CN102142482B

CN102142482B - 肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法

Info

Publication number: CN102142482B
Application number: CN2011100044152A
Authority: CN
Inventors: 张跃; 林伟花; 闫小琴; 张晓梅; 秦子; 张铮
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2031-01-10
Also published as: CN102142482A

Abstract

本发明提供了一种肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法，具体工艺为：先在清洗干净的FTO导电玻璃上生长ZnO纳米阵列；接着，在生长优良的ZnO纳米阵列上旋涂PMMA光刻胶，使光刻胶渗透入阵列的间隙；然后进行前烘，使胶与阵列紧密粘连；前烘后进行氧等离子体刻蚀，刻蚀掉阵列端部的PMMA光刻胶，便于下一步的电极沉积；用真空镀膜机进行金属电极的沉积，厚度为50~100nm;退火处理一下使电极与ZnO纳米阵列更好地接触；最后，从Pt电极和FTO电极上引出铜导线就可以进行光电性能测试。本发明的优点在于：制备出的器件紫外光可以从背面照射，结构简单，成本低廉，性能稳定，为以后的实际应用提供了可能。

Description

肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料和纳米功能器件制备技术领域，特别是提供了一种肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法。该种方法构建出的紫外光探测器件紫外光可以从背面入射，结构简单，成本低廉，性能稳定。

背景技术

紫外光探测器由于在国防、紫外天文学、环境监测、火灾探测、涡轮引擎燃烧效率监测、可燃气体成分分析和生物细胞癌变检测等方面有着广阔的应用前景，具有极高的军事和民用价值，是近年来国际上光电探测领域的热点之一。半导体紫外探测器由于具有体积小、光谱响应范围宽、量子效率高、动态工作范围宽和背景噪声小的优点，在紫外探测器市场中占有的份额越来越大。

ZnO是宽禁带直接带隙半导体材料，并且具有生长温度低、激子复合能量高（60 meV）、电子诱生缺陷较低、阈值电压低等优点，因此在紫外光探测器件方面具有巨大潜力，而且相比较Si和GaN基探测器件具有明显优势。传统Si基探测器的发展已有很长时间，但需要附加笨重的滤波器去掉可见光背景干扰，且无法胜任高温和腐蚀性环境。ZnO禁带宽度（3.37 eV）是Si的3倍，在可见光和红外范围没有响应（长波截止波长为365 nm），这对在红外和可见光背景下探测紫外光具有特殊意义，而且其热稳定性、化学稳定性好。比较宽禁带材料GaN基紫外光探测器，ZnO不需要昂贵的外延生长方法，而且易于找到晶格匹配的衬底材料，这有利于降低制备ZnO的成本，提高产品质量，也易于制作高性能的紫外光探测器件。

目前，关于ZnO基紫外光探测器的报道主要分为两类：MSM结构和p-n结。由于制备稳定的p型ZnO比较困难，阻碍了p-n结光电器件发展。对紫外探测器件而言, MSM结构探测器件不需要进行p型掺杂，结构简单，造价低，易于集成，并且具有高灵敏度和高响应度等特点而受到青睐。而MSM结构又包括欧姆接触型和肖特基接触型两种探测器，其中肖特基接触型探测器，光电响应性能更好，所以现在大部分研究工作集中在这一方面。早期基于ZnO的紫外光探测器件主要应用的是ZnO薄膜，但近几年，人们开始利用ZnO纳米阵列来构建高灵敏度的紫外光探测器件。一维ZnO纳米阵列具有结构机制简单、生长成本低廉、纳米结构可控、比表面积大、吸光性能好等优点, 例如文献（Z L Wang and J H Song, Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays. Science, 2006, 312: 242-246和A Bera and D Basak, Carrier relaxation through two-electron process during photoconduction in highly UV sensitive quasi-one-dimensional ZnO nanowires, Appl.Phys.Lett. 2008, 93, 053102）所介绍的。然而，在ZnO纳米阵列紫外探测器领域仍有很多问题有待进一步研究，例如可靠性和重复性好、无催化剂的低温合成方法，ZnO纳米阵列紫外光探测器件的简单稳定的原理性设计、组装、测控技术及机理分析等。

针对以上研究背景，采用水热法合成了在低温和无催化剂的条件下可控、可靠、高质量的ZnO纳米阵列；并利用生长优良的ZnO纳米阵列组装出肖特基接触型紫外光探测器，对其在两种波长紫外光（365 nm和254 nm）照射下的响应性能进行了测试作出相应的机理分析。对于测试结果的机理分析至今未见报道。

