CN101533868B - 一种异质pn结型日盲紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质pn结型日盲紫外探测器，其结构自上而下依次由顶电极，锌铍镁氧薄膜，p-Si衬底和底电极叠置而成。锌铍镁氧薄膜作为光电响应材料，其分子式为Zn1-x-yBexMgyO，式中x、y为摩尔分数，且0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1。可在保持单一六方纤锌矿结构的前提下，通过调节薄膜中Be和Mg的含量控制探测器工作波段至日盲区(220～280nm)。锌铍镁氧薄膜与p-Si形成异质pn结结构，入射光产生的电子-空穴对可在内建电场作用下分开，导致载流子漂移出耗尽层形成外部电路电流。本发明的优点在于不受太阳光背景干扰，成本低，无需外加工作电压，结构简单且易于与Si集成，在环境保护、紫外通讯、生物医学研究以及天文学等领域具有重要应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种日盲紫外探测器，属于半导体光电探测技术领域。
背景技术
近年来，紫外光探测器在 环境保护、紫外通讯、生物医学研究以及天文学等领域的应用日益增长，新型高性能低成本紫外光探测器的研究受到普遍关注。其中日盲型紫外探测器是国际上研究的热点。由于大气臭氧层的强烈吸收，220nm-280nm波段的太阳辐射光无法到达地球表面，被称为日盲区。因此，工作于这一波段的日盲型紫外探测器不受太阳辐射背景的干扰，虚警率低，精确度高，在实际应用中具有极大优势。
与日盲波段对应的材料禁带宽度为4.4eV-5.4eV，因此宽禁带半导体材料GaN等成为最近十几年来紫外探测器研究的重点。但是GaN基材料存在组分复杂、制备困难、难以与硅集成等问题。
锌铍镁氧薄膜作为一种新型宽禁带半导体光电材料，可在保持单一六方纤锌矿结构的前提下，通过控制薄膜中锌、铍及镁的含量实现禁带宽度在3.7～4.9eV之间连续可调。当其禁带宽度调节至4.4eV时，对应的光吸收截止边约为280nm，有望用作日盲紫外探测器中的光电响应材料。
本发明拟提供一种日盲紫外探测器，采用锌铍镁氧薄膜与p-Si形成异质pn结实现日盲区的光电转换。其优点在于不受太阳光背景干扰，成本低，无需外加工作电压，结构简单且易于与Si集成。
发明内容
本发明的目的是提供一种异质pn结型日盲紫外探测器，工作波段为220nm-280nm的日盲区。
本发明的异质pn结型日盲紫外探测器，其特征是自上而下依次由顶电极，锌铍镁氧薄膜，p-Si衬底和底电极叠置而成。
上述的锌铍镁氧薄膜作为光电响应材料，分子通式为Zn1-x-yBexMgyO，其中x、y为摩尔分数，且0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1。该材料易于与Si集成，具有优异的结晶性能，可在保持单一六方纤锌矿结构的前提下，通过调节薄膜中Be和Mg的含量调节禁带宽度至4.4eV，从而控制探测器工作波段至日盲区(220～280nm)。薄膜厚度大于100nm以保证光电响应量子效率。
上述的顶电极和底电极为金属(如Pt，Au，Ag，Al，Ti和Cu等)可与锌铍镁氧薄膜，p-Si形成良好的欧姆接触，同时保护良好的透光性。或者为透明导电化合物(如ITO或Al、Ga和Ag中任一种掺杂的ZnO)，它们可与锌铍镁氧薄膜及p-Si衬底形成良好的欧姆接触的同时保持良好的透光性。其中，ITO为In掺杂的氧化铟。顶电极和底电极厚度分别为20～30nm，当电极厚度为20～30nm时，其电极层也为透明薄膜，具有良好的透光性。本发明有限推荐的透明导电化合物为金属Al掺杂的ZnO。
