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专利名称：氧化镓基日盲紫外光电探测器

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111404576.0

专利申请（专利权）人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
权利人地址：浙江省宁波市镇海区庄市大道519号

专利发明（设计）人：刘宁涛,张文瑞,叶继春

专利摘要：本发明涉及一种氧化镓基日盲紫外光电探测器，包括依次层叠设置的第一电极层、铁电层、氧化镓层和第二电极层，其中，第一电极层与铁电层形成欧姆接触。本发明中，铁电层自发极化形成的局域场能够用于耗尽氧化镓层的内部缺陷，调控氧化镓层的能带结构及界面耗尽区宽度，而存在于氧化镓层中的光生电子空穴对在耗尽区及外电场的作用下会被加速，由此提高了氧化镓基日盲紫外光电探测器光生载流子的浓度和分离效率，同时，铁电层的剩余极化能够调控氧化镓层的内部及界面缺陷的分布。因此，本发明的氧化镓基日盲紫外光电探测器的暗电流低、光暗电流比高，进而使得氧化镓基日盲紫外光电探测器具有低功耗性、高可靠性和高灵敏性等特点。

主权利要求：
1.一种氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，包括第一电极层以及依次层叠设置于所述第一电极层上的铁电层、氧化镓层和第二电极层，其中，所述第一电极层与所述铁电层形成欧姆接触，所述氧化镓层的厚度大于300nm，且小于或等于900nm，所述铁电层的材料选自Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料、聚偏氟乙烯基聚合物铁电材料中的至少一种；
所述第一电极层选自铂金衬底、Nb掺杂SrTiO3衬底中的至少一种；所述第一电极层上还设置有底电极层，所述底电极层选自ITO层、LaNiO3层、La1?xSrxMnO3层、SrRuO3层、ZnO层、Al掺杂ZnO层中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，所述氧化镓层选自非晶氧化镓层、多晶氧化镓层、单晶氧化镓层中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，所述第二电极层选自Ti层、Al层、Ni层、Au层、Mo层中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，所述铁电层的厚度为20nm?300nm。
5.一种氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，包括第一电极层以及依次层叠设置于所述第一电极层上的铁电层、氧化镓层和第二电极层，其中，所述第一电极层与所述铁电层形成欧姆接触，所述氧化镓层的厚度大于300nm，且小于或等于900nm，所述铁电层的材料选自Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料、聚偏氟乙烯基聚合物铁电材料中的至少一种；
所述第一电极层包括非导电衬底和层叠设置于所述非导电衬底上的底电极层，所述铁电层层叠设置于所述底电极层背离所述非导电衬底层的表面上，所述非导电衬底选自单晶Ga2O3衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、石英衬底、云母衬底中的至少一种，所述底电极层选自ITO层、LaNiO3层、La1?xSrxMnO3层、SrRuO3层、ZnO层、Al掺杂ZnO层中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，所述氧化镓层选自非晶氧化镓层、多晶氧化镓层、单晶氧化镓层中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，所述第二电极层选自Ti层、Al层、Ni层、Au层、Mo层中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的氧化镓基日盲紫外光电探测器，其特征在于，所述铁电层的厚度为20nm?300nm。 说明书 : 氧化镓基日盲紫外光电探测器技术领域[0001] 本发明涉及光电探测技术领域，特别是涉及氧化镓基日盲紫外光电探测器。背景技术[0002] 日盲紫外光电探测器利用对应日盲区的特征紫外工作波段(200nm?280nm)，可以有效避免空间太阳背景辐射的影响，具有高灵敏度、保密性强、低背景干扰、虚警率低等特点，应用广泛。[0003] 氧化镓(Ga2O3)是一种新兴的超宽带隙半导体材料(～4.9eV)，其具有α、β、γ、δ、ε五种不同的晶体结构，其中属于单斜相的β?Ga2O3最为稳定，是目前国际上研发新一代日盲紫外光电探测器的重点前沿方向。