发明内容

迄今为止，关于ZnO纳米阵列紫外光探测器件，对其高质量制备一维ZnO纳米阵列的方法，器件简单稳定的构建过程，以及对器件在不同紫外光照射下的响应性能分析的研究并不多。本方法实现了高质量一维ZnO纳米阵列的可控制备、探测器件的简单可靠构建及光电响应性能的灵敏稳定。我们发明的目的是降低ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制造成本，提高器件的响应性能，为器件以后的实际应用奠定实验和理论基础。

本发明的技术方案是：一种肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法，具体包括以下工艺步骤：

步骤1.制备一维ZnO纳米阵列：

首先在FTO透明导电玻璃上旋涂浓度为0.25~0.5 M的晶种液，接着放入电炉中350~400℃烧结30~60分钟，冷却后放入浓度为0.05 M的生长液中90~95℃生长20~24小时，得到长度为2~3 um排列整齐的一维ZnO纳米阵列，备用；

步骤2.构建器件：在上述步骤中制得的一维ZnO纳米阵列，以分配剂量为5~8 ml/1×2 cm²，旋涂速率为2500~3500 rpm，时间为40~60 s均匀旋涂PMMA光刻胶，旋涂后在150~200 ℃前烘1~3小时；其中，胶层厚度为500~1000 nm；用氧等离子体对一维ZnO纳米阵列顶端的光刻胶在气压为10 Pa，功率为50~100 W，O₂流量为20~30 sccm，时间为30~60 s进行刻蚀，使一维ZnO纳米阵列顶端露出；其中，刻蚀的厚度为50~100 nm；通过真空镀膜机在电流为20~30 mA，真空度为8~9 Pa，时间为400~800 s下，在露出的一维ZnO纳米阵列顶端进行沉积金属Pt薄膜，沉积镀膜厚度为50~100 nm，形成Pt电极；然后在电炉中350~400℃退火30~60分钟；最后用导电银胶从Pt电极和FTO薄膜电极引出Cu导线，即得到肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件。

通过对构建的器件，用两种波长（365 nm和254 nm）的紫外光进行探测，发现Pt电极跟ZnO纳米阵列有很好的肖特基接触特性，器件对紫外光的响应时间很短，响应度很高，并且光电性能稳定。

本发明的优点在于：

1．在FTO导电玻璃上构建了基于ZnO纳米阵列的紫外光探测器件，紫外光可以从背面FTO一侧入射，极大的提高了ZnO纳米阵列对紫外光的吸收。

2．我们采用Pt作为电极，使其与ZnO形成很好的肖特基接触特性，能明显提高器件的光电响应性能。

3．器件的构建过程简单，成本低廉，性能稳定，为以后的实际应用提供了可能。

附图说明

图1 是ZnO纳米阵列的扫描电镜俯视示意图。

图2 是ZnO纳米阵列的扫描电镜横向示意图。

图3是 ZnO纳米阵列的拉曼光谱的示意图。

图4是 ZnO纳米阵列的PL谱示意图。

图5是基于一维ZnO纳米阵列的紫外探测器件的构建过程示意图。

图6是器件对365 nm和254 nm两种波长紫外光的光电响应特性曲线，（a）两种紫外光照下的I-V特性曲线；（b）两种紫外光照下的光电流变化的特性曲线。

具体实施方式

下面结合具体例子对本发明的技术方案进行说明：

实施例1：

1．水热法生长一维ZnO纳米阵列时，首先在清洗干净的FTO导电玻璃上旋涂浓度为0.25 M的晶种液（醋酸锌、乙二醇甲醚和乙醇胺按照一定比例的混合溶液），旋涂速率为3000 rpm, 时间20 s, 旋涂3次；在350℃烧结晶种层30分钟；在盛有浓度为0.05 M生长液（去离子水、硝酸锌和六次甲基四胺按照一定比例的混合溶液）的反应釜中95℃生长24小时。反应完毕就可以的得到长度为2~3 um排列整齐的ZnO纳米阵列。

