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金属-半导体-金属(MSM)型氧化镓薄膜探测器的性能高度依赖于氧化镓薄膜的均匀性, 工艺难度较高, 对规模化、量产化薄膜探测器提出了挑战. 本文首次在量产化悬臂式薄膜芯片表面物理沉积氧化镓薄膜, 实现了一个五对叉指电极结构的MSM型氧化镓薄膜日盲探测器. 得益于微机电系统(MEMS)工艺制备的悬臂式电极结构保护了内部电路与探测薄膜的完整均匀性, 所获得的氧化镓薄膜虽然是非晶结构, 但探测器仍然具备良好的紫外探测性能. 在18 V偏压下其探测率达到7.9×10 10Jones, 外量子效率达到1779%, 上升和下降时间分别为1.22 s和0.24 s, 接近晶体氧化镓薄膜的探测性能. 该探测器在无任何光学聚焦系统的情况下, 实现了对户外日光环境下脉冲电弧的灵敏检测, 将在日盲探测领域具有良好的潜在应用价值. 本工作基于MEMS工艺的悬臂式电极结构开发的敏感功能薄膜沉积技术, 避免了功能薄膜大面积均匀性对刻蚀电路的影响, 为MSM型薄膜探测器的制备提供了新的技术方法和工艺路线.The performance of gallium oxide (Ga 2O 3) thin film detector based on metal-semiconductor-metal (MSM) is highly dependent on the uniformity of the Ga 2O 3thin film, and the manufacturing process is quite sophisticated, which poses a challenge for the scale-up and mass production of thin film photodetectors. In this work, an MSM Ga 2O 3thin film solar-blind photodetector with five-finger interdigital electrodes is fabricated by physically depositing Ga 2O 3thin film on the surface of a mass-produced cantilevered thin film chip. Through the microelectromechanical system (MEMS) process, the cantilever electrode structure is prepared, which protects the internal circuit and the integrity of the thin film. The Ga 2O 3thin film treated by argon plasma at a low temperature is amorphous, but the photodetector still possesses considerable ultraviolet detection performance. At a bias voltage of 18 V, it approaches the detection performance of crystalline Ga 2O 3thin film, with a detectivity of 7.9×10 10Jones, an external quantum efficiency of 1779%, rise time and decay time of 1.22 s and 0.24 s, respectively. Moreover, a system of arc detection is built in outdoor environments. Without any optical focusing system, this photodetector achieves sensitive detection of pulsed arc in an outdoor sunlight environments. For pulsed arcs with an output voltage of 100 kV, the photodetector is capable of sensitive detection at a distance of 25 cm. Besides, the maximum detection distance of 155 cm indicates that the photodetector will have a favorable potential application value in the field of solar-blind detection. This work develops a sensitive functional thin film deposition technology based on the cantilever electrode structure fabricated by the MEMS process, which avoids the influence of the large-area uniformity of the functional thin film on the etching circuit. It provides a new technical approach and process route for preparing MSM photodetectors.
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Keywords:
- gallium oxide/
- solar-blind photodetector/
- arc detection
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制备方法 偏压/V 暗电流/nA PDCR R/(A·W–1) D*/Jones EQE/% $ {\tau }_{{\mathrm{r}}}/ $s $ {\tau }_{{\mathrm{d}}} $/s Ref. MOCVD、磁控溅射 10 0.17 3.5$ \times $103 9.4 1.17$ \times $1012 4.6$ \times $103 27 3.93 [28] 离子切割、光刻工艺 10 0.0287 953 0.13 — — 2.96/34.17 1.94/32.64 [38] 脉冲激光沉积、磁控溅射 –15 12.4 — 29.08 2.16$ \times $1011 1.4$ \times $104 0.41/0.52 1.06/1.68 [33] 卤化物气相外延、