基于氧化镓材料的光电探测器中，金属?半导体?金属(MSM)型结构的光电探测器的结构及制备工艺简单，且成本低廉，受到广泛的关注和研究，但是，其仍然存在暗电流高、光暗电流比低的问题，严重制约了其光电性能的优化与提升。发明内容[0004] 基于此，有必要针对上述问题，提供一种氧化镓基日盲紫外光电探测器，所述氧化镓基日盲紫外光电探测器的暗电流低、光暗电流比高，具有低功耗性、高可靠性和高灵敏性等特点。[0005] 一种氧化镓基日盲紫外光电探测器，包括第一电极层以及依次层叠设置于所述第一电极层上的铁电层、氧化镓层和第二电极层，其中，所述第一电极层与所述铁电层形成欧姆接触。[0006] 在其中一个实施例中，所述氧化镓层选自非晶氧化镓层、多晶氧化镓层、单晶氧化镓层中的至少一种。[0007] 在其中一个实施例中，所述氧化镓层的厚度为300nm?900nm。在其中一个实施例中，所述第二电极层选自Ti层、Al层、Ni层、Au层、Mo层中的至少一种。[0008] 在其中一个实施例中，所述铁电层的材料选自Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料、聚偏氟乙烯基聚合物铁电材料中的至少一种。[0009] 在其中一个实施例中，所述铁电层的厚度为20nm?300nm。[0010] 在其中一个实施例中，所述第一电极层包括非导电衬底和层叠设置于所述非导电衬底上的底电极层，所述铁电层层叠设置于所述底电极层背离所述非导电衬底的表面上。[0011] 在其中一个实施例中，所述非导电衬底选自单晶Ga2O3衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、石英衬底、云母衬底中的至少一种。[0012] 在其中一个实施例中，所述底电极层选自ITO层、LaNiO3层、La1?xSrxMnO3层、SrRuO3层、ZnO层、Al掺杂ZnO层中的至少一种。[0013] 在其中一个实施例中，所述第一电极层选自铂金衬底、Nb掺杂SrTiO3衬底中的至少一种。[0014] 本发明的氧化镓基日盲紫外光电探测器中，在氧化镓层和第一电极层之间设置了铁电层，从而，可以利用铁电层自发极化形成的局域场来调控氧化镓层的内部特性，该局域场能够用于耗尽氧化镓层的内部缺陷，调控氧化镓层的能带结构及界面耗尽区宽度，即耗尽区宽度增大，而存在于氧化镓层中的光生电子空穴对在耗尽区及外电场的作用下会被加速，最终导致该氧化镓基日盲紫外光电探测器光生载流子的浓度和分离效率的提高。[0015] 同时，由于铁电层具有剩余极化，氧化镓层的内部及界面缺陷的分布能够得到有效调控，因此该氧化镓基日盲紫外光电探测器的暗电流低、光暗电流比高，进而使得氧化镓基日盲紫外光电探测器具有低功耗性、高可靠性和高灵敏性等特点。[0016] 另外，本发明的氧化镓基日盲紫外光电探测器的结构及制备工艺简单，成本低廉，适于推广应用。附图说明[0017] 图1为本发明一实施方式的氧化镓基日盲紫外光电探测器的结构示意图；[0018] 图2为本发明另一实施方式的氧化镓基日盲紫外光电探测器的结构示意图。[0019] 图中：101、第一电极层；101a、非导电衬底；101b、底电极层；102、铁电层；103、氧化镓层；104、第二电极层；104a、第一电极单元；104b、第二电极单元。具体实施方式[0020] 下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。[0021] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。[0022] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。[0023] 本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，上述数值区间内视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。[0024] 如图1所示，为本发明提供的一实施方式的氧化镓基日盲紫外光电探测器，包括第一电极层101以及依次层叠设置于所述第一电极层101上的铁电层102、氧化镓层103和第二电极层104。[0025] 其中，所述第一电极层101与所述铁电层102形成欧姆接触。[0026] 优选的，所述第二电极层104与所述氧化镓层103也形成欧姆接触。[0027] 该实施方式中，所述第一电极层101包括非导电衬底101a和层叠设置于所述非导电衬底101a上的底电极层101b，所述铁电层102层叠设置于所述底电极层101b背离所述非导电衬底101a的表面上，从而，使得所述底电极层101b与所述铁电层102形成欧姆接触。[0028] 可选的，所述非导电衬底101a选自商用的单晶Ga2O3衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、石英衬底、云母衬底中的至少一种。