CN101887925B - 基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器，其中镁锌氧化物薄膜生成于衬底材料上，并于镁锌氧化物薄膜上进一步生成有金属薄膜叉指电极。其特点体现为：该金属薄膜叉指电极间隔地在其指电极与镁锌氧化物薄膜之间夹设有导电层。从制法上来看，即在完成镁锌氧化物薄膜制备后，将导电层先于金属电极沉积到镁锌氧化物薄膜之上。本发明基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器及其制法，有效增强了薄膜之间的附着力，使产生的光生电子与空穴有效分离，减小电子与空穴的复合，促进光生载流子的产生并延长其寿命，使光电流更强，从而进一步提高了探测器的灵敏度。

Description

基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及紫外光探测器领域，尤其涉及一种禁带带隙可调的宽光谱紫外光探测器，属于宽禁带半导体探测器制造技术领域。
背景技术
紫外光探测器的原理：当紫外光辐射后，沿入射路径会产生大量的电子-空穴对，这些自由电荷在外电场作用下向两极漂移，产生的电信号被收集放大而得到。紫外光探测器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。目前，在商业和军事上应用的紫外探测器主要是光电倍增管和硅基紫外光电管为主。两者存在体积笨重，功耗大以及需附带滤光片等缺点，对于实际应用有一定的局限性。为了满足日益增长的需求，科研工作者对功率小、体积小、成本低、光通道简单的紫外探测器进行了研究，发现宽禁带半导体材料AlxGa1-xN与MgxZn1-xO这两种材料都比较适合制备紫外光探测器，尤其是日盲区探测器。但是，由于AlxGa1-xN的生长条件比较苛刻，高Al组分的AlxGal-xN薄膜掺杂比较困难。2002年美国S.Choopun et al.首次利用激光脉冲沉积法(PLD)生长立方相MgZnO薄膜(S.Choopun et al.，Realization of band gapabove 5.0ev in metastable cubic-phase MgxZn1-xO alloy films，Appl.Phy.Lett.，80，1529(2002))，并对其在光电器件领域应用的可行性进行了探讨。2008年，中国长春光机所的鞠振刚、张吉英等人利用MOCVD法成功制备出0.5＜x＜0.7的高Mg含量的MgxZn1-xO的薄膜(Z.G..Ju，et al，MgxZn1-xO-basedphotodetectors covering the whole solar-blind spectrum range，Appl.Phy.Lett.，93，173505(2008))，证明通过改变Mg的含量，以MgxZn1-xO为基的光电紫外探测器完全可以覆盖整个日盲区的范围。MgZnO三元合金是由ZnO和MgO按一定的组分固溶而成，当MgO组分较低时为六方结构，反之则为立方结构。改变Mg含量可以实现带隙连续可调且MgxZn1-xO薄膜与ZnO具有接近的光学性能，对可见和近红外光的透射率约为85％。随着Mg含量的增加，吸收边在紫外光区蓝移，吸收的紫外光对应当波长范围为160nm～375nm，该范围覆盖了地球上臭氧层吸收的主要窗口200nm～280nm。
发明内容
鉴于上述现有技术所取得的成就以及存在的不足，本发明的目的旨在于提供一种基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器及其制备方法，解决以往探测器在紫外光辐射后，复合耗尽速度快且不能形成良好的欧姆接触等问题，增强薄膜间的附着力，进一步提高探测器的检测灵敏度。
本发明的上述第一个目的，实现的技术方案是：
基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器，所述镁锌氧化物薄膜生成于衬底材料上，且所述紫外光探测器具有生成于镁锌氧化物薄膜之上的金属薄膜叉指电极，其特征在于：所述金属薄膜叉指电极间隔地在其指电极与镁锌氧化物薄膜之间夹设有导电层。其中：
该导电层可选至少包括钼Mo、钽Ta、钛Ti、钨W、镍Ni的金属薄膜，且导电层薄膜厚度介于1nm～100nm；
该镁锌氧化物薄膜的构成为MgxZn1-xO，其中0.01＜x＜0.8，且该镁锌氧化物薄膜为与衬底材料晶格匹配的厚度介于5nm～1μm的薄膜；
该金属薄膜叉指电极为厚度介于1nm～200nm的金Au或铝Al指状薄膜，与导电层形成欧姆接触；该衬底材料之一为硅Si衬底。
本发明的上述第二个目的，即基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器的制备方法，其特征步骤包括：
Ⅰ、预制备表面清洁、干燥的硅片；
Ⅱ、真空条件下，在硅片表面生成镁锌氧化物薄膜；
Ⅲ、在镁锌氧化物薄膜表面通过光刻法形成指宽和间距均为5μm、指长为500μm～2000μm的叉指掩模结构；
Ⅳ、采用电子束蒸发的方法在叉指掩模结构上依次沉积导电层及金属薄膜。
进一步地，上述制备方法步骤Ⅱ中，在硅片表面生成镁锌氧化物薄膜的方法可选包括真空条件下的磁控溅射法、物理气相沉积法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法或分子束外延法等。
实施本发明的技术方案，较之于现有技术其显著的优点在于：
本发明基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器及其制备方法，有效增强了薄膜之间的附着力，使产生的光生电子与空穴有效分离，减小电子与空穴的复合，促进光生载流子的产生并延长其寿命，使光电流更强，从而进一步提高了探测器的灵敏度。此外，该紫外光探测器还具有体积小、功耗小、工作电压低、灵敏度高、测量准确、光通道简单等优点。
