CN101409311B - 一种硅基双异质结可见盲紫外探测器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基双异质结可见盲紫外探测器及其制造方法。该器件结构包括：p-Si衬底；MgO绝缘层；n-ZnO基薄膜层；n型欧姆接触电极；p型欧姆接触电极。该器件的制备方法包括如下步骤：在清洁的Si衬底上用外延生长设备生长MgO绝缘层，并在MgO上生长n-ZnO基薄膜层；用公知的光刻技术和公知的金属薄膜沉积方法，在n-ZnO基薄膜层上沉积n型欧姆接触电极；在Si衬底背面沉积p型欧姆接触电极。利用这种方法，能够在廉价并且具有成熟集成工艺的半导体硅衬底上制备出高性能可见盲紫外光电探测器。

Description

一种硅基双异质结可见盲紫外探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种硅基双异质结可见盲紫外探测器及其制造方法，尤其是通过在p-Si衬底和宽禁带半导体n-ZnO基薄膜之间插入一层绝缘体材料MgO而获得的具有可见盲紫外响应的双异质结光电探测器及其制造方法。
背景技术
作为第三代半导体的核心基础材料，ZnO具有非常优越的光电性能，其室温禁带宽度为3.37eV、自由激子结合能为60meV，已成为继GaN(自由激子结合能为25meV)之后又一重要的宽禁带半导体材料，在低阈值、高效率的短波长光电子器件领域有着极为广阔的应用前景。ZnO基紫外探测器是目前最被看好的应用之一。由于ZnO基薄膜具有很好的光电导特性，在民用及军事上都有重大的应用价值，如臭氧检测仪、火焰传感器、污染监测仪、保密通讯、导弹羽烟探测器及飞行器探测器等。特别是在光电对抗这一军事高技术领域，紫外对抗与反对抗技术已占据愈来愈重要的位置，开发可工作在更高温度下、更高效和更可靠的中紫外探测器对提高紫外报警技术水平具有举足轻重的作用。禁带宽度为3.37eV的本征ZnO经掺杂后，如掺Mg形成ZnMgO合金，其禁带宽度可以随Mg含量的增加而变宽，从而使得探测范围能够向中紫外乃至深紫外方向扩展，这在民用和军事领域都有着极其重要的应用价值。
p-n结二极管光电探测器因其很高的探测率在现有的三种半导体光电探测器(光电导型，p-n结型，Schottky型)中最具优势，但是由于ZnO材料在制备p型上存在困难，目前国际上还没有很好的方法制备出较高载流子浓度的稳定可控的p-ZnO，因此对以其他p型材料(NiO，SiC，Si等)为基础的异质结二极管的研究受到越来越多的关注。由于硅材料具有低廉的价格和成熟的半导体集成电路工艺，所以Si基ZnO器件将有巨大的潜力。硅材料作为一种窄带隙半导体，光响应波长范围非常广，覆盖了部分红外，整个可见和部分紫外波段。在可见光或近红外波段，硅基探测器已经用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于红外热成像、红外遥感等方面。而对于紫外光探测，往往需要仅针对某个波段的紫外光进行响应，不受其他波段比如可见光的干扰，这样的器件可以工作在波长范围更广的背景辐射环境中。硅材料由于其本身的性质决定了它很难达到这个要求，而通过与ZnO的紫外光导特性相结合，可以解决这一问题。但是目前已有的n-ZnO/p-Si异质结光探测器件大都对可见光仍然存在响应(I.-S.Jeong，et al，Appl.Phys.Lett.83，2946(2003)；C.H.Park，et al，Appl.Phys.Lett.82，3973(2003)；S.Mridha，et al，J.Appl.Phys.101，083102(2007)；)，无法在可见光环境中对紫外光进行探测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅基双异质结可见盲紫外光电探测器及其制造方法。利用这种方法，能够在廉价并且具有成熟集成工艺的半导体硅衬底上制造出可见盲紫外光电探测器。
