CN102522448B - 镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，包括沿垂直方向依次设置的衬底，底层NiO薄膜，两层以上的多层镁镍氧薄膜，帽层NiO薄膜，第一金属电极（欧姆接触）和第二金属电极（肖特基接触），所述的多层镁镍氧薄膜由沿垂直方向对称分布的Mgx1Ni1-x1O、Mgx2Ni1-x2O、Mgx3Ni1-x3O……MgxmNi1-xmO、MgO、MgxmNi1-xmO……Mgx3Ni1-x3O、Mgx2Ni1-x2O、Mgx1Ni1-x1O薄膜构成，其中，0＜x1＜x2＜x3＜……＜xm＜1，MgO薄膜为中间层，多层镁镍氧薄膜中的其余薄膜相对于中间层沿垂直方向对称分布。其制备方法为：在衬底表面以下列生长工艺中的一种或多种依次生长薄膜和电极，所述生长工艺采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法、电子束蒸发法或分子束外延法。本发明的优点是：通过调节外加偏压，可以实现多波段日盲区紫外探测，实现了器件的集成，单个探测器即可实现多个日盲区波段的探测，相对于分立器件具有低成本，工艺简单，重复性好，易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器及其制备方法。
背景技术
随着紫外探测技术的发展，价格便宜、性能稳定可靠的紫外探测器件逐渐成为研究的热点之一，尤其是工作于地球表面日盲区(波长为240-280nm)范围内的紫外光探测器。日盲区紫外探测器可应用于导弹尾焰探测、化学火焰探测以及短波长光通讯等军事、民用领域。目前，常见的紫外探测器有AlGaN体系和MgZnO体系，但AlGaN体系制备工艺复杂，成本较高，缺少晶格匹配的衬底，使薄膜中存在大量缺陷；由于Al原子和Ga原子的迁移率不同，随Al组分增加，使得组分不均一，这些因素严重制约着AlGaN体系器件性能。MgZnO体系虽然在一定程度上调节了其禁带宽度，但是由于ZnO与MgO晶体结构上的差异，两者的固溶度有限，薄膜禁带宽度只能在一定范围内调节，其光谱响应仍不能被调节到日盲光谱范围内。对于MgxNi1-xO合金，当x取值在0.2~0.3之间时，合金薄膜的吸收截止波长为276nm~253nm, 刚好处于日盲区范围(240nm~280nm)，非常适合用于日盲区紫外探测器。
目前，MgxNi1-xO基紫外探测器的相关研究还处于起步阶段：Z.G. Ji等(Z.G. Ji, Z. P. He, Synthesis of MgxNi1-xO thin films with a band-gap in the solar-blind region, Journal of Crystal Growth，2005(2733): 446-450)用溶胶-凝胶法在石英衬底上制备了MgxNi1-xO薄膜并经过高温退火处理后初步实现薄膜禁带宽度的调节，但薄膜的结晶质量较差，有较高的晶界密度和晶内缺陷及无定形相，在禁带中引入深能级作为载流子的陷阱或复合中心，严重限制其紫外响应特性；Y. M. Zhao等(Y. M. Zhao, J.Y. Zhang et al, MgxNi1-xO-based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetector J. Phys. D: Appl. Phys, 2009(42): 092007)用电子束蒸发技术在石英衬底上制备了MgxNi1-xO薄膜，由于Mg原子迁移率低导致薄膜产生微区不均匀，很难得到组分均匀的固溶体，薄膜禁带宽度未能达到预期调制结果，其光响应截止波长未能进入日盲区；中国专利CN102157598报道了基于镁镍氧化物薄膜的太阳盲探测器及其制备方法，但是由于是单层MgxNi1-xO薄膜构成的金属-半导体-金属型(MSM)型紫外探测器，该探测器只能探测日盲区中单波段紫外线。至今为止，基于镁镍氧基的日盲区紫外探测器只是用于单波段探测，未见可调节的多波段日盲区紫外探测器。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，设计一种可调节的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，该多波段探测器体积小、工作电压低、灵敏度高、可用于多波段日盲区紫外探测。
本发明采用的技术方案如下：
一种镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，其特征在于：包括沿垂直方向依次设置的衬底，底层NiO薄膜，多层镁镍氧薄膜，帽层NiO薄膜，所述探测器还设有第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极设置在底层NiO薄膜上，第二金属电极设置在帽层NiO薄膜上。
