CN102157598A - 基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，包括沿竖直方向依次设置的衬底、镁镍氧化物薄膜和金属薄膜叉指电极，所述镁镍氧化物薄膜和金属薄膜叉指电极之间还设有导电层；其制备方法为：于超高真空环境中在衬底表面上以下列生长工艺中的至少一种依次形成镁镍氧化物薄膜、导电层和金属薄膜叉指电极，所述生长工艺包括磁控溅射法、物理气相沉积法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法和分子束外延法。本发明的太阳盲探测器具有体积小、功耗低、工作电压低、灵敏度高、测量精度高、光通道简单等诸多优点，且其制备工艺简单，易于操作，可控性好。

Description

基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及宽禁带半导体探测器制造工艺领域的一种太阳盲探测器及其制备方法，尤其涉及一种基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器及其制备方法。
背景技术
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。随着紫外探测器在紫外辐射监控、紫外预警等方面广泛应用，其日渐成为研究的重点。紫外光探测器的主要工作原理是：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。一般来说，深紫外探测器又称为“太阳盲探测器”。由于臭氧层的吸收作用，“太阳盲”探测器可以在比较干净的背景中探测物体发射中的紫外辐射，降低信号处理的难度，提高探测器效率和灵敏度。
目前，在商业和军事上应用的紫外探测器主要以光电倍增管和硅基紫外光电管为主，但该两者存在体积笨重，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。为了满足实际应用的需求，人们对功率小、体积小、成本低、光通道简单的深紫外探测器进行了研究，发现宽禁带半导体材料AlxGa1-xN、MgxZn1-xO与MgxNi1-xO有望成为制备“太阳盲”探测器的常用材料。但是，由于AlxGa1-xN的生长条件比较苛刻，高Al组分的AlxGa1-xN薄膜掺杂比较困难。而对于MgxZn1-xO薄膜来说，由于MgO与ZnO有不同的晶格结构，当Mg的含量在37％到62％时，薄膜将出现分相问题，这将严重影响探测器的性能。对于MgxNi1-xO体系而言，MgO与NiO具有相近的晶格常数与立方岩盐结构，并且薄膜的禁带宽度调节范围较宽(3.6-7.8ev)，因此将非常有利于生产高性能紫外探测器，并且随着该体系中Mg含量的增加，其吸收边将出现明显蓝移，吸收的紫外光对应当波长范围可达到160～375nm，从而覆盖整个“太阳盲”区域。2009年，张吉英等人(《MgNiO-based metal-semiconductor-metal ultravioletphotodetector》，J.Phys.D：Appl.Phys.，42，(2009)092007(4pp))利用电子束蒸发的方法制备了不同含量的MgxNi1-xO薄膜，同时也制备出Mg0.2Ni0.8O MSM型探测器，但是这种探测器在工作时暗电流较大，且最大光电响应度与可见光的抑制比较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器及其制备方法，该太阳盲探测器体积小、功耗低、工作电压低、灵敏度高、测量精度高、光通道简单，且制备工艺简单，从而克服了现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，包括沿竖直方向依次设置的衬底、镁镍氧化物薄膜和金属薄膜叉指电极，其特征在于，所述镁镍氧化物薄膜和金属薄膜叉指电极之间还设有导电层。
进一步地讲，所述衬底主要由高介电常数的Si材料构成。
所述镁镍氧化物薄膜主要由MgxNi1-xO构成，0.01＜x＜0.80；所述镁镍氧化物薄膜与衬底具有良好的晶格匹配。
所述镁镍氧化物薄膜的厚度为5nm～1μm。
所述导电层由一种或两种以上的金属材料组成，所述金属材料包括Mo、Ta、Ti、W和Ni。
所述导电层的厚度为1～100nm。
所述金属薄膜叉指电极由一种或两种以上的金属材料组成，所述金属材料包括Au和Al；所述金属薄膜叉指电极与导电层形成良好欧姆接触。
所述金属薄膜叉指电极的厚度为1～500nm。
