本发明涉及半导体，具体涉及一种热脉冲处理氧化物半导体薄膜的方法及装置。
背景技术：
1、目前，氧化物半导体的研究依然处于起步阶段，基于氧化物半导体探测器受到材料稳定性差、缺陷密度高、漏电流大、持续光电导效应明显等问题。类似于其他氧化物半导体，与氧空位相关的本征缺陷是影响和决定材料及其光电器件性能的核心因素之一。氧空位作为一种常见的点缺陷，会显著改变材料的电导率和电子迁移率，进而影响器件的整体性能。例如，在光电导型ga2o3光电探测器中，缺陷相关的光电导增益和持续光电导分别增加了响应度和响应恢复时间，使得响应度和响应恢复速度存在相互制约的矛盾关系。因此，“理性的调控”氧化物半导体中氧空位等缺陷是一个亟待解决的难题。
2、现有技术中通常通过高温退火和氧等离子体处理来对氧空位等缺陷进行调控，虽然一定程度上具有操作简便、过程简洁、机理清晰等优势，但依旧存在很多不足。诸如较高温度的退火处理会引起材料热应力或引发不希望的相变，退火过程通常需要较长的时间才能达到预期效果，等离子体处理主要作用于材料表面，难以深入材料内部；等离子体处理过程中还会引入新的表面缺陷或损伤等。因此，亟需一种能够精确控制氧空位及其他缺陷来优化氧化物半导体材料的性能的装置与方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种能够精准调控样品内部氧空位分布及浓度且不损伤样品的热脉冲处理氧化物半导体薄膜的方法及装置。
2、一方面，本发明提供了一种热脉冲处理氧化物半导体薄膜的方法，所述方法为基于氢氧发生器的热脉冲退火，将待处理样品置于开放环境中的金属基底上，进行n次热脉冲退火后得到处理后样品，且9≤n≤15所述热脉冲退火的温度为800~1000℃，所述热脉冲退火处理持续时间为0.5~1s，所述热脉冲退火的频率为0.5~1 hz；
3、所述待处理样品为待处理的氧化物半导体薄膜，所述待处理样品内的氧空位浓度为n1，且氧空位均匀分布，n1＜38%；
4、所述处理后样品为完成退火的氧化物半导体薄膜，所述处理后样品的表层膜的氧空位浓度为n2，所述表层膜的厚度为d，且满足40 %≤n2≤55 %，d＜10nm。当处理后样品的表层膜的氧空位浓度40 %≤n2≤55 %时，探测器光电性能很好，光电流可达27.8μa，且探测器响应时间仅为60μs。
5、进一步，本发明所述方法的待处理样品的表面的晶粒尺寸为0.48~0.52 nm；所述表层膜的晶粒尺寸为9~13.6 nm。
6、进一步，本发明所述方法的处理后样品的表层膜的氧空位浓度n2满足：n2=k*3n+n1；且0.3≤k≤0.4。
7、进一步，本发明所述方法的待处理样品的厚度范围为80 ~110 nm。
8、进一步，本发明所述方法中，将待处理样品置于开放环境中的金属基底之后，且开始热脉冲退火前，首先检查氢氧发生器供电请否正常，并根据待处理样品的尺寸选择对应的喷嘴；然后检查继电器，确保继电器高电平下启动阀开，低电平下阀关；最后将喷火枪握把设置为常开状态。
9、进一步，本发明所述方法的热脉冲退火具体包括：首先打开气动阀和继电器，通过继电器控制气动阀及电弧点火模块使得喷火枪发出脉冲型火焰，对放置在金属基底上的待处理样品进行热脉冲退火处理，达到规定的持续时间后关闭继电器；按照设定好的热脉冲退火的温度、持续时间、频率以及次数，完成整个热脉冲退火过程。
10、另一方面，本发明提供了一种热脉冲处理氧化物半导体薄膜的装置，所述装置基于上述任一项所述的热脉冲处理氧化物半导体薄膜的方法，所述装置包括氢氧发生器、通过管道与氢氧发生器连通的喷火枪，以及铁架台，所述管道上还设有继电器，所述管道上位于氢氧发生器和继电器之间还设有气动阀；所述喷火枪处还设有电弧点火模块，所述铁架台上还设有能够调节高度的金属基板。
11、进一步，本发明所述装置的管道上位于氢氧发生和气动阀之间还设有防回火阀。
12、进一步，本发明所述装置的喷火枪包括喷嘴和握把。
13、进一步，本发明所述装置的氢氧发生器能够产生比例为2:1的氢气和氧气，且开机即用，按需生产，所述氢氧发生器内配有浓度高于99.5%的氢氧化钠。
14、采用本发明所述方法可以产生热激活效应和热应力效应，其中热激活效应即高温下，材料中的原子获得了更多的能量，能够克服键能，从而导致氧原子从晶格位置逸出，形成氧空位。热脉冲处理快速加热的特性加剧了这一效应。而快速加热和冷却过程会在材料内部产生热应力。这些应力会破坏晶格的完整性，促进氧原子的迁移和逃逸，增加氧空位的形成。
15、此外，热脉冲处理不仅会影响氧空位的浓度，还会对样品表面的再结晶和其他缺陷产生显著影响。具体影响如下：
