结构中半导体与金属不易形成良好的接触，再加上传统MSM结构的器件光信号利用率比较低，使得常见的深紫外光电探测器响应度和探测率不理想。

合肥工业大学罗林保教授将石墨烯和高质量的β-Ga₂O₃单晶片引入深紫外光电探测器中，并提出一种全新的器件MSM结构。该探测器具备量子效率高、稳定性强且结构简单、成本低廉的优点，其相关成果发表在国际材料物理领域重要期刊Advanced Materials(论文题目：Graphene-β-Ga2O3heterojunction for highly sensitive deep ultravioletphotodetector application,DOI:10.1002/adma.201604049)。器件光谱响应分析结果表明，该器件具有优异的光谱选择性，在深紫外光区域响应非常明显。器件性能分析结果显示，该器件能够器件在深紫外光区域的光电转化效率及探测率大幅度提升。

目前，基于β-Ga₂O₃的深紫外光光电探测器，绝大多数都是纳米带的结构，优点是β-Ga₂O₃纳米带有比较高的结晶度，缺陷相对少。但是β-Ga₂O₃纳米带表面吸附效应明显，易于受到空气中氧气的影响，探测器的性能发生不良性的改变。与此同时，基于Ga₂O₃薄膜材料的紫外探测器的相关研究报道不多。

NiO作为一种本征P型直接带隙半导体材料，与TiO₂形成异质结结构作为吸收层的紫外探测器具有优良的性能，原因在于异质结结构中内建电场的存在可以大大促进光生电子空穴对的有效分离，提高紫外探测器的探测灵敏度和可靠性。如何有效解决紫外光电探测器中由于电子和空穴的离化系数相近而导致的紫外探测器不灵敏，进一步提高探测器对紫外信号的响应度是紫外光电探测器目前存在的一大难题。

发明内容