RU207743U1 - SOLAR BLIND UV DETECTOR - Google Patents
SOLAR BLIND UV DETECTOR Download PDFInfo
- Publication number
- RU207743U1 RU207743U1 RU2021121270U RU2021121270U RU207743U1 RU 207743 U1 RU207743 U1 RU 207743U1 RU 2021121270 U RU2021121270 U RU 2021121270U RU 2021121270 U RU2021121270 U RU 2021121270U RU 207743 U1 RU207743 U1 RU 207743U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gallium oxide
- nanocolumns
- radiation
- detector
- film
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 29
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 55
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 11
- QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N gallium(III) oxide Inorganic materials O=[Ga]O[Ga]=O QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 14
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000004876 x-ray fluorescence Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
Abstract
Полезная модель относится к солнечно-слепым устройствам детектирования УФ-излучения. Техническим результатом является получение простого по конструкции и дешевого детектора УФ-излучения при сохранении высокой чувствительности и обнаружительной способности. Чувствительная к УФ-излучению тонкая пленка оксида галлия выполнена из полиморфного оксида галлия, нанесенного на профилированную сапфировую подложку. Рабочая поверхность сапфировой подложки равномерно структурирована наноколонками, причем верхние поверхности наноколонок покрыты ромбоэдрической фазой оксида галлия α-Ga2O3, а площадки между наноколонками покрыты гексагональной фазой оксида галлия ε-Gа2О3. Наноколонки могут иметь вид четырехгранных усеченных пирамид с характерным размером 1,4-1,7 мкм, толщина чувствительной пленки может составлять 500-800 нм, чувствительный к УФ-излучению элемент может иметь площадь около 1,8-2 мм2и размещаться в стандартном защитном корпусе ТО-8. 3 з.п. ф-лы; 5 ил.The utility model relates to solar-blind devices for detecting UV radiation. The technical result is to obtain a simple in design and cheap detector of UV radiation while maintaining high sensitivity and detectivity. A thin film of gallium oxide sensitive to UV radiation is made of polymorphic gallium oxide deposited on a profiled sapphire substrate. The working surface of the sapphire substrate is uniformly structured with nanocolumns, with the upper surfaces of the nanocolumns covered with the rhombohedral phase of gallium oxide α-Ga2O3, and the areas between the nanocolumns are covered with the hexagonal phase of gallium oxide ε-Ga2O3. Nanocolumns can be in the form of tetrahedral truncated pyramids with a characteristic size of 1.4-1.7 microns, the thickness of the sensitive film can be 500-800 nm, the UV-sensitive element can have an area of about 1.8-2 mm2 and be placed in a standard protective case TO-8. 3 C.p. f-ly; 5 ill.
Description
Полезная модель относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению ультрафиолетового (УФ) диапазона, и может быть использована в конструкции и технологии производства полупроводниковых датчиков ультрафиолетового излучения.The utility model relates to the field of semiconductor devices that are sensitive to ultraviolet (UV) radiation and can be used in the design and production technology of semiconductor ultraviolet radiation sensors.
Существуют фотоэлектрические преобразователи на основе кремния, которые не позволяют продвинуться в коротковолновую область излучений в силу физических характеристик полупроводника. Известен, например, кремниевый детектор ультрафиолетового излучения со сниженной чувствительностью в видимом и ИК-диапазоне по патенту RU 88211 U1, МПК H01L 31/101 (2009 г., бюл. №30). Использование полупроводниковых материалов разного типа проводимости для создания потенциальных барьеров в подобных датчиках значительно усложняет технологию изготовления чувствительного элемента и конструкцию датчика.There are photovoltaic converters based on silicon, which do not allow advancing into the short-wavelength region of radiation due to the physical characteristics of the semiconductor. Known, for example, a silicon detector of ultraviolet radiation with reduced sensitivity in the visible and IR range according to patent RU 88211 U1, IPC H01L 31/101 (2009, bull. No. 30). The use of semiconductor materials of different types of conductivity to create potential barriers in such sensors significantly complicates the technology of manufacturing the sensitive element and the design of the sensor.
Основным источником естественных помех оптического диапазона является солнечная радиация, для защиты от которой УФ-датчики оборудуют различными фильтрами.The main source of natural interference in the optical range is solar radiation, to protect against which UV sensors are equipped with various filters.