16、缺陷修复：热脉冲处理可以促使晶格中的一些缺陷，如位错和晶界等，在高温下通过再结晶过程得到修复。这种修复过程有助于提高材料的晶体质量，减少缺陷浓度，从而提升材料的电学和光学性能。
17、材料稳定性的提高：再结晶过程可以提高材料的热稳定性和机械稳定性。通过消除或减少晶界和位错等缺陷，材料在后续使用中的抗热冲击能力和机械强度会有所提升。
18、表面形貌的改善：热脉冲处理还可以改善样品的表面形貌，使表面变得更加光滑和平整。这对于一些对表面质量要求较高的应用（如光学器件和电子器件）尤为重要。
19、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
20、本发明所述的热脉冲处理氧化物半导体薄膜的方法及装置，其中所述方法首先能够精确控制氧空位浓度，通过采用继电器控制气动阀和电弧点火模块可以精确控制处理时间和频率，从而准确控制氧空位的浓度，避免了传统处理方式中无法精确控制的问题。
21、其次，利用在铝合金金属基底上放置样品，并将基底温度保持在100°c以下，有效地避免了通过“热脉冲”对薄膜基底的潜在热损伤，提高了处理的安全性和稳定性。同时，热脉冲处理技术能够实现接近1000°c的快速表面退火，比传统高温气氛退火更加高效，节省时间和能源。
22、再者，采用多脉冲退火策略可以确保薄膜的完全结晶，提高了处理的效果和稳定性。
23、最后，本发明所述方法与装置不仅是在开放环境下进行的，热脉冲处理技术在开放环境中进行，基底温度超过800°c，但在200 nm的深度下温度保持在低于100°c，有助于维持设备稳定运行。而且所选用的喷火枪有不同尺寸的孔径，可满足不同尺寸样品对火焰范围的需求。
1.一种热脉冲处理氧化物半导体薄膜的方法，其特征在于，所述方法为基于氢氧发生器的热脉冲退火，将待处理样品置于开放环境中的金属基底上，进行n次热脉冲退火后得到处理后样品，且9≤n≤15所述热脉冲退火的温度为800~1000℃，所述热脉冲退火处理持续时间为0.5~1s，所述热脉冲退火的频率为0.5~1 hz；
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待处理样品的表面的晶粒尺寸为0.48~0.52 nm；所述表层膜的晶粒尺寸为9~13.6 nm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处理后样品的表层膜的氧空位浓度n2满足：n2=k*3n+n1；且0.3≤k≤0.4。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述待处理样品的厚度范围为80 ~110nm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将待处理样品置于开放环境中的金属基底之后，且开始热脉冲退火前，首先检查氢氧发生器供电是否正常，并根据待处理样品的尺寸选择对应的喷嘴；然后检查继电器，确保继电器高电平下启动阀开，低电平下阀关；最后将喷火枪握把设置为常开状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热脉冲退火具体包括：首先打开气动阀和继电器，通过继电器控制气动阀及电弧点火模块使得喷火枪发出脉冲型火焰，对放置在金属基底上的待处理样品进行热脉冲退火处理，达到规定的持续时间后关闭继电器；按照设定好的热脉冲退火的温度、持续时间、频率以及次数，完成整个热脉冲退火过程。
7.一种热脉冲处理氧化物半导体薄膜的装置，其特征在于，所述装置基于权利要求1-6任一项所述的热脉冲处理氧化物半导体薄膜的方法，所述装置包括氢氧发生器（1）、通过管道（2）与氢氧发生器（1）连通的喷火枪（3），以及铁架台（4），所述管道（2）上还设有继电器（5），所述管道（2）上位于氢氧发生器（1）和继电器（5）之间还设有气动阀（6）；所述喷火枪处还设有电弧点火模块（7），所述铁架台（4）上还设有能够调节高度的金属基板（9）。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述管道（2）上位于氢氧发生器（1）和气动阀（6）之间还设有防回火阀（8）。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述喷火枪（3）包括喷嘴和握把。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述氢氧发生器（1）能够产生比例为2:1的氢气和氧气，且开机即用，按需生产，所述氢氧发生器（1）内配有浓度高于99.5%的氢氧化钠。