制备如上所述基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器的方法，其特征在于，该方法为：于超高真空环境中，在衬底表面上以下列生长工艺中的至少一种依次形成镁镍氧化物薄膜、导电层和金属薄膜叉指电极，所述生长工艺包括磁控溅射法、物理气相沉积法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法和分子束外延法。
具体而言，形成所述金属薄膜叉指电极的具体过程为：在镁镍氧化物薄膜上表面经光刻工艺形成叉指状结构，然后在高真空环境中以电子束蒸发工艺先后在镁镍氧化物薄膜上蒸镀形成导电层和金属薄膜叉指电极，最后对金属薄膜叉指电极与导电层进行退火处理，使该两者之间形成良好的欧姆接触。
所述导电层由一种或两种以上的金属材料组成，所述金属材料包括Mo、Ta、Ti、W和Ni；
所述金属薄膜叉指电极由一种或两种以上的金属材料组成，所述金属材料包括Au和Al。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)采用的MgxNi1-xO薄膜具有致密度高、结晶好，薄膜与衬底之间附着力强、参数可控性好、重复性高等优点；
(2)通过在叉指电极与MgxNi1-xO薄膜之间引入导电层，增强该两者之间的附着力，并有效提高探测器的灵敏度；
(3)制得的太阳盲探测器具有体积小、功耗低、工作电压低、灵敏度高、测量精度高、光通道简单等诸多优点，且制备工艺简单，易于操作，可控性好。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的结构示意图；
图2是图1中所示金属薄膜叉指电极的结构示意图；
以上图中所示附图标记分别为：1衬底、2镁镍氧化物、3导电层、4叉指电极。
具体实施方式
考虑到现有技术中的诸多不足，本案发明人经长期研究和实践，特提出本发明的技术方案，即：选用禁带宽度连续可调、无毒、制备工艺简单、原料丰富的MgxNi1-xO薄膜来制备“太阳盲”探测器，并通过在MgxNi1-xO薄膜与叉指电极之间引入导电层，从而有效增强叉指电极与MgxNi1-xO薄膜之间的附着力，有利于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，从而得到较强的光电流，最终实现对探测器的灵敏度、响应时间等综合性能的有效提升。
具体而言，本发明的基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器包括衬底、镁镍氧化物薄膜、导电层和金属薄膜叉指电极；其工作原理是：当探测器接受紫外光辐射后，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，通过对产生的电信号进行收集并通过锁相放大器放大得到紫外光信息。
本发明优选采用Si材料为衬底，该衬底材料与镁锌氧化物晶格匹配好；同时，本发明采用的MgxNi1-xO薄膜具有致密度高、结晶好，薄膜与衬底之间附着力强、参数可控性好、重复性高等优点。
本发明基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器在制备时，其镁镍氧化物薄膜、导电层和金属薄膜叉指电极可采用磁控溅射法或物理气相沉积或电子束蒸发法或脉冲激光沉积法或分子束外延法在超高真空状态生长。
对于其中的金属薄膜叉指电极，其可在生成的镁镍氧化物薄膜上采用光刻工艺形成叉指状结构，然后采用高真空下电子束蒸发的方法形成。
以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作详细说明。
参阅图1-2，该基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器包括沿竖直方向依次设置的衬底1、镁镍氧化物薄膜2和金属薄膜叉指电极4，镁镍氧化物薄膜2和金属薄膜叉指电极4之间还设有导电层3。
前述衬底1主要由高介电常数的Si材料构成。
前述镁镍氧化物薄膜2主要由MgxNi1-xO构成，0.01＜x＜0.80；镁镍氧化物薄膜2与衬底1具有良好的晶格匹配，其厚度约5nm～1μm。
前述导电层3由Mo、Ta、Ti、W和Ni等金属中的一种或两种以上组成，其厚度约为1～100nm。
前述金属薄膜叉指电极4由Au和Al等金属材料中一种或两种以上组成，；金属薄膜叉指电极4与导电层3形成良好欧姆接触，其厚度约为1～500nm。
该基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器可采用如下工艺制备：