Известен солнечно-слепой объектив по патенту RU 92206 U1 (2010 г., бюл. №7), который содержит входной и выходной фильтрующие блоки в виде набора стекол-фильтров, снабженных интерференционными покрытиями, между которыми установлены два кристаллических фильтра, имеющих различные полосы пропускания излучения, и несколько фокусирующих линз. Несмотря на сложность конструкции, объектив не устраняет полностью фоновое излучение в видимой области спектра, а сам детектор используют, в основном, для обнаружения коронного разряда на высоковольтных линиях передачи электроэнергии. Такими же недостатками обладает устройство для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-диапазоне по патенту RU 104709 U1 (2011 г., бюл. №14).Known solar-blind lens for patent RU 92206 U1 (2010, bul. No. 7), which contains input and output filter units in the form of a set of glass filters equipped with interference coatings, between which are installed two crystal filters with different passbands radiation, and several focusing lenses. Despite the complexity of the design, the lens does not completely eliminate background radiation in the visible region of the spectrum, and the detector itself is used mainly for detecting corona discharge on high-voltage power transmission lines. The same disadvantages have a device for detecting ultraviolet radiation in the UV range according to patent RU 104709 U1 (2011, bull. No. 14).
Для разработки устройств глубокого ультрафиолетового излучения перспективны материалы с большой шириной запрещенной зоны, к числу которых относятся оксиды металлов. Патент RU 77047 U1 (2008 г., бюл. №28) описывает детектор УФ-диапазона на основе пленки диоксида титана, нанесенной на подложку из кварцевого стекла. Пленка TiO2, легированная железом, нанесена в виде нескольких последовательно расположенных элементов, причем содержание железа увеличивается от элемента к элементу на 0.2%. Поверх пленки выполнены пленочные встречно-штыревые электроды. Датчик работает в диапазоне длин волн от 320 до 400 нм. Конструкция детектора достаточно проста, однако габариты его велики, не устранена чувствительность к солнечному излучению, диапазон принимаемого излучения смещен в длинноволновую область спектра.Materials with a large band gap, including metal oxides, are promising for the development of devices for deep ultraviolet radiation. Patent RU 77047 U1 (2008, bul. No. 28) describes a UV detector based on a titanium dioxide film deposited on a quartz glass substrate. TiO 2 film doped with iron, is coated in the form of several successive elements, the iron content is increased from element to element 0.2%. Film interdigital electrodes are made on top of the film. The sensor operates in the wavelength range from 320 to 400 nm. The design of the detector is quite simple, but its dimensions are large, the sensitivity to solar radiation has not been eliminated, the range of received radiation is shifted to the long-wavelength region of the spectrum.
Среди большой группы оксидов металлов выделяется Ga2O3, характеризующийся структурным полиморфизмом с существованием пяти фаз, имеющих различную структуру кристаллических решеток. Как следствие, тонкие пленки оксида галлия обладают разными электрофизическими и оптическими характеристиками. Рабочий интервал чувствительности оксида галлия к коротковолновому излучению находится в диапазоне от 200 до 300 нм. Это позволяет, не выходя за рамки одного и того же материала, создавать устройства с большим набором электрических и оптических характеристик.Among the large group of metal oxides, Ga 2 O 3 stands out, characterized by structural polymorphism with the existence of five phases with different crystal lattice structures. As a consequence, thin films of gallium oxide have different electrophysical and optical characteristics. The working range of the sensitivity of gallium oxide to short-wave radiation is in the range from 200 to 300 nm. This makes it possible, without going beyond the framework of one and the same material, to create devices with a wide range of electrical and optical characteristics.
В работе [1] приведены результаты исследований влияния УФ-излучения на структуры резистивного типа с пленками оксида галлия, полученными ВЧ-магнетронным напылением. Показано, что пленки Ga2O3 обнаруживают чувствительность к глубокому УФ-излучению (λ=222 нм), причем чувствительность структур к воздействию УФ-излучения резко возрастает после отжига при 900°С. На основе этих свойств оксида галлия предложены различные конструкции солнечно-слепых УФ-датчиков, интенсивно патентуемых в Китае (CN 109449219 A; CN 110854233 А и др.).In [1], the results of studies of the effect of UV radiation on resistive-type structures with gallium oxide films obtained by HF magnetron sputtering are presented. It was shown that Ga 2 O 3 films exhibit sensitivity to deep UV radiation (λ = 222 nm), and the sensitivity of structures to UV radiation increases sharply after annealing at 900 ° C. Based on these properties of gallium oxide, various designs of solar-blind UV sensors have been proposed, intensively patented in China (CN 109449219 A; CN 110854233 A, etc.).