2．构建器件时，在ZnO纳米阵列上旋涂PMMA光刻胶的分配剂量为5ml/1×2 cm²，转速为2500 rpm，时间40 s，旋涂3次，使PMMA胶均匀填充于ZnO纳米阵列之间，胶层厚度为500 nm；接着在150 °C 前烘1小时，使PMMA胶与阵列有很好的粘附效果；通过氧等离子体刻蚀时，设置参数为气压：10 Pa，功率：50 W，O₂气体流量：20 sccm，反应时间：30 s，可以刻蚀掉50 nm 厚度的光刻胶，使阵列的端部露头；选择镀Pt电极，可以使其与ZnO形成很好的肖特基接触。具体的镀膜参数为：电流为20 mA，真空度为8~9 Pa，时间为400 s，电极厚度为50 nm；最后350℃退火处理30分钟，可以使电极和ZnO接触特性更好；最后引出铜导线就可以进行光电性能测试。

实施例2：

1．水热法生长一维ZnO纳米阵列时，在FTO上旋涂晶种液（醋酸锌、乙二醇甲醚和乙醇胺）的浓度为0.5 M，旋涂速率为3500 rpm, 时间20s, 旋涂3次；在电炉中400 °C烧结晶种层30分钟；在0.05 M生长液（去离子水、硝酸锌和六次甲基四胺）中95 °C生长24小时。反应得到的ZnO纳米阵列相比较实施例1排列更紧密。

2．构建器件时，ZnO纳米阵列上旋涂PMMA光刻胶时分配剂量为8ml/1×2 cm²，旋涂前先静置10 s, 接着设置转速为3500 rpm，旋涂50 s，旋涂3次，胶层厚度为750nm；在175 °C 前烘2小时；氧等离子体刻蚀时，设置气压为10 Pa，功率：100 W，O₂气体流量：25 sccm，反应时间：45 s，刻蚀厚度为75nm；镀Pt 电极时电流为25 mA，真空度为8~9 Pa，时间为600 s，电极厚度为75 nm；在375 °C退火处理45分钟；最后从器件正负两端电极引出导线就可以进行光电性能测试。

实施例3：

1．水热法生长一维ZnO纳米阵列时，在FTO上旋涂晶种液（醋酸锌、乙二醇甲醚和乙醇胺的混合溶液）的浓度为0.5 M，旋涂速率为3500 rpm，时间20s，旋涂3次；在电炉中400 °C烧结晶种层30分钟；在浓度为0.05 M生长液（去离子水、硝酸锌和六次甲基四胺的混合溶液）中95 °C生长24小时，即可得到整齐的ZnO纳米阵列。

2．构建器件时，ZnO纳米阵列上旋涂PMMA光刻胶时，分配剂量为8ml/1×2 cm²，第一转速为600 rpm，旋涂6 s，第二转速为3500 rpm，旋涂60 s，这样的旋涂过程重复3次，胶层厚度为1000nm，旋涂的光刻胶层更平滑；在200 °C 前烘3小时；氧等离子体刻蚀时，设置气压为10 Pa，功率：50 W，O₂气体流量：30 sccm，反应时间：60 s，刻蚀厚度为100 nm；镀Pt 电极时电流为30 mA，真空度为8~9 Pa，时间为800 s，电极厚度为100 nm；在400 °C退火处理60分钟；最后从器件正负两端电极引出导线就可以进行光电性能测试。

Claims

1.一种肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法，其特征在于：

步骤1.制备一维ZnO纳米阵列：

首先在FTO透明导电玻璃上旋涂浓度为0.25~0.5 M的晶种液，接着放入电炉中350~400 ℃烧结30~60分钟，冷却后放入浓度为0.05 M的生长液中90~95 ℃生长20~24小时，得到长度为2~3 um排列整齐的一维ZnO纳米阵列，备用；

步骤2.构建器件：在上述步骤中制得的一维ZnO纳米阵列，以分配剂量为5~8 ml/1×2 cm²，旋涂速率为2500~3500 rpm，时间为40~60 s均匀旋涂PMMA光刻胶，旋涂后在150~200℃前烘1~3小时；其中，胶层厚度为500~1000 nm；用氧等离子体对一维ZnO纳米阵列顶端的光刻胶在气压为10 Pa，功率为50~100 W，O₂流量为20~30 sccm，时间为30~60 s进行刻蚀，使一维ZnO纳米阵列顶端露出；其中，刻蚀的厚度为50~100 nm；通过真空镀膜机在电流为20~30 mA，真空度为8~9 Pa，时间为400~800 s下，在露出的一维ZnO纳米阵列顶端进行沉积金属Pt薄膜，沉积镀膜厚度为50~100 nm，形成Pt电极；然后在电炉中350~400 ℃退火30~60分钟；最后用导电银胶从Pt电极和FTO薄膜电极引出Cu导线，即得到肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件。