CN101447522A

CN101447522A - 一种基于ii-vi族半导体纳米带薄膜的光敏电阻及其制备方法

Info

Publication number: CN101447522A
Application number: CNA2008100318860A
Authority: CN
Inventors: 郑学军; 杨博; 陈义强; 周益春; 张彤
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2009-06-03

Abstract

本发明公开了一种基于II－VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻及其制备方法，该光敏电阻包括一Si衬底，在该Si衬底上有一层SiO₂绝缘层，在SiO₂绝缘层上有一对叉指电极，在叉指电极上有一层纳米带薄膜。本发明光敏电阻有如下优点：第一，本发明采用Si做衬底，克服了现有光敏电阻与集成电路工艺不兼容的缺点；第二，本发明采用无毒无害的ZnO或ZnS纳米带等II－VI族半导体做光敏材料，符合欧盟RoHS指令对电子元件的环保要求。与现有的传统光敏电阻相比，采用与集成电路兼容的Si衬底；同时使用ZnO或ZnS等II－VI族半导体纳米带做光敏材料，不含毒性物质Cd及其化合物，环保可靠。本发明结构简单，所使用的纳米材料较为普遍，使得器件的制作易于实现。

Description

一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻及其制备方法

技术领域

本发明属于光敏电阻技术领域，特别涉及一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻及其制备方法

技术背景

随着集成时代的到来，集成化、微型化和智能化成为器件的发展方向。尤其在通信系统内部，光技术和电子技术的融合势不可挡。在这一趋势下，把光元件和电子电路集成到一块芯片上实现光电转换是非常重要的技术革新。光敏电阻是一种常用的光电转换器件，它的阻值会随光照强度的变化而发生变化。传统的光敏电阻，主要采用Al₂O₃陶瓷做基片，CdS或CdSe做光敏材料(中国专利200510048590.6)。但是，陶瓷材料与Si集成电路并不兼容，制约了光敏电阻在微型化、集成化器件中的应用，而且镉化合物具有程度不同的毒性。随着全世界对环保的日益重视，欧盟从2006年7月1日起执行的RoHS指令(欧盟议会和欧盟理事会2003年1月23日第2002/95/EC号)第4条中明确要求，投放于市场的新电子和电气设备不能含Cd。因此，研制既满足与电路集成的需要，又能够满足环保要求的新一代光敏电阻是十分必要的。

ZnO、ZnS等材料无毒无害。近年来，ZnO纳米线等II-VI族半导体材料的紫外光敏特性得到广泛研究。例如：先进材料(2002 Advanced Materials(2002)14 158-160)报道：在黑暗条件下，ZnO纳米线中电流很小；紫外光照射下，纳米线中的电流显著增加，且响应时间较短，恢复性能较好，可以用作光探测器及光敏元件，在构建纳米级电子和光电子器件方面具有巨大的应用潜力。另一方面，实际应用的需求促使光-电集成技术不断发展。例如：光电二极管、数字电路和模拟电路集成在一块硅片上(Sensors and ActuatorsA 110(2004)294-300)，光电探测器集成在超大规模集成电路芯片上(Materials Science and Engineering B74(2000)269-275)。

发明内容

本发明的目的是为解决传统光敏电阻不易于集成和其光敏材料对环境危害大等缺陷，从而提供一种与硅基集成电路兼容且不含毒性材料Cd的光敏电阻。

本发明提供是通过如下方式实现的：一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻，该光敏电阻包括一Si衬底[1]，在该Si衬底[1]上有一层SiO₂绝缘层[2]，在SiO₂绝缘层[2]上有一对叉指电极[3]，在叉指电极[3]上有一层纳米带薄膜[4]。