本发明提供的硅基双异质结可见盲紫外光电探测器，包括：p型Si(111)衬底，MgO绝缘层，n-ZnO基薄膜层，n型欧姆接触电极，p型欧姆接触电极；其中，MgO绝缘层、n-ZnO基薄膜层、n型欧姆接触电极依次设置在p型Si(111)衬底的正面，p型欧姆接触电极设置在p型Si(111)衬底的背面。
进一步，所述p型Si衬底材料的空穴载流子浓度大于等于1×1017cm-3。
进一步，所述MgO绝缘层厚度为5～100nm。
进一步，所述n-ZnO基薄膜层为纤锌矿相的ZnO薄膜或纤锌矿相的MgZnO、BeZnO合金薄膜，其室温禁带宽度大于等于ZnO的禁带宽度，即大于等于3.37eV。
进一步，所述n-ZnO基薄膜层的电子载流子浓度小于等于1×1018cm-3，其厚度为100nm～500nm。
本发明提供的制备具有可见盲紫外响应的硅基异质结光电探测器的方法，具体为：
1)在清洁的Si衬底上用外延生长设备生长MgO绝缘层，并在MgO上生长n-ZnO基薄膜层；
2)用公知的光刻技术和公知的金属薄膜沉积方法，在n-ZnO基薄膜层上沉积n型欧姆接触电极；
3)在Si衬底背面沉积p型欧姆接触电极。
进一步，所述步骤1)中的Si衬底的空穴载流子浓度大于等于1×1017cm-3，MgO薄膜厚度为5～100nm，n-ZnO基薄膜层厚度为100～500nm，n-ZnO基薄膜层的电子载流子浓度小于等于1×1018cm-3。
进一步，所述步骤2)中的n型欧姆接触电极采用Ti/Au或Al/Au或In。
进一步，所述步骤3)中的p型欧姆接触电极采用In或Al。
本发明通过在p-Si和宽禁带半导体n-ZnO基薄膜之间插入一层绝缘体材料MgO而完全抑制了从近红外到可见波段的光响应，实现了第三代宽禁带半导体ZnO基薄膜与硅的结合，制造出了硅基可见盲紫外探测器。
附图说明
图1a为在零偏压无光照条件下，n-ZnO/i-MgO/p-Si异质结探测器的能带结构示意图；
图1b为在负偏压有光照条件下，n-ZnO/i-MgO/p-Si异质结探测器的能带结构示意图；
图2为本发明适用的n-ZnO/i-MgO/p-Si异质结可见盲紫外探测器结构示意图；
图3为本发明实施例1中的n-ZnO/i-MgO/p-Si异质结可见盲紫外探测器的电流(Current)-电压(Voltage)特性曲线；
图4为本发明实施例1中的n-ZnO/i-MgO/p-Si异质结可见盲紫外探测器的光响应谱。
具体实施方式
采用本发明的方法制备出的硅基异质结光电探测器能够具有可见盲紫外响应的原理如下：
以n-ZnO薄膜为例，其他n-ZnO基薄膜与n-ZnO具有相似的性质。根据固体物理的能带理论，附图1给出了n-ZnO/i-MgO/p-Si异质结构的能带结构示意图。Si、MgO、ZnO的禁带宽度分别为1.12、7.7、3.37eV，电子亲和势分别为4.05、0.85、4.35eV。在没有外加偏压的热平衡条件下(如附图1a)，由于载流子的扩散，p-Si与n-ZnO的费米面处于相同的能级，同时在p-Si和n-ZnO两侧分别形成了耗尽层。由于MgO绝缘层的存在，对从p-Si中向n-ZnO运动的电子产生了一个3.2eV的势垒，而对于从n-ZnO向p-Si运动的空穴，势垒高度仅为0.83eV。器件的工作状态是在负偏压下(p-Si一侧的欧姆接触电极接电源负极)，如附图1b。当有可见光照射到器件时，波长大于截止波长(ZnO室温下近带边吸收峰为380nm)的光将穿过ZnO和MgO到达p-Si，并在Si中的耗尽层中被吸收，产生光生电子空穴对，并在结电场的作用下向相反方向运动。由于MgO对电子的势垒作用，电子积累在p-Si与MgO的界面处不能到达ZnO一侧，因此不能形成电子电流；虽然MgO对空穴的势垒作用很小，但是n-ZnO中的空穴为少数载流子，浓度很低，并且在可见光的照射下没有数量的变化，因此不会形成从ZnO到Si的空穴电流。于是，积累在Si/MgO的电子在很短的时间内又与p-Si中的空穴复合，达到了载流子的光激发与再复合的平衡，没有光电流的产生。而当波长小于截止波长的紫外光照射到器件上时，立即被ZnO吸收，光生电子直接被n-ZnO一侧的欧姆电极俘获，形成电子电流；而光生空穴可越过MgO较低的势垒到达Si一侧，从而被Si的欧姆接触电极俘获，形成空穴电流。综上所述，器件具有了不对可见光响应、只对波长小于380nm的紫外光响应的特性，即具有可见盲的紫外响应特性。n-ZnO基薄膜层的电子载流子浓度要尽可能小，而p-Si的空穴载流子浓度要尽可能大，目的是要在n-ZnO一侧形成更宽的耗尽层，以作为吸收紫外光的工作区域。
