CN100517771C - 一种垂直结构的ZnO紫外光电导探测器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备高性能垂直结构的ZnO紫外光电导探测器的方法。该方法利用在蓝宝石或石英衬底上依次沉积ITO薄膜和ZnO薄膜；再对薄膜在氧气氛中对ZnO薄膜进行400℃热处理，改善了ZnO薄膜的光电响应特性；然后将ZnO薄膜层腐蚀后露出ITO薄膜形成ZnO台面；最后在ZnO台面上沉积金属Al作为欧姆接触电极，以此获得了垂直结构的ZnO紫外光电导探测器。整个制备过程简单，成本低廉，易于控制，有利于光电集成，且容易产业化，有很高的实用价值。

Description

一种垂直结构的ZnO紫外光电导探测器的制备方法

技术领域

本发明属于光电探测领域，涉及一种垂直结构的ZnO紫外光电导探测器的制备方法。

背景技术

紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一新型探测技术。紫外探测器被广泛的应用于国防军事、天文学、环境监测、燃烧工程、水净化处理、火焰探测、生物效应、天际通信及环境污染监测等领域，具有极高的军事和民用价值。特别是在国防应用中，基于导弹紫外辐射探测的紫外预警等方面已成为紫外探测的研究重点。

由于ZnO(Eg＝3.34eV)相比于其他III-V族宽禁带化合物半导体有很多优势，例如在室温下具有更高的激子束缚能(60meV)，可以在较低温度下生长(100～750℃)；国外有理论报道，认为与GaN探测器相比较，ZnO探测器的响应度会更高，约为10³倍。ZnO还具有很高的抗辐射性，并且全固态的ZnO紫外探测器，相比于其他常规探测器来说，更适合应用于恶劣的外界环境。因此，对于ZnO基紫外探测器的研制，已引起研究人员的广泛重视。然而由于P型ZnO较难制备，可靠性和重复性也较差，ZnO基紫外探测器的研究主要集中在光导型探测器的制备。另外，由于垂直结构的探测器单元制备简单，易于集成等优点，也使其成为了研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提出一种垂直结构的ZnO紫外光电导探测器的制备方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种垂直结构的ZnO紫外光电导探测器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将石英或蓝宝石衬底按照常规工艺清洗并烘干，以去除表面吸附的杂质和水蒸汽，再将其放入真空系统中，使之平行于ITO或ZnO陶瓷靶材放置，距离约为7cm左右；

2)预抽真空到10^-4Pa，缓慢通入氧气和氩气，同时调节的氧气和氩气流量比到约1∶2左右，把两者的混合气体通入真空室，再使真空室气压保持为1Pa～1.5Pa；

3)打开射频源，调节射频功率为100W～200W，依次开始生长ITO薄膜和ZnO薄膜，其中，ITO薄膜的厚度为150nm-200nm，ZnO薄膜的厚度为600nm；