Изобретение CN 109449219 A, H01L 31/09 (2019-03-08) описывает солнечно-слепой детектор ультрафиолетового излучения миллиметрового размера на основе монокристалла β-Ga2O3. Тонкий слой β-Ga2O3 получают методом механического отслаивания, электроды Ti/Au выращивают с помощью магнетронного распыления. Устройство обеспечивает преимущество высокого отношения фототока к темновому току и малое значение темнового тока, но работает при высокой интенсивности излучения порядка 400 мВт/см2.The invention CN 109449219 A, H01L 31/09 (2019-03-08) describes a solar-blind millimeter-sized ultraviolet radiation detector based on a β-Ga 2 O 3 single crystal. A thin layer of β-Ga 2 O 3 is obtained by mechanical peeling; Ti / Au electrodes are grown using magnetron sputtering. The device provides the advantage of a high photocurrent to dark current ratio and a low dark current value, but operates at high radiation intensities of the order of 400 mW / cm 2 .
Чувствительный к УФ элемент датчика на базе оксида галлия предложен в патенте CN 110854233 A, H01L 31/101 (2020-02-28). Использована поверхность Al2O3 в качестве подложки и триметилгаллий в качестве источника галлия. Метод подготовки включает следующие этапы: подготовка поверхности подложки Al2O3 с направлением (0001), выращивание на ней слоя пленки β-Ga2O3 методом химического газофазного осаждения и формирование на слое пленки β-Ga2O3 электродов Au/Ti посредством магнетронного напыления.A gallium oxide based UV sensor element is disclosed in CN 110854233 A, H01L 31/101 (2020-02-28). An Al 2 O 3 surface was used as a substrate and trimethylgallium as a gallium source. The preparation method includes the following stages: preparation of the surface of the Al 2 O 3 substrate with the direction (0001), growing a layer of a β-Ga 2 O 3 film on it by the method of chemical vapor deposition and the formation of Au / Ti electrodes on the layer of a β-Ga 2 O 3 film by magnetron sputtering.
Аналогичное устройство по патенту CN 110061089 А, H01L 31/101 (2019-07-26) представляет собой тонкую пленку β-Ga2O3 на наклонной подложке из Al2O3. Путем обработки подложки под углом можно улучшить характеристики фотоэлектрического детектора за счет более высокого качества осаждаемой пленки β-Ga2O3.A similar device according to patent CN 110061089 A, H01L 31/101 (2019-07-26) is a thin film of β-Ga 2 O 3 on an inclined Al 2 O 3 substrate. By angling the substrate, it is possible to improve the performance of the photoelectric detector due to the higher quality of the deposited β-Ga 2 O 3 film.
Приведенные в примерах детекторы основаны на монокристаллической фазе β-Ga2O3, чувствительность которой ограничена. Данные рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) показывают, что при быстром обжиге пленки Ga2O3 на плоской подложке кристаллизуются в моноклинную структуру [2], а в работе [3] показано, что полиморфные пленки оксида галлия обладают более высокой чувствительность к УФ-излучению, чем изоморфный оксид галлия. Помимо высоких фотоэлектрических характеристик, полиморфная пленка имеет хорошую согласованность кристаллической решетки с подложкой Al2O3, что является привлекательным аспектом для создания и промышленного производства УФ-детекторов на сапфире.The detectors shown in the examples are based on a monocrystalline β-Ga 2 O 3 phase, the sensitivity of which is limited. The X-ray fluorescence analysis (XRF) data show that, upon rapid firing, Ga 2 O 3 films on a flat substrate crystallize into a monoclinic structure [2], and it was shown in [3] that polymorphic gallium oxide films have a higher sensitivity to UV radiation, than isomorphic gallium oxide. In addition to high photoelectric characteristics, the polymorphic film has good crystal lattice matching with the Al 2 O 3 substrate, which is an attractive aspect for the creation and industrial production of UV sapphire detectors.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является солнечно-слепой ультрафиолетовый детектор на основе структуры оксида галлия с фазовым переходом по патенту CN 108767028 A H01L 31/09 (2018-11-06). Детектор выполнен на базе α-Ga2O3 и β-Ga2O3 фаз оксида галлия. На подложку из стекловолокна нанесена пленка α-Ga2O3, на которой выполнены наностолбики (наноколонки) того же состава высотой 1,0-1,5 мкм. Пленка α-Ga2O3 и наностолбики α-Ga2O3 выполнены из одного материала и являются единой структурой. Поверх массива наностолбиков нанесена пленка β-Ga2O3, которая покрывает периферию наностолбиков. Контакт между пленками α-Ga2O3 и β-Ga2O3 образует оболочку фазового перехода α-Ga2O3/β-Ga2O3. Детектор