在上述结构中，如果采用n-MgZnO或n-BeZnO合金薄膜代替n-ZnO薄膜，则由于它们的能带结构与ZnO相似，因此，可以获得相同的器件性能；另外它们的带隙比ZnO更宽，所制得的紫外探测器的截止波长更短，从而成为在近紫外都没有响应的紫外探测器。
下面结合实施例对本发明进行详细说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1如图2所示，本发明提供一种n-ZnO/i-MgO/p-Si可见盲紫外探测器，其器件结构包括：
Si衬底1，该Si衬底1为p型Si材料，其载流子浓度为1×1018-3；
MgO绝缘层2，该MgO绝缘层2的厚度为50nm；
n-ZnO层3，该n-ZnO层3的载流子浓度为4×1016cm-3，其厚度为400nm；
n型欧姆接触电极4，该电极4为Ti(20nm)/Au(40nm)金属电极，该电极4中的金属Ti与n-ZnO层为欧姆接触；
p型欧姆接触电极5，该电极5为In金属电极，其厚度为0.1mm。
本发明可采用射频等离子体辅助式分子束外延设备来实现对n-ZnO/i-MgO/p-Si异质结可见盲紫外光电探测器的制备，其具体步骤如下：
1、通过公知的氢氟酸刻蚀法对市售硅(111)衬底去除表面的氧化硅层，然后导入射频等离子体辅助式分子束外延系统；
2、在气压小于5.0×10-7Pa下，升温至900℃保持20分钟，利用高温脱附作用去除硅表面的残余氧化硅层，获得清洁的硅衬底表面；
3、硅衬底降温至-10℃，此时表面呈典型的7×7再构，加热镁扩散炉使镁的束流达到8×10-5Pa左右，沉积5nm厚金属镁单晶层；
4、打开氧射频等离子体源，对金属镁薄膜进行氧化处理15分钟，获得氧化镁单晶薄膜；所用氧的流量为1SCCM，射频功率为200瓦；
5、在上述氧化镁层上继续外延生长50nm氧化镁单晶薄膜；
6、在上述氧化镁薄膜上采用公知的二步生长法沉积ZnO膜，即在低温下(100℃)沉积20nmZnO缓冲层，在较高温度下(600℃)沉积400nm厚ZnO外延层；
7、在上述的n-ZnO外延层上采用公知的光刻技术和公知的磁控溅射方法沉积直径为300μm的圆形Ti(20nm)/Au(40nm)欧姆接触电极；
8、在Si衬底的背部沉积金属In电极并在氮气氛下升温到200℃退火。
按照上述方法制造的n-ZnO/i-MgO/p-Si具有很好的整流特性(如图3所示)，在±2V下整流比约为104，并且仅有低于1nA的漏电流。为了进一步说明本发明所提供的n-ZnO/i-MgO/p-Si可见盲紫外探测器的探测效果，对用上述实施例1的方法制备的器件进行了光响应谱的测试。如图4所示，器件工作在-2V偏压下(p-Si一侧接电源负极)，当波长小于380nm的紫外光照射器件时，有明显的光电流响应；而当波长大于380nm的光(包括部分波段的紫外光，全波段的可见光和部分波段的波外光)照射器件时，没有光电流响应。因此，本发明提供的器件实现了可见盲的紫外探测功能。
实施例2如图2所示，本发明提供一种n-Mg0.1Zn0.9O/i-MgO/p-Si可见盲紫外探测器，其器件结构包括：
Si衬底1，该Si衬底1为p型Si材料，其载流子浓度1×1018cm-3；
MgO绝缘层2，该MgO绝缘层2的厚度为50nm；
n-Mg0.1Zn0.9O层3，该n-Mg0.1Zn0.9O层3的载流子浓度为5×1016cm-3，其厚度为300nm；
n型欧姆接触电极4，该电极4为Ti(20nm)/Au(40nm)金属电极，该电极4中的金属Ti与n-Mg0.1Zn0.9O层为欧姆接触；