[0029] 可选的，所述底电极层101b选自ITO层、LaNiO3层、La1?xSrxMnO3层、SrRuO3层、ZnO层、Al掺杂ZnO层中的至少一种，所述底电极层101b厚度优选为20nm?200nm，进一步优选为30nm?100nm。[0030] 可选的，所述铁电层102的材料选自Pb(Zr,Ti)O3基铁电材料、BaTiO3基铁电材料、BiFeO3基铁电材料、(Bi,Na)TiO3基铁电材料、聚偏氟乙烯基聚合物铁电材料中的至少一种，所述铁电层102的厚度为20nm?300nm，优选为100nm?200nm。[0031] 所述铁电层102具有自发极化效应，通常对其进行极化处理可以获得较大的剩余极化强度。所以，本发明可以利用铁电层102极化处理后形成的局域场调控氧化镓层103的内部特性，该局域场能够用于耗尽氧化镓层103的内部缺陷，调控氧化镓层103的能带结构及界面耗尽区宽度，即耗尽区宽度增大，而存在于氧化镓层103中的光生电子空穴对在耗尽区及外电场的作用下会被加速，最终导致该氧化镓基日盲紫外光电探测器光生载流子的浓度和分离效率的提高。[0032] 同时，由于铁电层102具有剩余极化，氧化镓层103的内部及界面缺陷的分布能够得到有效调控，因此该氧化镓基日盲紫外光电探测器的暗电流低、光暗电流比高，进而使得氧化镓基日盲紫外光电探测器具有低功耗性、高可靠性和高灵敏性等特点。[0033] 可选的，所述氧化镓层103选自非晶氧化镓层、多晶氧化镓层、单晶氧化镓层中的至少一种，进一步优选为非晶氧化镓层或多晶氧化镓层。[0034] 另外，如果氧化镓层103厚度太。蚨匀彰す獾奈丈，氧化镓基日盲紫外光电探测器整体对日盲光光子的吸收转化效率低，若氧化镓层103的厚度太厚，则降低了光生载流子的迁移效率，因此，为了同时确保氧化镓基日盲紫外光电探测器对光子的吸收效果和对载流子的迁移效果，氧化镓层103的厚度优选为300nm?900nm。[0035] 可选的，所述第二电极层104选自Ti层、Al层、Ni层、Au层、Mo层中的至少一种，具体的，所述第二电极层104包括间隔设置的第一电极单元104a和第二电极单元104b，优选的，所述第二电极层104为叉指电极，所述第二电极层104厚度为30nm?100nm。[0036] 如图2所示，为本发明提供的另一实施方式的氧化镓基日盲紫外光电探测器，与上述实施方式不同的是，该实施方式中，所述第一电极层101选自导电衬底，包括铂金衬底(如Si/SiO2/Ti/Pt)、Nb掺杂SrTiO3衬底中的至少一种，此时，所述第一电极层101直接与所述铁电层102形成欧姆接触。[0037] 当然，此时导电衬底上也可以再设置底电极层101b，所述底电极层101b选自ITO层、LaNiO3层、La1?xSrxMnO3层、SrRuO3层、ZnO层、Al掺杂ZnO层中的至少一种，所述底电极层101b厚度优选为20nm?200nm，进一步优选为30nm?100nm。[0038] 制备本发明的氧化镓基日盲紫外光电探测器时，先制备得到包括第一电极层101以及依次层叠设置于所述第一电极层上的铁电层102、氧化镓层103和第二电极层104的预制件，然后，对所述预制件进行极化处理，即可得到氧化镓基日盲紫外光电探测器。[0039] 通过对第一电极层101外加电压进行整体极化处理。如，提供电源，将电源与第一电极层101电连接，所述第二电极层104接地，此时，铁电层102在外加电场的作用下，极化强度将沿外加电场取向。[0040] 具体的，在极化处理的步骤中，极化温度的高低会影响到电畴运动和转向的难易，因此所述极化处理的温度优选为80℃?200℃，在该温度范围内，可以达到较优的效果。而自发极化取向需要一定的时间，时间越长，沿电场方向的极化取向越充分，剩余极化强度越大，因此所述极化处理的时间优选为600s?3600s。[0041] 另外，极化电压加大，沿外电场方向的极化取向也越充分，剩余极化强度越大。铁电层102在强电场作用下使自发极化沿电场方向取向，撤去电场后，铁电层102具有剩余极化强度，但极化电压过大时会导致氧化镓基日盲紫外光电探测器击穿短路，所以，在极化处理的步骤中，所述外加电压的绝对值低于60V。[0042] 因此，本发明的氧化镓基日盲紫外光电探测器的结构及制备工艺简单，成本低廉，适于推广应用，同时，本发明的氧化镓基日盲紫外光电探测器的暗电流低、光暗电流比高，具有低功耗性、高可靠性和高灵敏性等特点。[0043] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。[0044] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

专利地区：浙江

专利申请日期：2021-11-24

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114361286B