имеет два тонкопленочных электрода из Ti/Au, один расположен над массивом наностолбиков перехода α-Ga2O3/β-Ga2O3, а другой расположен на тонкой пленке α-Ga2O3 (детектор выбран за прототип).Closest to the claimed utility model is a solar-blind ultraviolet detector based on the structure of gallium oxide with a phase change according to the patent CN 108767028 A H01L 31/09 (2018-11-06). The detector is made on the basis of α-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 phases of gallium oxide. A film of α-Ga 2 O 3 is deposited on a glass fiber substrate, on which nanopillars (nanocolumns) of the same composition are made with a height of 1.0-1.5 microns. Film α-Ga 2 O 3 and nanoposts α-Ga 2 O 3 made of the same material and are a unitary structure. On top of the array of nanopillars, a β-Ga 2 O 3 film is deposited, which covers the periphery of the nanopillars. The contact between the α-Ga 2 O 3 and β-Ga 2 O 3 films forms a shell of the α-Ga 2 O 3 / β-Ga 2 O 3 phase transition. The detector has two Ti / Au thin-film electrodes, one is located above the array of nanopillars of the α-Ga 2 O 3 / β-Ga 2 O 3 transition, and the other is located on a thin film of α-Ga 2 O 3 (the detector is chosen as the prototype).
Недостатком прототипа является сложная многослойная конструкция чувствительного элемента, получаемая многоэтапной технологией. В частности, подложку из стекловолокна предварительно металлизируют галлием. Массив наностолбиков α-Ga2O3 выращивают на каплях расплава галлия с помощью магнетронного распыления и окисления кислородом, затем отжигают, после чего температуру продолжают повышать до 800°С для быстрого отжига и получения третьего слоя - β-Ga2O3, что удорожает производство. Кроме того, надежность детектора не велика, т.к. прочность прикрепления чувствительной пленки к подложке из гибкого стекловолокна вызывает сомнения.The disadvantage of the prototype is the complex multilayer design of the sensing element, obtained by multi-stage technology. In particular, the glass fiber substrate is pre-metallized with gallium. An array of α-Ga 2 O 3 nanopillars is grown on droplets of gallium melt using magnetron sputtering and oxygen oxidation, then annealed, after which the temperature continues to increase to 800 ° C for rapid annealing and obtaining a third layer - β-Ga 2 O 3 , which increases the cost production. In addition, the reliability of the detector is not great, since the strength of the adhesion of the sensitive film to the flexible glass fiber backing is questionable.
Технической задачей заявленной полезной модели является создание дешевого солнечно-слепого УФ-детектора упрощенной конструкции при сохранении высоких фотоэлектрических характеристик.The technical task of the claimed utility model is to create a cheap solar-blind UV detector of a simplified design while maintaining high photoelectric characteristics.
Поставленная задача решается тем, что детектор, как и прототип, содержит чувствительный к УФ-излучению элемент на основе оксида галлия Ga2O3, нанесенного в виде пленки на подложку, а также параллельные краям подложки металлические электроды, выполненные поверх пленки оксида галлия, корпус с приемным окном, электрические выводы. В отличие от известных аналогов и прототипа, в детекторе использована сапфировая подложка, рабочая поверхность которой равномерно структурирована наноразмерными наноколонками из материала подложки, а чувствительная к УФ-излучению тонкая пленка выполнена из нанесенного на эту подложку полиморфного оксида галлия, причем верхние площадки наноколонок покрыты ромбоэдрической фазой оксида галлия α-Ga2O3, а площадки между наноколонками покрыты гексагональной фазой оксида галлия ε-Ga2O3.The problem is solved by the fact that the detector, like the prototype, contains a UV-sensitive element based on gallium oxide Ga 2 O 3 deposited in the form of a film on a substrate, as well as metal electrodes parallel to the edges of the substrate, made over the gallium oxide film, a housing with a receiving window, electrical outlets. In contrast to the known analogs and the prototype, the detector uses a sapphire substrate, the working surface of which is uniformly structured with nanosized nanocolumns from the substrate material, and a thin film sensitive to UV radiation is made of polymorphic gallium oxide deposited on this substrate, and the upper areas of the nanocolumns are covered with a rhombohedral phase gallium oxide α-Ga 2 O 3 , and the areas between the nanocolumns are covered with a hexagonal phase of gallium oxide ε-Ga 2 O 3 .