p型欧姆接触电极5，该电极5为In金属电极，其厚度为0.1mm。
本发明可采用射频等离子体辅助式分子束外延设备来实现对n-Mg0.1Zn0.9O/i-MgO/p-Si异质结可见盲紫外光电探测器的制备，其具体步骤如下：
1、通过公知的氢氟酸刻蚀法对市售硅(111)衬底去除表面的氧化硅层，然后导入射频等离子体辅助式分子束外延系统；
2、在气压小于5.0×10-7Pa下，升温至900℃保持20分钟，利用高温脱附作用去除硅表面的残余氧化硅层，获得清洁的硅衬底表面；
3、硅衬底降温至-10℃，此时表面呈典型的7×7再构，加热镁扩散炉使镁的束流达到8×10-5Pa左右，沉积5nm厚金属镁单晶层；
4、打开氧射频等离子体源，对金属镁薄膜进行氧化处理15分钟，获得氧化镁单晶薄膜；所用氧的流量为1SCCM，射频功率为200瓦；
5、在上述氧化镁层上继续外延生长50nm氧化镁单晶薄膜；
6、在上述氧化镁薄膜上，在较高温度下(450℃)沉积300nm厚，掺Ga的Mg0.1Zn0.9O外延层，Mg源的温度为360℃，Zn源的温度为310℃，Ga源的温度为350℃；
7、在上述的n-Mg0.1Zn0.9O外延层上采用公知的光刻技术和公知的磁控溅射方法沉积直径为300μm的圆形Ti(20nm)/Au(40nm)欧姆接触电极；
8、在Si衬底的背部沉积金属In电极并在氮气氛下升温到200℃退火。
器件工作在-5V偏压下(p-Si一侧接电源负极)，当波长小于350nm的紫外光照射器件时，有明显的光电流响应；而当波长大于350nm的光(包括部分波段的紫外光，全波段的可见光和部分波段的波外光)照射器件时，没有光电流响应。因此，本发明提供的器件实现了截止波长更短的可见盲的紫外探测功能。

Claims (9)

1.一种硅基双异质结可见盲紫外探测器，其特征在于，包括：p型Si(111)衬底，MgO绝缘层，n-ZnO基薄膜层，n型欧姆接触电极，p型欧姆接触电极；其中，MgO绝缘层、n-ZnO基薄膜层、n型欧姆接触电极依次设置在p型Si(111)衬底的正面，p型欧姆接触电极设置在p型Si(111)衬底的背面。
2.如权利要求1所述的硅基双异质结可见盲紫外探测器，其特征在于，所述p型Si(111)衬底材料的空穴载流子浓度大于等于1×1017cm-3。
3.如权利要求1所述的硅基双异质结可见盲紫外探测器，其特征在于，所述MgO绝缘层厚度为5～100nm。
4.如权利要求1所述的硅基双异质结可见盲紫外探测器，其特征在于，所述n-ZnO基薄膜层为纤锌矿相的ZnO薄膜或纤锌矿相的MgZnO合金薄膜或BeZnO合金薄膜，其室温禁带宽度大于等于ZnO的禁带宽度，即大于等于3.37eV。
5.如权利要求1所述的硅基双异质结可见盲紫外探测器，其特征在于，所述n-ZnO基薄膜层的电子载流子浓度小于等于1×1018m-3，其厚度为100nm～500nm。
6.一种硅基双异质结可见盲紫外探测器的制造方法，具体为：
1)在清洁的p型Si(111)衬底上用外延生长设备生长MgO绝缘层，并在MgO上生长n-ZnO基薄膜层；
2)用公知的光刻技术和公知的金属薄膜沉积方法，在n-ZnO基薄膜层上沉积n型欧姆接触电极；
3)在p型Si(111)衬底背面沉积p型欧姆接触电极。
7.如权利要求6所述的硅基双异质结可见盲紫外探测器的制造方法，其特征在于，所述步骤1)中的p型Si(111)衬底的空穴载流子浓度大于等于1×1017cm-3，MgO绝缘层厚度为5～100nm，n-ZnO基薄膜层厚度为100～500nm，n-ZnO基薄膜层的电子载流子浓度小于等于1×1018cm-3。
8.如权利要求6所述的硅基双异质结可见盲紫外探测器的制造方法，其特征在于，所述步骤2)中的n型欧姆接触电极采用Ti/Au或Al/Au或In。
9.如权利要求6所述的硅基双异质结可见盲紫外探测器的制造方法，其特征在于，所述步骤3)中的p型欧姆接触电极采用In或Al。
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