4)然后，将样品水平放置在石英炉内，系统抽真空后，再通入高纯O₂，并缓慢升温至400℃保持一个小时，进行后退火处理；

5)对后退火处理的样品用浓度约为20％的NH₄Cl溶液进行腐蚀，直至露出ITO薄膜，形成ZnO台面；

6)最后在ZnO台面上沉积厚度为200nm左右的金属Al作为欧姆接触电极，从而制备了垂直结构的ZnO紫外光电导探测器。

本发明的方法可以制备出一种垂直结构的的ZnO紫外光电导探测器，整个制备过程简单，成本低廉，易于控制，有利于光电集成，且容易产业化，有很高的实用价值。

附图说明

图1是垂直结构ZnO紫外光电导探测器的示意图。

图2是本发明制备的ZnO探测器的明、暗电流曲线。

图3是本发明制备的ZnO探测器的时间响应的上升和下降曲线。

具体实施方式

本发明是在石英玻璃或蓝宝石衬底1上依次沉积透明导电的ITO薄膜2和ZnO薄膜3，并在氧气中400℃下热处理一个小时，然后用浓度约为20％的NH₄Cl溶液对样品进行腐蚀，露出ITO薄膜2，形成ZnO台面，最后在ZnO台面上表面再沉积金属Al电极4，可获得垂直结构的ZnO紫外光电导探测器。在本发明中，采用射频反应溅射(RF Sputtering)方法在衬底上沉积的ITO薄膜和ZnO薄膜，厚度分别约为150nm和600nm左右。沉积时真空室内通入适量的氧气，氧气的通入可以降低生长过程中产生的O空位，使ZnO薄膜更接近完整的化学计量比；然后，将ZnO薄膜水平放置在石英炉内，通入高纯O₂，并缓慢升温至400℃保持一个小时；然后，用浓度约为20％的NH₄Cl溶液对样品进行腐蚀，直到露出ITO薄膜，形成ZnO台面；最后，在ZnO台面表面沉积金属铝作为欧姆电极，得到垂直结构的ZnO紫外光电导探测器(见图1)。

具体的实施步骤如下：

1.将石英或蓝宝石衬底1按照常规工艺清洗并烘干，以去除表面吸附的杂质和水蒸汽，再将其放入真空系统中，使之平行于ITO或ZnO靶陶瓷材放置，距离约为7cm左右，ZnO陶瓷靶材的纯度为99.999％；

2.预抽真空到10^-4Pa，缓慢通入氧气和氩气，同时调节的氧气和氩气流量比到约1∶2左右，把两者的混合气体通入真空室，再使真空室气压保持为1Pa～1.5Pa；

3.打开射频源，调节射频功率为100～200W左右，依次开始生长ITO薄膜2和ZnO薄膜3，厚度分别约为150nm和600nm左右；

4.然后，将样品水平放置在石英炉内，系统抽真空后，再通入高纯O₂，并缓慢升温至400℃保持一个小时，进行后退火处理；

5.然后，用浓度约为20％的NH₄Cl溶液对样品进行腐蚀，露出ITO薄膜2，形成ZnO台面；

6.最后在ZnO台面上表面沉积厚度约为200nm左右的金属Al作为欧姆接触电极4，从而制备了垂直结构的ZnO紫外光电导探测器(见图1)。

申请人对制备的垂直结构的ZnO紫外光电探测器的探测性能进行了测试，发现该探测器在紫外辐照下具有较高的光电流，在5V偏压下，光电流和暗电流分别为15.87mA和0.87mA；并具有较快的上升时间和下降时间，分别约为68.2ns(10％-90％)和320μs(1-1/3)(见图2、图3)。

Claims (4)

1.一种垂直结构ZnO紫外光电导探测器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将衬底按照常规工艺清洗并烘干，以去除表面吸附的杂质和水蒸汽，再将其放入真空室中，使之平行于ITO或ZnO陶瓷靶材放置，距离为7cm；

2)预抽真空到10^-4Pa，缓慢通入氧气和氩气，同时调节的氧气和氩气流量比到1∶2，把两者的混合气体通入真空室，再使真空室气压保持为1Pa～1.5Pa；

3)打开射频源，调节射频功率为100W～200W，依次开始生长ITO薄膜和ZnO薄膜，其中，ITO薄膜的厚度为150nm-200nm，ZnO薄膜的厚度为600nm；

4)然后，将样品水平放置在石英炉内，真空室抽真空后，再通入高纯O₂，并缓慢升温至400℃后保持一个小时，进行后退火处理；

5)对后退火处理的样品用浓度为20％的NH₄Cl溶液进行腐蚀，直至露出ITO薄膜，形成ZnO台面；

6)最后在ZnO台面上表面沉积厚度为200nm的金属Al作为欧姆接触电极，从而得到垂直结构的ZnO紫外光电导探测器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的ZnO陶瓷靶材的纯度为99.999％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的衬底(1)的材料为石英或蓝宝石。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的ZnO薄膜(3)选用半导体带系较窄的MgZnO薄膜。

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