Кроме того, в частных предпочтительных случаях реализации полезной модели упомянутые наноколонки могут иметь вид четырехгранных усеченных пирамидок с характерными размерами 1,4-1,7 мкм, а толщина пленки α-Ga2O3/ε-Ga2O3 может составлять от 500 до 800 нм.In addition, in particular preferred cases of the implementation of the utility model, the mentioned nanocolumns can have the form of tetrahedral truncated pyramids with characteristic dimensions of 1.4-1.7 μm, and the thickness of the α-Ga 2 O 3 / ε-Ga 2 O 3 film can be from 500 up to 800 nm.
Кроме того, при конкретной реализации упомянутый чувствительный к УФ-излучению элемент может быть выполнен площадью 1,8-2 мм2.In addition, in a particular implementation, said UV-sensitive element can be made with an area of 1.8-2 mm 2 .
Кроме того, активная область детектора может быть размещена в стандартном защитном корпусе ТО-8.In addition, the active area of the detector can be placed in a standard TO-8 protective case.
Очевидно, что описанные варианты осуществления являются только частью вариантов конструкции настоящей полезной модели, а не всеми возможными вариантами осуществления.It is obvious that the described embodiments are only a part of the embodiments of the present invention, and not all possible embodiments.
Конструкция полезной модели иллюстрируется чертежами:The design of the utility model is illustrated by drawings:
Фиг. 1 - Поперечный разрез активной области детектора. Цифрами обозначены: 1 - профилированная наноколонками подложка; 2 - тонкая пленка полиморфного оксида галлия; 3,4- электроды.FIG. 1 - Cross section of the active area of the detector. Numbers denote: 1 - support profiled by nanocolumns; 2 - a thin film of polymorphic gallium oxide; 3,4- electrodes.
Фиг. 2 - ПЭМ изображение поверхности структурированной сапфировой подложки, где отмечены характерные области с различной кристаллографической структурой: а - α- Ga2O3; б - ε- Ga2O3.FIG. 2 - TEM image of the surface of a structured sapphire substrate, where characteristic regions with different crystallographic structures are marked: a - α-Ga 2 O 3 ; b - ε- Ga 2 O 3 .
Фиг. 3 - Зависимость интенсивности выходящего излучения от длины волны излучения при комнатной температуре.FIG. 3 - Dependence of the intensity of the output radiation on the radiation wavelength at room temperature.
Фиг. 4 - ВАХ детектора на основе ε-Ga2O3/α-Ga2O3, полученная без воздействия ультрафиолетового излучения.FIG. 4 - I - V characteristic of a detector based on ε-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 , obtained without exposure to ultraviolet radiation.
Фиг. 5 - ВАХ детектора на основе ε-Ga2O3/α-Ga2O3, полученная при воздействии ультрафиолетового излучения длиной волны 254 нм.FIG. 5 - I - V characteristic of a detector based on ε-Ga 2 O 3 / α-Ga 2 O 3 , obtained by exposure to ultraviolet radiation with a wavelength of 254 nm.
Предлагаемый детектор ультрафиолетового излучения содержит профилированную подложку 1 из сапфира, с нанесенной на нее полиморфной пленкой 2 ε-Ga2O3/α-Ga2O3, на которую, в свою очередь, нанесены металлические электроды 3, 4.The proposed ultraviolet radiation detector contains a profiled
Полиморфная пленка оксида галлия выращивается на сапфировой подложке методом хлоридной газофазной эпитаксии HVPE, напыление на профилированную сапфировую подложку дает смешанную структуру, содержащую как α- Ga2O3, так и ε- Ga2O3 [3].A polymorphic gallium oxide film is grown on a sapphire substrate by HVPE chloride vapor phase epitaxy; deposition on a profiled sapphire substrate gives a mixed structure containing both α-Ga 2 O 3 and ε-Ga 2 O 3 [3].
Затем, при помощи фотолитографии на поверхности пленки формируют параллельные металлические электроды, например, путем магнетронного распыления платины.Then, using photolithography, parallel metal electrodes are formed on the surface of the film, for example, by magnetron sputtering of platinum.
На следующем этапе полученная структура режется на чувствительные элементы требуемого размера, которые размещаются в защитном корпусе, например, распаиваются при помощи золотой проволоки к выводам корпуса ТО-8.At the next stage, the resulting structure is cut into sensitive elements of the required size, which are placed in a protective case, for example, they are soldered with gold wire to the terminals of the TO-8 case.
