本发明涉及一种基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器及其制备方法，属于半导体光电器件。
背景技术：
1、氧化镓(ga2o3)是一种宽禁带半导体，具有大约4.9ev的直接禁带宽度，对应的光吸收波长在250nm左右，属于日盲光波段(200-280nm)，不受太阳光背景噪声影响，同时ga2o3材料具有优越的化学和热稳定性，在紫外和可见光范围内具有高的透过率，是制备日盲紫外探测器天然的理想材料。使用ga2o3制备的光电探测器在日盲紫外通信、导弹追踪、深空探测成像、臭氧层空洞检测及火险预警等军事和民用领域有重要的应用前景。而且ga2o3基器件具有击穿场强高、能耗低、噪声小、耐高温等优越特性，在高温、高频、抗辐射、大功率器件领域也有广泛的应用。
2、但是在日盲紫外探测器应用方面，由于目前基于ga2o3材料制备的msm型紫外探测器综合性能还比较低，存在暗电流大、光响应时间长等技术问题，且通常需要施加外加电压才能探测性能，因此未能实现商业化应用。制备ga2o3基同质pn结型紫外探测器似乎是一种可行的替代方案。但由于氧空位等缺陷的存在，本征β-ga2o3通常表现出n型导电，并由于低空穴迁移率、自补偿效应及p型掺杂剂的形成能较大，ga2o3材料难以实现高效的p型掺杂，限制了其同质pn结在半导体光电器件领域的发展，需要寻找其他p型材料与之形成异质pn结。而晶体异质结界面处不可避免的晶格失配现象，会导致界面处的载流子捕获问题，而使器件暗电流高，响应速度慢。这几方面的原因，限制了ga2o3材料在日盲紫外探测器的应用。
技术实现思路
1、为解决紫外探测器暗电流大、光响应时间长等问题，本发明提供了一种基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器及其制备方法，ga2o3基异质pn结紫外探测器具有光暗比大、暗电流低、光响应速度快的性能，且使用物理气相沉积法制备，制备方法简单、重复性高、成本低廉。
2、为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案。
3、本发明在薄膜生长过程中通入o2作为氧源，补偿ga2o3薄膜及cuo薄膜中的氧空位，而且利用脉冲激光沉积(pld)法在ga2o3薄膜上以较低温度生长非晶cuo薄膜，制备非晶氧化铜(cuo)/氧化镓(ga2o3)异质pn结，将其应用在日盲紫外探测器中，该制备方法简单、重复性高、成本低廉，且制得的探测器具有自供电、光暗比大、暗电流低、光响应速度快的特点。
4、具体的，本发明提供了一种基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器，所述基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器，包括c-al2o3衬底、ga2o3薄膜、cuo薄膜和ti/au电极对，其中c-al2o3为衬底，ga2o3薄膜设置于衬底c-al2o3上，cuo薄膜设置于ga2o3薄膜上且覆盖ga2o3薄膜的部分区域形成异质pn结区，ti/au电极对包括两个ti/au电极，一个设置于pn结区即cuo薄膜上，另一个设置于单层ga2o3薄膜上。
5、进一步优选，基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器，其特征在于：包括：
6、c-al2o3衬底；
7、设置在所述c-al2o3衬底上的ga2o3膜层：
8、设置在所述ga2o3膜层上的非晶cuo膜层和第一ti/au电极；
9、设置在所述非晶cuo膜层上的第二ti/au电极。
10、所述的ga2o3膜层为n型半导体，所述的非晶cuo膜层为p型半导体。
11、所述ga2o3膜层的厚度为100-200nm，所述的非晶cuo膜层的厚度为20-70nm。
12、所述的第一ti/au电极包括生长在所述ga2o3膜层的ti层以及生长在所述ti层上的au层；
13、所述的第二ti/au电极包括生长在所述非晶cuo膜层的ti层以及生长在所述ti层上的au层。
14、氧化铜(cuo)作为一种传统的p型材料，禁带宽度在1.9ev左右，具有高的空穴迁移率，能够实现电流的快速传输。本发明引入cuo与ga2o3构建异质pn结，利用两种材料界面处形成的内建电场，加速分离光生电子空穴对，在没有外电源的条件下，器件即能对深紫外光产生响应。此外还能有效提高紫外探测器的响应度、响应速度、灵敏度等器件性能。本发明在ga2o3薄膜和cuo薄膜的生长过程中，引入高纯o2作为氧源，有效降低了薄膜中的氧空位浓度，减少本征薄膜的载流子浓度，大幅降低器件的暗电流。同时本发明在较低温度下制备非晶cuo薄膜，有效减小异质结界面处的晶格失配问题，减小界面处载流子捕获几率。