为使本发明基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器及其制备方法更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明一具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
附图说明
图1是本发明紫外光探测器的结构示意图；
图2是本发明叉指电极的结构示意图。
其中各附图标记的含义为：
1～硅衬底、2～镁锌氧化物、3～导电层、4～金属薄膜叉指电极。
具体实施方式
本发明基于禁带宽度连续可调、无毒、制备工艺简单、原料丰富的镁锌氧化物薄膜紫外光探测器及其制备方法，其创新地通过在MgxZn1-xO薄膜与叉指电极之间引入导电层，有利于产生的光生电子与空穴的高效分离，从而提高探测器的灵敏度、响应时间等性能，其具体制备工艺步骤如图1所示：
A、衬底预处理：采用(001)硅片作为衬底1，将硅片放入浓硫酸与双氧水的1∶1混合溶液中煮沸10分钟，除去有机物；之后用氢氟酸超声清洗5～10分钟，去除表面氧化层；接着用丙酮、无水乙醇超声20分钟，用离子水反复冲洗干净，最后在垂直层流洁净工作台中用氮气将硅片吹干。
B、镁锌氧化物薄膜生长过程：清洗好的硅片放置于激光脉冲(PLD)薄膜生长系统中，MgZnO靶材是将一定配比的99.99％的ZnO与MgO粉末经球磨机均匀球磨24小时之后，先在600℃预烧5小时，然后放在高温炉中900℃烧结10小时，最终形成致密的不同比例的MgZnO靶材。用脉冲准分子激光器以KrF为工作气体(λ＝248nm，f＝1-10Hz)，薄膜生长过程中生长室的背底真空抽到3×10-5Pa，以纯度为99.999％的高纯O2作为反应气体，并且该镁锌氧化物氧化物薄膜与衬底材料晶格匹配度较高。薄膜生长温度控制在650℃-800℃范围内，压强在2×10-3-2Pa之间变化，沉积时间为1-3小时，成积到该镁锌氧化物氧化物薄膜2与衬底材料晶格匹配度相对较高。
C、制作电极的过程：将上述制得MgZnO薄膜上表面，经光刻工艺(6英寸双面对准光刻机(MA6-BA6))形成指宽和间距均为5μm，指长为500μm-2000μm的叉指状掩模结构(如图2所示)，然后用电子束蒸发(ei-5Z)蒸镀导电层3——钛Ti(1nm-100nm厚度可调)和金属薄膜叉指电极4——金Au(1nm-200nm厚度可调)。最后将器件在N2中400℃退火30分钟形成良好的欧姆接触，最终制得镁锌氧紫外光探测器。
本发明的目的在于提供一种体积小、功耗小、工作电压低、灵敏度高、测量准确、光通道简单等优点于一身的紫外光探测器。本发明制备的MgxZn1-xO薄膜具有薄膜致密度高、结晶好，薄膜和基底之间附着力强、参数可控性好、重复性高等优点。通过在叉指电极与MgxZn1-xO薄膜之间引入导电层，增强薄膜之间的附着力，使产生的光生电子与空穴有效分离，减小电子与空穴的复合，促进光生载流子的产生并延长载流子寿命，得到较强的光电流，从而提高探测器的灵敏度。
其中MgxZn1-xO薄膜已为常规技术，其中x的浓度配比为0.01＜x＜0.08。该虽然在现有技术中公开了x更精确的数值，但对于本发明引入导电层的主要特征，其x的浓度范围具有一个较宽的范围。
除以上实施例外，本发明的选材和制法具有多样性，具体来看：
一、该导电层还可选钼Mo、钽Ta、钨W、镍Ni的金属薄膜，所述导电层薄膜厚度介于1nm～100nm的范围任选；
二、该金属薄膜叉指电极可为厚度介于1nm～200nm的金薄膜或铝薄膜；
三、该紫外光探测器的制法工艺上，步骤Ⅱ所选用的方法可选包括真空条件下的磁控溅射法、物理气相沉积法、脉冲激光沉积法或分子束外延法。
以上仅是本发明众多具体应用范例中的颇具代表性的一个实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器，所述镁锌氧化物薄膜生成于衬底材料上，且所述紫外光探测器具有生成于镁锌氧化物薄膜之上的金属薄膜叉指电极，其特征在于：所述金属薄膜叉指电极间隔地在其指电极与镁锌氧化物薄膜之间夹设有导电层。
2.根据权利要求1所述的基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器，其特征在于：所述导电层至少为钼Mo，钽Ta，钛Ti，钨W或镍Ni的金属薄膜，所述导电层薄膜厚度介于1nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器，其特征在于：所述镁锌氧化物薄膜的构成为MgxZn1-xO，其中0.01＜x＜0.8。
4.根据权利要求1或3所述的基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器，其特征在于：所述镁锌氧化物薄膜为与衬底材料晶格匹配的厚度介于5nm～1μm的薄膜。
5.根据权利要求1所述的基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器，其特征在于：所述金属薄膜叉指电极为厚度介于1nm～200nm的金Au或铝Al指状薄膜，所述导电层与金属薄膜叉指电极间形成欧姆接触。
6.根据权利要求1所述的基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器，其特征在于：所述衬底材料为硅Si衬底。
7.权利要求1所述基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器的制备方法，其特征步骤包括：
I、预制备表面清洁、干燥的硅片；
II、真空条件下，在硅片表面生成镁锌氧化物薄膜；
III、在镁锌氧化物薄膜表面通过光刻法形成指宽和间距均为5μm、指长为500μm～2000μm的叉指掩模结构；
IV、采用电子束蒸发的方法在叉指掩模结构上依次沉积导电层及金属薄膜。
8.根据权利要求7所述的基于镁锌氧化物薄膜的紫外光探测器的制备方法，其特征在于：步骤II在硅片表面生成镁锌氧化物薄膜的方法包括真空条件下的磁控溅射法，物理气相沉积法，电子束蒸发法，脉冲激光沉积法或分子束外延法。
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