Основное преимущество заявленной полезной модели заключается в том, что наноколонками равномерно структурирован не оксид галлия, как в прототипе, а рабочая поверхность подложки. Такие профилированные подложки доступны на рынке или могут быть изготовлены под заказ. Вместо структур α-Ga2O3/β-Ga2O3 использована структура α-Ga2O3/ε-Ga2O3, технология получения которой на подложке с наноколонками более проста.The main advantage of the claimed utility model lies in the fact that nanocolumns are uniformly structured not gallium oxide, as in the prototype, but the working surface of the substrate. Such profiled substrates are available on the market or can be customized. Instead of the α-Ga 2 O 3 / β-Ga 2 O 3 structures, the α-Ga 2 O 3 / ε-Ga 2 O 3 structure was used, the technology of obtaining which on a substrate with nanocolumns is simpler.
Использование профилированной сапфировой подложки обеспечивает лучшую квантовую эффективность. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) поперечного сечения эпитаксиального слоя Ga2O3, выращенного на узорчатой сапфировой подложке, показала, что колончатые наноструктуры покрыты фазой α-Ga2O3 а фаза ε-Ga2O3 заполняет впадины между столбцами. Фаза ε-Ga2O3 имеет более низкую кристалличность с узким уширением FWHM [3].The use of a profiled sapphire substrate provides better quantum efficiency. Transmission electron microscopy (TEM) of the cross section of an epitaxial Ga 2 O 3 layer grown on a patterned sapphire substrate showed that the columnar nanostructures are coated with the α-Ga 2 O 3 phase and the ε-Ga 2 O 3 phase fills the cavities between the columns. The ε-Ga 2 O 3 phase has a lower crystallinity with a narrow broadening FWHM [3].
Выполнение наноструктурных неоднородностей в виде регулярного массива пирамид с характерными размерами 1,4-1,7 мкм позволяет значительно увеличить облучаемую площадь при сохранении миллиметровых размеров чувствительного элемента, ε-фаза Ga2O3 имеет меньшую ширину запрещенной зоны по сравнению с α-фазой. Можно полагать, что фазы оксида галлия, обладая разной кристаллической структурой, расширяют возможности преодоления работы выхода электронов из зоны Ферми при облучении квантами различной энергии в спектре принимаемого УФ-излучения.The implementation of nanostructural inhomogeneities in the form of a regular array of pyramids with a characteristic size of 1.4-1.7 microns can significantly increase the irradiated area while maintaining the millimeter dimensions of the sensitive element, the ε-Ga 2 O 3 phase has a smaller band gap compared to the α-phase. It can be assumed that the phases of gallium oxide, having different crystal structures, expand the possibilities of overcoming the work function of electrons from the Fermi zone when irradiated with quanta of different energies in the spectrum of received UV radiation.
Выполнены измерения реакции заявленного детектора на конкретные источники УФ-облучения:Measurements of the response of the declared detector to specific sources of UV radiation have been carried out:
- Наибольшие значения фототока лежат в области напряжений U=50-70 В, отношение сигнал/шум = 2.8⋅106 отн. ед. при потоке излучения 1.6 мВт (интенсивность около 90 мВт/см2) и на длине волны 254 нм.- The largest values of the photocurrent lie in the voltage range U = 50-70 V, the signal-to-noise ratio = 2.8⋅10 6 rel. units at a radiation flux of 1.6 mW (intensity about 90 mW / cm2) and at a wavelength of 254 nm.
- Спектр поглощения чувствительного элемента показывает, что детектор УФ-излучения является солнечно-слепым, из графика фиг. 3 видно, что пленка Ga2O3 практически непрозрачна для солнечного света, т.е. элемент не нуждается в дополнительных фильтрах для отсечения ИК и видимого спектра излучения, что хорошо согласуется с данными работ [1, 2, 3]- The absorption spectrum of the sensing element shows that the UV detector is solar blind, from the graph in FIG. 3 that the Ga 2 O 3 film is practically opaque to sunlight, i.e. the element does not need additional filters to cut off the IR and visible radiation spectrum, which is in good agreement with the data of works [1, 2, 3]
- Согласно расчетам по формулам работы [4], удельная обнаружительная способность детектора достигает D*=3.2⋅1013 см Гц0.5 Вт-1;- According to calculations according to the formulas of [4], the specific detectivity of the detector reaches D * = 3.2⋅10 13 cm Hz 0.5 W -1 ;
- Чувствительность, в зависимости от конструктивных параметров, области применения может достигать 10-15 А/Вт при напряжении смещения 40 В. Как известно, для повышения чувствительности к более коротким волнам пленка полиморфного оксида галлия может быть легирована металлом, например, железом.- The sensitivity, depending on the design parameters, the field of application, can reach 10-15 A / W at a bias voltage of 40 V. As you know, to increase the sensitivity to shorter waves, a film of polymorphic gallium oxide can be doped with a metal, for example, iron.
