CN101055903A - 一种高性能ZnO MSM型紫外光电导探测器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备高性能ZnO MSM型紫外光电导探测器的方法。该方法利用在气压为9.0×104Pa～1.0×105Pa的纯氧气氛中对ZnO薄膜进行热处理，改善了ZnO薄膜的光电响应特性，以此获得了高灵敏度、快速响应的ZnO MSM型紫外光电导探测器。整个制备过程简单，成本低廉，易于控制；若在Si基衬底上制作，则可与常规的Si工艺兼容，有利于光电集成，且容易产业化，有很高的实用价值。

Description

一种高性能ZnO MSM型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ZnO金属-半导体-金属结构(MSM型)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℃)，还具有很高的抗辐射性，可以应用于恶劣的环境。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MSM结构的光导型和肖特基型探测器的制备。另外，由于MSM结构的探测器具有量子效率高，响应速度快，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高灵敏度、快速响应的ZnO MSM型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：
一种高性能ZnO MSM型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，去除表面吸附的杂质和水蒸汽，再将衬底放入真空系统中，生长时ZnO陶瓷靶材与衬底均水平放置，垂直距离为7cm；
2)生长前将真空系统预抽真空到10-4Pa，然后缓慢通入氧气和氩气，同时调节氧气和氩气的流量比到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1～1.5Pa；
3)打开射频源，调节射频功率为100～200W左右，开始生长ZnO薄膜，生长时间为3～5小时，生长的ZnO薄膜厚度为150nm～500nm；
4)然后将ZnO薄膜水平放置在石英炉内，抽真空至10-3Pa后，通入高纯O2，并缓慢升温至900℃保持一个小时，并使炉内O2气压保持在9.0×104Pa～1.0×105Pa；
5)最后，在ZnO薄膜表面用光刻方法制作叉指电极，再用热蒸发或射频溅射方法，在表面沉积厚度为200nm的金属Al或者ITO透明导电薄膜作为欧姆接触电极，并用常规的剥离的方法即可获得ZnO MSM型紫外光电导探测器；
其中，叉指电极的对数为30～50对，叉指电极间距和指宽分别为10μm和30μm；
6)将ZnO MSM型紫外光电导探测器在真空中退火处理30分钟，以增加ZnO和欧姆电极的接触。
本发明的方法可以制备出一种高灵敏度、快速响应的ZnO MSM型紫外光电导探测器，整个制备过程简单，成本低廉，易于控制；若在Si基衬底上制作，则可与常规的Si工艺兼容，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ZnO MSM型紫外光电探测器的制作流程。
图2是本发明制备的ZnO探测器的叉指电极的示意图。
图3是本发明制备的ZnO探测器的明、暗电流曲线。
图4是本发明制备的ZnO探测器的时间响应的上升和下降曲线。
图5是本发明制备的ZnO探测器的光谱响应曲线。
                     具体实施方式
本发明是在衬底上沉积ZnO薄膜，并在氧气中900℃下热处理一个小时，然后在ZnO薄膜表面用光刻方法制作叉指图形，再沉积金属Al作为欧姆接触电极，并用常规的剥离的方法获得ZnO MSM型紫外光电导探测器。衬底一般用硅片、石英玻璃或蓝宝石；欧姆电极可以用金属Al或透明导电的ITO薄膜；在本发明中，采用射频反应溅射(RF Sputtering)方法在衬底上沉积ZnO薄膜，薄膜厚度约为150nm～500nm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900℃保持一个小时，并使炉内O2气压保持在9.0×104Pa～1.0×105Pa左右；最后，在ZnO薄膜表面用光刻方法制作叉指图形，再沉积金属铝作为欧姆接触电极，并用常规的剥离的方法获得ZnO MSM型紫外光电导探测器。
具体的实施步骤如下：
1.将SiO2/Si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100～200W左右，开始生长ZnO薄膜，生长时间为3～5小时，生长的ZnO薄膜厚度约为150nm～500nm。
4.然后将ZnO薄膜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900℃保持一个小时，并使炉内O2气压保持在9.0×104Pa～1.0×105Pa左右。
5.最后，在ZnO薄膜表面用光刻方法制作叉指图形，再沉积厚度约为200nm左右的金属Al作为欧姆接触电极，并用常规的剥离的方法获得ZnOMSM型紫外光电导探测器(以上工艺流程见图1)，其中叉指电极对数为30～50对不等，叉指电极间距和指宽分别为10μm和30μm(见图2)。
6.为增加Al和ZnO的欧姆接触，整个器件在真空中退火处理30分钟。
申请人对制备的ZnO MSM型紫外光电探测器的探测性能进行了测试，发现该探测器具有较高的灵敏度和明暗电流比，在5V偏压下，分别为741.3A/W和2477.1；并具有较快的上升时间和下降时间，分别约为63.8ns(10％-90％)和17.6μs(90％-10％)(见图3、图4)，并且光谱响应非常理想(图5)。

Claims (3)

1.一种高性能ZnO MSM型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，去除表面吸附的杂质和水蒸汽，再将衬底放入真空系统中，生长时ZnO陶瓷靶材与衬底均水平放置，垂直距离为7cm；
2)生长前将真空系统预抽真空到10-4Pa，然后缓慢通入氧气和氩气，同时调节氧气和氩气的流量比到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左右，开始生长ZnO薄膜，生长时间为3～5小时，生长的ZnO薄膜厚度为150nm～500nm；
4)然后将ZnO薄膜水平放置在石英炉内，抽真空至10-3Pa后，通入高纯O2，并缓慢升温至900℃保持一个小时，并使炉内O2气压保持在9.0×104Pa～1.0×105Pa；
5)最后，在ZnO薄膜表面用光刻方法制作叉指电极，再用热蒸发或射频溅射方法，在表面沉积厚度为200nm的金属Al或者ITO透明导电薄膜作为欧姆接触电极，并用常规的剥离的方法即可获得ZnO MSM型紫外光电导探测器；
其中，叉指电极的对数为30～50对，叉指电极间距和指宽分别为10μm和30μm；
6)将ZnO MSM型紫外光电导探测器在真空中退火处理30分钟，以增加ZnO和欧姆电极的接触。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的衬底采用SiO2/Si、石英玻璃或者蓝宝石。
3.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％。
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