本发明的异质pn结型日盲紫外探测器，其工作过程是：锌铍镁氧薄膜与p-Si形成异质pn结，入射光产生的电子-空穴对可在内建电场作用下分开，导致载流子漂移出耗尽层形成外部电路电流，从而获得响应信号。
本发明的优点在于不受太阳光背景干扰，成本低，无需外加工作电压，结构简单且易于与Si集成。有望在 环境保护、紫外通讯、生物医学以及天文学等领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明的异质pn结型日盲紫外探测器的结构示意图。
图2是锌铍镁氧薄膜的X射线衍射图谱(XRD)。
图3是锌铍镁氧薄膜的光学透过谱。
图4是本发明的异质pn结型日盲紫外探测器的光电响应谱。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。
参照附图1，本发明的异质pn结型日盲紫外探测器，自上而下依次由顶电极1，锌铍镁氧薄膜2，p-Si衬底3和底电极4叠置而成。
本实例中，锌铍镁氧薄膜采用脉冲激光沉积法制备，具体工艺步骤如下：
a)衬底清洗：采用p-Si<100>衬底，用丙酮、乙醇、HF酸和去离子水标准超声清洗，放入成膜室中。本底真空度为10-4Pa，保持衬底温度为600℃。
b)锌铍镁氧薄膜制备：选择Zn0.7Be0.1Mg0.2O陶瓷片作为靶材，在衬底上获得锌铍镁氧薄膜。激光能量为200mJ，脉冲频率为5Hz，靶-衬底间距为6cm。
c)顶电极制备：采用孔洞直径0.1mm的掩膜板；采用高纯Ti靶，本底真空下沉积厚度为5nm的Ti；采用高纯Pt靶，本底真空下沉积厚度为20nm的Pt电极。
d)底电极制备：将Si衬底背面朝上放置；采用高纯Ti靶，本底真空下沉积厚度为5nm的Ti；采用高纯Pt靶，本底真空下沉积厚度为20nm的Pt电极。
X射线衍射(XRD)分析表明，上述方法制备的锌铍镁氧薄膜具有六方纤锌矿结构，没有分相产生，结晶质量良好(参见图2)。由图3光学透过谱所示，光吸收截止边为280nm波长，对应禁带宽度为4.4eV。
图4是本实施例的日盲紫外探测器的光电响应谱。从图可以看出，该探测器仅在226～280nm波段范围具有显著的光电响应，表明这种探测器具有明显的日盲特点。只要符合0＜x＜1，0＜y＜1且0＜x+y＜1条件通过调节Be和Mg的含量，调节禁带宽度的锌铍镁氧薄膜(厚度大于100nm)配以本发明所提供的顶电极材料或底电极材料只要形成异质pn结型均具有如实施例1相仿的日盲特点。
Claims (5)
1.一种异质pn结型日盲紫外探测器，其特征是自上而下依次由顶电极，锌铍镁氧薄膜，p-Si衬底和底电极叠置而成，所述的锌铍镁氧薄膜与p-Si构成异质pn结结构，锌铍镁氧薄膜的组成通式为Zn1-x-yBexMgyO，其中x、y为摩尔分数，且0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1，锌铍镁氧薄膜为单一的六方纤锌矿结构，通过调节薄膜中Be和Mg的含量调节禁带宽度，从而控制探测器工作波段至220～280nm日盲区。
2.按权利要求1所述的异质pn结型日盲紫外探测器，其特征在于所述的锌铍镁氧薄膜的厚度大于100nm。
3.按权利要求1所述的异质pn结型日盲紫外探测器，其特征在于所述的顶电极和底电极为Pt，Au，Ag，Al，Ti或Cu；或者为透明导电化合物ITO或Al、Ga和Ag中任一种掺杂的ZnO，且与锌铍镁氧薄膜或p-Si衬底形成欧姆接触。
4.按权利要求1所述的异质pn结型日盲紫外探测器，其特征在于顶电极和底电极的厚度各为20～30nm。
5.按权利要求1所述的异质pn结型日盲紫外探测器，其特征在于所述的顶电极为透明的Al掺杂的ZnO。
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