Таким образом, заявленный солнечно-слепой детектор УФ-диапазона несложной конструкции обеспечивает высокие фотоэлектрические характеристики. Технология получения пленок хорошо известна, сапфировые подложки требуемого профиля производятся промышленно, а фазообразование оксида формируется за счет потенциала выбранного профиля. Детектор не нуждается в дополнительных фильтрах для отсечения ИК и видимого спектра излучения. Достигнута требуемая чувствительность к ультрафиолетовому излучению, пригодная к применению в различных областях техники. Проведенные испытания подтвердили промышленную применимость полезной модели.Thus, the claimed solar-blind UV detector of a simple design provides high photoelectric characteristics. The technology for producing films is well known, sapphire substrates of the required profile are produced commercially, and the phase formation of the oxide is formed due to the potential of the selected profile. The detector does not need additional filters to cut off the IR and visible radiation spectrum. The required sensitivity to ultraviolet radiation, suitable for use in various fields of technology, has been achieved. The tests carried out have confirmed the industrial applicability of the utility model.
Использованные источники:Used sources:
1 Петрова Ю.С. et al. Сб. трудов 8-ой Международной НПК, г. Томск, 2019, https://core.ac.uk/download/pdf/322643608.pdf, обращение июнь 2021.1 Petrova Yu.S. et al. Sat. proceedings of the 8th International NPK, Tomsk, 2019, https://core.ac.uk/download/pdf/322643608.pdf, accessed June 2021.
2. G. Hu, С.Shan, Nan Zhang, М. Jiang, S. Wang, and D. Shen. High gain Ga2O3 solar-blind photodetectors realized via a carrier multiplication process // Optic Express. 2015. V. 23. P. 13554-13561. https://www.researchgate.net/publication/277899850, обращение июнь 2021.2. G. Hu, C. Shan, Nan Zhang, M. Jiang, S. Wang, and D. Shen. High gain Ga 2 O 3 solar-blind photodetectors realized via a carrier multiplication process // Optic Express. 2015. V. 23. P. 13554-13561. https://www.researchgate.net/publication/277899850, accessed June 2021.
3. V. Nikolaev et al. HVPE growth of α- and ε-Ga2O3 on patterned sapphire substrates. Journal of Physics: Conference Series 1400 (2019) 055049; 2019_J_Phys_Conf_Ser_1400_055049).3. V. Nikolaev et al. HVPE growth of α- and ε-Ga 2 O 3 on patterned sapphire substrates. Journal of Physics: Conference Series 1400 (2019) 055049; 2019_J_Phys_Conf_Ser_1400_055049).
4. X. Gong, M. Tong, Y. Xia et. al., High-detectivity polymer photodetectors. Science 325(5948), 1665-1667 (2009).4. X. Gong, M. Tong, Y. Xia et. al., High-detectivity polymer photodetectors. Science 325 (5948), 1665-1667 (2009).
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021121270U RU207743U1 (en) | 2021-07-16 | 2021-07-16 | SOLAR BLIND UV DETECTOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021121270U RU207743U1 (en) | 2021-07-16 | 2021-07-16 | SOLAR BLIND UV DETECTOR |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU207743U1 true RU207743U1 (en) | 2021-11-15 |
Family
ID=78610798
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021121270U RU207743U1 (en) | 2021-07-16 | 2021-07-16 | SOLAR BLIND UV DETECTOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU207743U1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU104709U1 (en) * | 2010-12-21 | 2011-05-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-технический центр "Реагент" | DEVICE FOR DETECTING UV RADIATION IN THE UV-RANGE |
| CN108767028A (en) * | 2018-05-30 | 2018-11-06 | 陈谦 | Flexible solar blind ultraviolet detector and preparation method thereof based on gallium oxide heterojunction structure |
| CN109873038A (en) * | 2019-03-19 | 2019-06-11 | 南方科技大学 | A kind of field effect transistor and preparation method thereof |
| CN108922931B (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-10 | 中国科学院微电子研究所 | Gallium oxide-based ultraviolet detector and manufacturing method thereof |
| CN111215044A (en) * | 2020-02-06 | 2020-06-02 | 浙江理工大学 | Ga based on flexible substrate2O3Nano-column photocatalytic material and preparation method thereof |
-
2021