A、衬底预处理：采用(001)硅片作为衬底，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HF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、镁镍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，MgNiO靶材是将一定配比的99.99％的NiO与MgO粉末经球磨机均匀球磨24h之后，先在600℃预烧5h，然后放在高温炉中900℃烧结10h，最终形成致密的不同比例的MgNiO靶材。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。薄膜生长温度控制在600-780℃范围内，压强在2×10-3-2Pa之间变化，沉积时间为1-2h。
C、制作导电层和电极的过程：将上述制得MgNiO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500-2000μm的叉指状结构，然后用电子束蒸发(ei-5Z)依次蒸镀Ti和Au，并分别形成厚度1-100nm的导电层和厚度1-500nm的金属薄膜叉指电极。最后将器件整体在N2保护的环境中400℃退火30min形成良好的欧姆接触，最终制得目标产品。
本发明基于镁锌氧化物薄膜的太阳盲探测器具有结构紧固、灵敏度高、探测光谱范围广、体积小、制备工艺简单等优点。
以上仅是本发明的具体应用范例，对发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，包括沿竖直方向依次设置的衬底(1)、镁镍氧化物薄膜(2)和金属薄膜叉指电极(4)，其特征在于，所述镁镍氧化物薄膜(2)和金属薄膜叉指电极(4)之间还设有导电层(3)。
2.根据权利要求1所述的基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，其特征在于，所述衬底(1)主要由高介电常数的Si材料构成。
3.根据权利要求1所述的基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，其特征在于，所述镁镍氧化物薄膜(2)主要由MgxNi1-xO构成，0.01＜x＜0.80；所述镁镍氧化物薄膜(2)与衬底(1)具有良好的晶格匹配。
4.根据权利要求1或3所述的基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，其特征在于，所述镁镍氧化物薄膜(2)的厚度为5nm～1μm。
5.根据权利要求1所述的基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，其特征在于，所述导电层(3)由一种或两种以上的金属材料组成，所述金属材料包括Mo、Ta、Ti、W和Ni。
6.根据权利要求1或5所述的基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，其特征在于，所述导电层(3)的厚度为1～100nm。
7.根据权利要求1所述的基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，其特征在于，所述金属薄膜叉指电极(4)由一种或两种以上的金属材料组成，所述金属材料包括Au和Al；所述金属薄膜叉指电极(4)与导电层(3)形成良好欧姆接触。
8.根据权利要求1或7所述的基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器，其特征在于，所述金属薄膜叉指电极(4)的厚度为1～500nm。
9.制备如权利要求1所述基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器的方法，其特征在于，该方法为：于超高真空环境中，在衬底表面上以下列生长工艺中的至少一种依次形成镁镍氧化物薄膜(2)、导电层(3)和金属薄膜叉指电极(4)，所述生长工艺包括磁控溅射法、物理气相沉积法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法和分子束外延法。
10.根据权利要求9所述的制备基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器的方法，其特征在于，形成所述金属薄膜叉指电极(4)的具体过程为：在镁镍氧化物薄膜(2)上表面经光刻工艺形成叉指状结构，然后在高真空环境中以电子束蒸发工艺先后在镁镍氧化物薄膜(2)上蒸镀形成导电层(3)和金属薄膜叉指电极(4)，最后对金属薄膜叉指电极(4)与导电层(3)进行退火处理，使该两者之间形成良好的欧姆接触；
所述导电层(3)由一种或两种以上的金属材料组成，所述金属材料包括Mo、Ta、Ti、W和Ni；
所述金属薄膜叉指电极(4)由一种或两种以上的金属材料组成，所述金属材料包括Au和Al。
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