15、本发明还提供了上述基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
16、1)采用激光脉冲沉积法在衬底c-al2o3表面沉积ga2o3膜层；
17、2)采用激光脉冲沉积法在ga2o3膜层的部分区域沉积非晶cuo膜层，ga2o3膜层和非晶cuo膜层构成cuo/ga2o3异质pn结区，
18、3)在ga2o3膜层的剩余区域中的一部分蒸镀第一ti/au电极，在cuo/ga2o3异质pn结区的非晶cuo膜层上蒸镀第二ti/au电极，第一ti/au电极和第二ti/au电极形成ti/au电极对，完成制备。
19、步骤1)中，采用激光脉冲沉积法在衬底c-al2o3表面沉积ga2o3膜层，具体包括：
20、将ga2o3靶材固定在激光脉冲沉积腔体内的靶台上，将清洗好的c-al2o3衬底固定在样品台上，调整好靶材到衬底的距离为4～8cm，并用挡板将靶材和衬底隔开；
21、依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，使腔体内达到1.0×10-3pa真空度以下；然后设置升温程序，将c-al2o3衬底加热至600～700℃，维持温度的稳定；往真空腔内通入o2，调节压强，使腔内压强保持在0.07～0.2pa；
22、打开激光器，预热5～15min并将激光器调整为恒能量模式，后调整激光能量为180～220mj/cm2，激光频率为1～5hz；调整靶材位置，使激光束聚焦在ga2o3靶面并烧蚀靶材，形成羽辉；打开靶材与样品台的旋转，先进行预沉积3-20min，去除靶材表面非化学计量比部分，然后打开靶材与衬底之间的挡板，在c-al2o3衬底表面沉积ga2o3膜，沉积时间30-90min，沉积后退火获得ga2o3膜。退火的条件为：在n2氛围下进行750℃～850℃快速退火处理20～40min。
23、步骤2)中，采用激光脉冲沉积法在ga2o3膜层的部分区域沉积非晶cuo膜层，具体包括：
24、将cuo靶材固定在pld腔体内的靶台上，在步骤1)制备好的ga2o3膜上部分区域贴上掩模板，固定在样品台上，调整好靶材到衬底的距离为4～8cm，并用挡板将靶材和ga2o3膜隔开；
25、依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，使腔体内达到1.0×10-3pa真空度；然后设置升温程序，将ga2o3膜加热至100℃-400℃，维持温度的稳定；往真空腔内通入o2，调节压强，使腔内压强保持在0.3～0.7pa；
26、打开激光器，调整激光能量为180～220mj/cm2，激光频率为1～3hz；调整靶材位置，使激光束聚焦在cuo靶面并烧蚀靶材，形成羽辉；打开靶材与样品台的旋转，先进行预沉积3-20min，去除靶材表面非化学计量比部分，然后打开靶材与衬底之间的挡板，在ga2o3膜未贴掩膜板的区域沉积cuo膜，沉积时间30-90min，形成cuo/ga2o3异质pn结区。
27、步骤3)中，在ga2o3膜层的剩余区域中的一部分蒸镀第一ti/au电极，在cuo/ga2o3异质pn结区的非晶cuo膜层上蒸镀第二ti/au电极，具体包括：
28、在步骤2)制备好的cuo/ga2o3异质pn结区以及单层ga2o3膜上部分区域贴上掩模板，固定在样品台上，先采用电子束蒸发技术以的速度生长厚度为15～25nm的ti层，再采用电子束蒸发技术以的速度生长厚度为40～60nm的au层。
29、进一步优选，具体制备步骤如下：1)采用pld方法在c-al2o3衬底表面沉积ga2o3薄膜：将ga2o3靶材固定在腔体内的靶台上，将清洗好的c-al2o3衬底固定在样品台上，调整靶材到衬底的距离为6.0cm，并用挡板将靶材和衬底隔开；依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，约2h后达到所需的10-4pa真空度；然后将c-al2o3衬底加热至650℃，维持温度的稳定；往真空腔内通入o2，调节压强，使腔内压强保持在0.1pa；打开激光器，预热10min并将激光器调整为恒能量模式，后调整激光能量为200mj/cm2，激光频率为3hz；调整靶材位置，使激光束聚焦在ga2o3靶面并烧蚀靶材，形成羽辉；打开靶材与样品台的旋转，先进行预沉积5-10min，去除靶材表面非化学计量比部分，然后打开靶材与衬底之间的挡板，在c-al2o3衬底表面沉积ga2o3薄膜，获得ga2o3薄膜；将获得的ga2o3薄膜在n2氛围下进行800℃快速退火处理30min，消除薄膜中的部分应力，提升ga2o3薄膜质量。