所述的对叉指电极[3]包括Pt电极、Au电极和Al电极。

所述的纳米带薄膜为II-VI族半导体纳米带薄膜。

所述的II-VI族半导体纳米带薄膜为ZnO纳米带薄膜或ZnS纳米带薄膜。

所述的Si衬底[1]上的SiO₂绝缘层[2]的厚度300nm-500nm；叉指电极[3]宽度50μm-100μm，厚度100nm-300nm；叉指电极[3]之间间距50μm-100μm。

一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻的制备方法：

1)通过热氧化法在Si基片[1]表面制备SiO₂绝缘层[2]；

2)在SiO₂绝缘层[2]上先通过射频磁控溅射后经光刻技术制备叉指电极[3]；

3)用挥发性溶液作为分散液，将半导体纳米带絮状物加入分散液中，经超声振荡后，使半导体纳米带悬浮在分散液中；

4)将含有半导体纳米带的分散液旋涂在叉指电极[3]表面，经自然挥发后在叉指电极[3]表面上形成纳米带薄膜[4]。

所述的挥发性溶液包括丙酮和乙醇。

本发明光敏电阻有如下优点：第一，本发明采用Si做衬底，克服了现有光敏电阻与集成电路工艺不兼容的缺点；第二，本发明采用无毒无害的ZnO或ZnS纳米带等II-VI族半导体做光敏材料，符合欧盟RoHS指令对电子元件的环保要求。与现有的传统光敏电阻相比，采用与集成电路兼容的Si衬底；同时使用ZnO或ZnS等II-VI族半导体纳米带做光敏材料，不含毒性物质Cd及其化合物，环保可靠。本发明结构简单，所使用的纳米材料较为普遍，使得器件的制作易于实现。

附图说明

图1 基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻的结构示意图；

图2 实施例1中基于ZnO纳米带薄膜的光敏电阻的吸收光谱；

图3 实施例1中基于ZnO纳米带薄膜的光敏电阻的伏安特性曲线；

图4 实施例1中基于ZnO纳米带薄膜的光敏电阻的响应恢复曲线；

图5 实施例2中基于ZnS纳米带薄膜的光敏电阻的吸收光谱；

图6 实施例2中基于ZnS纳米带薄膜的光敏电阻的伏安特性曲线；

图7 实施例2中基于ZnS纳米带薄膜的光敏电阻的响应恢复曲线；

图中标示：

1-Si衬底 2-SiO₂绝缘层 3-金属电极 4-光敏膜层

具体实施办法

如图1所示，一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻，该光敏电阻包括一Si衬底1，在该Si衬底1上有一层SiO₂绝缘层2，在SiO₂绝缘层2上有一对叉指电极3，在叉指电极[3]上有一层纳米带薄膜4。纳米带薄膜4为II-VI族半导体纳米带薄膜的ZnO纳米带薄膜或ZnS纳米带薄膜。叉指电极3宽度50μm-100μm，厚度100nm-300nm；叉指电极3之间间距50μm-100μm。

实施例1：

一种基于ZnO纳米带薄膜的光敏电阻的制备方法，制备步骤如下：

(1)将洁净的硅片1放置在氧化炉的石英舟上，炉温稳定在1150℃。先通入500CC/min干氧5min，再通入500CC/分湿氧40min，关闭湿氧后再通干氧5min。以此热氧化法在硅片表面制备500nm厚的SiO₂绝缘层2。

(2)采用射频磁控溅射的方法在SiO₂表面制备一层金属Pt，在其上旋涂光刻胶，光刻出叉指电极图形。经腐蚀液腐蚀后制备出一对叉指电极3，电极宽度为50μm，厚度为100nm，电极间距为50μm。

(3)用丙酮溶液作为分散液，将ZnO纳米带絮状物加入分散液中，经超声振荡后，ZnO纳米带悬浮在分散液中；将含有ZnO纳米带的分散液旋涂在叉指电极表面，经自然挥发后得到光敏膜层4。

(4)采用分光光度计(Shimadzu UV-1700 UV-Visiblespectrophotometer)测量光敏膜层的吸收光谱，如图2所示。从图上可发现该ZnO纳米带光敏膜层对波长小于300nm的光波显著吸收。