- 2021-07-16 RU RU2021121270U patent/RU207743U1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU104709U1 (en) * | 2010-12-21 | 2011-05-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-технический центр "Реагент" | DEVICE FOR DETECTING UV RADIATION IN THE UV-RANGE |
| CN108767028A (en) * | 2018-05-30 | 2018-11-06 | 陈谦 | Flexible solar blind ultraviolet detector and preparation method thereof based on gallium oxide heterojunction structure |
| CN108922931B (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-10 | 中国科学院微电子研究所 | Gallium oxide-based ultraviolet detector and manufacturing method thereof |
| CN109873038A (en) * | 2019-03-19 | 2019-06-11 | 南方科技大学 | A kind of field effect transistor and preparation method thereof |
| CN111215044A (en) * | 2020-02-06 | 2020-06-02 | 浙江理工大学 | Ga based on flexible substrate2O3Nano-column photocatalytic material and preparation method thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| КАЛЫГИНА В.М. и др. СОЛНЕЧНО-СЛЕПЫЕ ДЕТЕКТОРЫ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК β-Ga2O3//ФИЗИКА И ТЕХНИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ 2020, Т.54, ВЫП.6, С.575-579. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Thinness-and shape-controlled growth for ultrathin single-crystalline perovskite wafers for mass production of superior photoelectronic devices | |
| Shaikh et al. | Chemical bath deposited ZnO thin film based UV photoconductive detector | |
| Hou et al. | Ultrahigh-Performance Solar-Blind Photodetector Based on $\alpha $-Phase-Dominated Ga 2 O 3 Film With Record Low Dark Current of 81 fA | |
| CN107507876B (en) | beta-Ga2O3Solar-based blind ultraviolet photoelectric detector array and preparation method thereof | |
| Elkamel et al. | High responsivity and 1/f noise of an ultraviolet photodetector based on Ni doped ZnO nanoparticles | |
| Selman et al. | Fabrication and characterization of metal–semiconductor–metal ultraviolet photodetector based on rutile TiO2 nanorod | |
| Nurfani et al. | UV sensitivity enhancement in Fe-doped ZnO films grown by ultrafast spray pyrolysis | |
| Chu et al. | Fabrication and characterization of Ni-Doped ZnO nanorod arrays for UV photodetector application | |
| US9112074B2 (en) | UV photodetectors having semiconductor metal oxide layer | |
| Upadhyay et al. | BiFeO 3/CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite heterojunction based near-infrared photodetector | |
| Su et al. | Facile fabrication of heterostructure with p-BiOCl nanoflakes and n-ZnO thin film for UV photodetectors | |
| Pooja et al. | Annealed n-TiO2/In2O3 nanowire metal-insulator-semiconductor for highly photosensitive low-noise ultraviolet photodetector | |
| Wang et al. | β-Ga 2 O 3 nanorod arrays with high light-to-electron conversion for solar-blind deep ultraviolet photodetection | |
| Nurfani et al. | Origin of fast-response photocurrent in ZnO thin film | |
| Moudgil et al. | In 2 O 3/TiO 2 heterostructure for highly responsive low-noise ultraviolet photodetector | |
| Salunkhe et al. | Performance evaluation of transparent self-powered n-ZnO/p-NiO heterojunction ultraviolet photosensors | |
| Liu et al. | High-detectivity and sensitive UVA photodetector of polycrystalline CH3NH3PbCl3 improved by α-Ga2O3 nanorod array | |
| Zhang et al. | Effects of oxygen pressure on PLD-grown Be and Cd co-substituted ZnO alloy films for ultraviolet photodetectors | |
| Chetri et al. | Improved photodetector performance of SnO2 nanowire by optimized air annealing | |
| Liu et al. | Noise properties of Mg-doped ZnO nanorods visible-blind photosensors | |
| Gu et al. | Structural, optical and photoelectric properties of Mn-doped ZnO films used for ultraviolet detectors | |
| Shougaijam et al. | Enhancement of broad light detection based on annealed Al-NPs assisted TiO2-NWs deposited on p-Si by GLAD technique | |
| Chen et al. | Boosting the performance of ZnO microrod metal-semiconductor-metal photodetectors via surface capping of thin amorphous Al2O3 shell layer | |
| Pedapudi et al. | Ultrasensitive pn junction UV-C photodetector based on p-Si/β-Ga2O3 nanowire arrays | |
| Vieira et al. | Improvement of the deep UV Sensor performance of a β-Ga 2 O 3 photodiode by coupling of two planar diodes |