30、2)采用pld方法在ga2o3薄膜的部分区域沉积cuo薄膜，形成异质pn结区：将cuo靶材固定在腔体内的靶台上，在步骤1)制备好的ga2o3薄膜上贴上掩模板，将其固定在样品台上，调整靶材到ga2o3薄膜的距离为6.0cm，并用挡板将靶材和ga2o3薄膜隔开；依次关好放气阀和腔门，依次打开机械泵和分子泵，约2h后腔体内达到所需的10-4pa真空度；然后将ga2o3薄膜加热至100℃-400℃，维持温度的稳定；往真空腔内通入o2，调节压强，使腔内压强保持在0.5pa；打开激光器，调整激光能量为200mj/cm2，激光频率为1hz；调整靶材位置，使激光束聚焦在cuo靶面并烧蚀靶材，形成羽辉；打开靶材与样品台的旋转，先进行预沉积5-10min，去除靶材表面非化学计量比部分，然后打开靶材与ga2o3薄膜之间的挡板，在ga2o3膜未贴上掩膜版的区域沉积cuo薄膜，获得cuo/ga2o3异质pn结。
31、其中步骤1)及2)中，ga2o3薄膜和cuo薄膜的pld沉积时间可在30-90min范围调整，可分别获得100-200nm厚的ga2o3薄膜及20-70nm厚的cuo薄膜。
32、3)在步骤2)制备好的cuo/ga2o3异质pn结区以及单ga2o3薄膜上部分区域贴上掩模板，将其固定在样品台上，采用电子束蒸发技术在cuo/ga2o3异质pn结区以及单层ga2o3薄膜表面分别以和的速度生长厚度分别为20nm和50nm的ti/au电极，形成ti/au电极对，完成cuo/ga2o3异质pn结紫外探测器的制备。
33、本发明的cuo/ga2o3异质pn结紫外探测器的工作原理是：利用cuo/ga2o3异质pn结界面处存在内建电场的特性，有效分离光生电子-空穴对。在无外加电源的条件下，此时黑暗环境下电流在pa量级；使用254nm日盲光照射该器件后，ga2o3薄膜产生大量的光生电子-空穴对，在内建电场作用下被加速分离，导致光电流增大，实现器件自供电特性。
34、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
35、1)本发明ga2o3薄膜和cuo薄膜均采用pld技术制备，制备工艺简单、重复性高、且制备过程安全无毒，cuo/ga2o3异质结对254nm波长光有明显的响应，属于日盲紫外范围，不受到太阳光的影响，可全天候使用。
36、2)本发明将pld技术制备的cuo/ga2o3异质pn结成功应用在紫外探测器中，且光响应度、光响应时间、灵敏度等性能优异。
37、3)本发明通过利用o2作为薄膜生长时的氧源，有效降低了ga2o3薄膜和cuo薄膜中的氧空位浓度；同时由于cuo薄膜是在较低温度下得到，其中的氧空位浓度能够得到进一步的抑制。较少的氧空位，可以减少本征薄膜的载流子浓度，降低器件的暗电流，同时也能抑制光生载流子被捕获，促进其分离，从而提升器件的响应速度。
38、4)在较低温度下制备的非晶cuo薄膜具有平整且致密的表面，同时非晶结构可有效避免异质结在界面处由于晶格失配带来的载流子捕获影响。
39、5)相比传统的单层ga2o3基紫外探测器，本发明的cuo/ga2o3异质pn结紫外探测器通过两种材料间形成的内建电场，在无外加电源的条件下，实现光生电子空穴对的有效分离，有效提高器件的光响应速度，实现器件自供电特性。
1.一种基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器，其特征在于，所述的ga2o3膜层为n型半导体，所述的非晶cuo膜层为p型半导体。
3.根据权利要求1所述的基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器，其特征在于，所述ga2o3膜层的厚度为100-200nm，所述的非晶cuo膜层的厚度为20-70nm。
4.根据权利要求1所述的基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器，其特征在于，所述的第一ti/au电极包括生长在所述ga2o3膜层的ti层以及生长在所述ti层上的au层；
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤1)中，采用激光脉冲沉积法在衬底c-al2o3表面沉积ga2o3膜层，具体包括：
7.根据权利要求6所述的基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器的制备方法，其特征在于，退火的条件为：在n2氛围下进行750℃～850℃快速退火处理20～40min。
8.根据权利要求5所述的基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，采用激光脉冲沉积法在ga2o3膜层的部分区域沉积非晶cuo膜层，具体包括：
9.根据权利要求5所述的基于非晶氧化铜/氧化镓异质pn结紫外探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，在ga2o3膜层的剩余区域中的一部分蒸镀第一ti/au电极，在cuo/ga2o3异质pn结区的非晶cuo膜层上蒸镀第二ti/au电极，具体包括：