真空沉积和光刻工艺10 10–2 — 7$ \times $104 1.12$ \times $1018 3.79$ \times $105 — — [39] MOCVD、磁控溅射 5 $ < $10–3 1.1$ \times $106 0.046 3.4$ \times $1013 22.4 0.96 0.19 [40] MOCVD、光刻和离子束溅射 10 1.9$ \times $10–3 8.97$ \times $107 634.15 5.93$ \times $1011 3.1$ \times $105 — — [41] MEMS工艺、磁控溅射 18 1.3 130 0.364 7.9$ \times $1010 1779 1.22 0.24 This work 
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[1] 宿冉, 奚昭颖, 李山, 张嘉汉, 姜明明, 刘增, 唐为华.基于GaSe/Ga2O3异质结的自供电日盲紫外光电探测器. 必威体育下载 , 2024, 73(11): 118502.doi:10.7498/aps.73.20240267 [2] 董典萌, 汪成, 张清怡, 张涛, 杨永涛, 夏翰驰, 王月晖, 吴真平.基于HfO2插层的Ga2O3基金属-绝缘体-半导体结构日盲紫外光电探测器. 必威体育下载 , 2023, 72(9): 097302.doi:10.7498/aps.72.20222222 [3] 况丹, 徐爽, 史大为, 郭建, 喻志农.基于铝纳米颗粒修饰的非晶氧化镓薄膜日盲紫外探测器. 必威体育下载 , 2023, 72(3): 038501.doi:10.7498/aps.72.20221476 [4] 落巨鑫, 高红丽, 邓金祥, 任家辉, 张庆, 李瑞东, 孟雪.退火温度对氧化镓薄膜及紫外探测器性能的影响. 必威体育下载 , 2023, 72(2): 028502.doi:10.7498/aps.72.20221716 [5] 汪海波, 万丽娟, 樊敏, 杨金, 鲁世斌, 张忠祥.势垒可调的氧化镓肖特基二极管. 必威体育下载 , 2022, 71(3): 037301.doi:10.7498/aps.71.20211536 [6] 刘增, 李磊, 支钰崧, 都灵, 方君鹏, 李山, 余建刚, 张茂林, 杨莉莉, 张少辉, 郭宇锋, 唐为华.具有大光电导增益的氧化镓薄膜基深紫外探测器阵列. 必威体育下载 , 2022, 71(20): 208501.doi:10.7498/aps.71.20220859 [7] 玄鑫淼, 王加恒, 毛彦琦, 叶利娟, 张红, 李泓霖, 熊元强, 范嗣强, 孔春阳, 李万俊.基于云母衬底生长的非晶Ga2O3柔性透明日盲紫外光探测器研究. 必威体育下载 , 2021, 70(23): 238502.doi:10.7498/aps.70.20211039 [8] 赵一默, 黄志伟, 彭仁苗, 徐鹏鹏, 吴强, 毛亦琛, 余春雨, 黄巍, 汪建元, 陈松岩, 李成.超薄介质插层调制的氧化铟锡/锗肖特基光电探测器. 必威体育下载 , 2021, 70(17): 178506.doi:10.7498/aps.70.20210138 [9] 周树仁, 张红, 莫慧兰, 刘浩文, 熊元强, 李泓霖, 孔春阳, 叶利娟, 李万俊.N掺杂对 ${\boldsymbol\beta} $ -Ga2O3薄膜日盲紫外探测器性能的影响. 必威体育下载 , 2021, 70(17): 178503.doi:10.7498/aps.70.20210434[10] 汪海波, 万丽娟, 樊敏, 杨金, 鲁世斌, 张忠祥.势垒可调的氧化镓肖特基二极管. 必威体育下载 , 2021, (): .doi:10.7498/aps.70.20211536 [11] 龙泽, 夏晓川, 石建军, 刘俊, 耿昕蕾, 张赫之, 梁红伟.基于机械剥离β-Ga2O3的Ni/Au垂直结构肖特基器件的温度特性. 必威体育下载 , 2020, 69(13): 138501.doi:10.7498/aps.69.20200424 [12] 郭道友, 李培刚, 陈政委, 吴真平, 唐为华.超宽禁带半导体β-Ga2O3及深紫外透明电极、日盲探测器的研究进展. 必威体育下载 , 2019, 68(7): 078501.doi:10.7498/aps.68.20181845 [13] 张镜水, 孔令琴, 董立泉, 刘明, 左剑, 张存林, 赵跃进.太赫兹互补金属氧化物半导体场效应管探测器理论模型中扩散效应研究. 必威体育下载 , 2017, 66(12): 127302.doi:10.7498/aps.66.127302 [14] 齐俊杰, 徐旻轩, 胡小峰, 张跃.一维纳米氧化锌自驱动紫外探测器的构建与性能研究. 必威体育下载 , 2015, 64(17): 172901.doi:10.7498/aps.64.172901 [15] 郑丽霞, 吴金, 张秀川, 涂君虹, 孙伟锋, 高新江.InGaAs单光子探测器传感检测与淬灭方式. 必威体育下载 , 2014, 63(10): 104216.doi:10.7498/aps.63.104216 [16] 陈伟超, 唐慧丽, 罗平, 麻尉蔚, 徐晓东, 钱小波, 姜大朋, 吴锋, 王静雅, 徐军.GaN基发光二极管衬底材料的研究进展. 必威体育下载 , 2014, 63(6): 068103.doi:10.7498/aps.63.068103 [17] 马海林, 苏庆.氧分压对溅射制备氧化镓薄膜结构及光学带隙的影响. 必威体育下载 , 2014, 63(11): 116701.doi:10.7498/aps.63.116701 [18] 张孝富, 李豫东, 郭旗, 罗木昌, 何承发, 于新, 申志辉, 张兴尧, 邓伟, 吴正新.60Coγ射线对高铝组分Al0.5Ga0.5N基p-i-n日盲型光探测器理想因子的影响. 必威体育下载 , 2013, 62(7): 076106.doi:10.7498/aps.62.076106 [19] 潘惠平, 成枫锋, 李琳, 洪瑞华, 姚淑德.蓝宝石衬底上生长的Ga2+xO3-x薄膜的结构分析. 必威体育下载 , 2013, 62(4): 048801.doi:10.7498/aps.62.048801 [20] 常保和, 张 昊, 周维亚, 钱露茜, 潘正伟, 毛建民, 李文治.对电弧放电制备的离散碳纳米管进行高温氧化的研究. 必威体育下载 , 1998, 47(2): 340-345.doi:10.7498/aps.47.340
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