(5)分别在黑暗条件和280nm、5μW/cm²光照条件下采用单通道系统源表(Keithley 2601 system source meter)对制得的光敏电阻进行伏安测量，如图3所示。从其伏安曲线上可以看出：黑暗条件下通过光敏电阻的电流很小，20V时约为14.763μA，即光敏电阻阻值为1.3547×10⁶Ω；光照条件下通过光敏电阻的电流显著增大，20V时约为3.5565mA，即光敏电阻阻值为5.6235×10³Ω。其与无光照条件下相比，电阻值减小240倍。

(6)采用12V直流恒压源和1MΩ的采样电阻测试光敏电阻的响应恢复特性，如图4所示。从示波器输出响应恢复曲线中可知该光敏电阻的时间常数小于100ms。

实施例2：

一种基于ZnS纳米带薄膜的光敏电阻及其制备方法，制备步骤如下：

(1)与实施例1中步骤(1)相同。

(2)采用射频磁控溅射的方法在SiO₂表面制备一层金属Al，在其上旋涂光刻胶，光刻出叉指电极图形。经腐蚀液腐蚀后制备出一对叉指电极3，电极宽度为65μm，厚度为200nm，电极间距为65μm。

(3)用乙醇溶液作为分散液，将ZnS纳米带絮状物加入分散液中，经超声振荡后，ZnS纳米带悬浮在分散液中；将含有ZnS纳米带的分散液旋涂在叉指电极表面，经自然挥发后得到光敏膜层4。

(4)采用分光光度计(Shimadzu UV-1700 UV-Visiblespectrophotometer)测量光敏膜层的吸收光谱，如图5所示。从图上发现该ZnS纳米带光敏膜层对波长小于300nm的光波显著吸收。

(5)分别在黑暗条件和280nm、5μW/cm²光照条件下采用单通道系统源表(Keithley 2601 system source meter)对制得的光敏电阻进行伏安测量，如图6所示。从其伏安曲线上可以看出：黑暗条件下通过光敏电阻的电流很小，20V时约为119.4nA，即光敏电阻阻值为1.67510⁸Ω；光照条件下通过光敏电阻的电流显著增大，20V时约为195.0μA，即光敏电阻阻值为1.02610⁵Ω。其与无光照条件下相比，电阻值减小1632倍。

(6)采用12V直流恒压源和5.1MΩ的采样电阻测试光敏电阻的响应恢复特性，如图7所示。从示波器输出响应恢复曲线中可以看出该光敏电阻的时间常数小于70ms。

Claims

1.一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻，其特征在于：该光敏电阻包括一Si衬底[1]，在该Si衬底[1]上有一层SiO₂绝缘层[2]，在SiO₂绝缘层[2]上有一对叉指电极[3]，在叉指电极[3]上有一层纳米带薄膜[4]。

2.根据权利要求1所述的一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻，其特征在于：所述的叉指电极[3]包括Pt电极、Au电极和A1电极。

3.根据权利要求1所述的一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻，其特征在于：所述的纳米带薄膜[4]为II-VI族半导体纳米带薄膜。

4、根据权利要求3所述的一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻，其特征在于：所述的II-VI族半导体纳米带薄膜为ZnO纳米带薄膜或ZnS纳米带薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻，其特征在于：所述的Si衬底[1]上的SiO₂绝缘层[2]的厚度300nm-500nm；叉指电极[3]宽度50μm-100μm，厚度100nm-300nm；叉指电极[3]之间间距50μm-100μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻的制备方法，其特征在于：

1)通过热氧化法在Si基片[1]表面制备SiO₂绝缘层[2]；

7.根据权利要求5所述的一种基于II-VI族半导体纳米带薄膜的光敏电阻的制备方法，其特征在于：所述的挥发性溶液包括丙酮和乙醇。