其中，所述的多层镁镍氧薄膜(3)由沿垂直方向对称分布的Mgx1Ni1-x1O、Mgx2Ni1-x2O、Mgx3Ni1-x3O……MgxmNi1-xmO、MgO、MgxmNi1-xmO……Mgx3Ni1-x3O 、Mgx2Ni1-x2O、Mgx1Ni1-x1O薄膜构成，其中，0＜x1＜x2＜x3＜……＜xm＜1，MgO薄膜为中间层，多层镁镍氧薄膜中的其余薄膜相对于中间层沿垂直方向对称分布；
优选的，所述的多层镁镍氧薄膜分别与底层NiO薄膜和帽层NiO薄膜具有晶格匹配性，并且每层镁镍氧薄膜的厚度为5nm～300nm；
所述的衬底为硅、石英玻璃或玻璃衬底；
所述的第一金属电极由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数大于底层NiO薄膜的功函数，所述第一金属电极和底层NiO薄膜形成欧姆接触，所述第一金属电极的厚度为10nm～400nm；
所述的第二金属电极由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数小于帽层NiO薄膜的功函数，所述的第二金属电极和帽层NiO薄膜形成肖特基接触，所述的第二金属电极的厚度为10nm～400nm。
本发明的第二个目的是提供该镁镍氧基可调节多波段日盲区紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
1) 清洗衬底；
2) 在衬底上生长底层NiO薄膜；
3) 在上述底层NiO薄膜表面生长多层镁镍氧薄膜，并在底层NiO薄膜表面预留生长第一金属电极的面积；
4) 在多层镁镍氧薄膜表面生长帽层NiO薄膜；
5) 在底层NiO薄膜上生长第一金属电极，在帽层NiO薄膜上生长第二金属电极。
其中，所述的衬底为硅、石英玻璃或玻璃衬底；所述的步骤2)至步骤5)中的生长工艺采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法、电子束蒸发法或分子束外延法；
所述的第一金属电极由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数大于底层NiO薄膜的功函数，所述第一金属电极和底层NiO薄膜形成欧姆接触，所述第一金属电极的厚度为10nm～400nm；
所述的第二金属电极由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数小于帽层NiO薄膜的功函数，所述的第二金属电极和帽层NiO薄膜形成肖特基接触，所述的第二金属电极的厚度为10nm～400nm。
本发明具有以下主要优点：
(1)本发明的探测器含有两层以上的多层镁镍氧薄膜，可以通过外加偏压变化，使得探测器中多层镁镍氧薄膜中每层薄膜的导带底和价带顶会发生变化，禁带宽度发生变化，不同的禁带宽度就可以探测不同波长的紫外线，这样可应用于多波段的日盲区紫外探测，进而可以实现器件的集成，单个探测器即可实现多个日盲区波段的探测，相对于分立器件具有低成本，工艺简单，易于实现等优点；
(2)本发明的探测器是通过采用多层镁镍氧薄膜和帽层NiO薄膜之间的肖特基接触的结型探测器，外加电场主要加在结区，时间常数相应较小，响应速度快；
（3）本发明制备的多层镁镍氧薄膜、NiO薄膜晶格取向单一，结晶性好，表面平整，镁镍氧薄膜和NiO薄膜之间晶格匹配很好，附着力强，薄膜质量好，重复性好，附着力强，薄膜质量好，重复性好；
(4)本发明制备探测器的方法采用的均为物理气相沉积法，适用范围广，技术设备简单，易控制，生长速快，沉积参数易调，沉积薄膜质量好。
附图说明
图1是本发明的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的结构示意图；
图中所示：1为衬底，2为底层 NiO薄膜, 3 为多层镁镍氧薄膜，4为帽层NiO薄膜，5为第一金属电极，6为第二金属电极；
图2是图1中多层镁镍氧薄膜的结构示意图；
图中所示：3-1为 Mgx1Ni1-x1O薄膜, 3-2 为Mgx2Ni1-x2O薄膜，3-m+1 为MgO薄膜。
具体实施方式
以下仅是本发明的具体实施方式，对发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变化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。
本发明的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的结构示意图见图1，其中的多层镁镍氧薄膜3的结构示意图见图2。
本发明的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的包括沿垂直方向依次设置的：
衬底1，该衬底1为硅、石英玻璃或玻璃衬底；
底层NiO薄膜2；
多层镁镍氧薄膜3，该多层镁镍氧薄膜3由沿垂直方向对称分布的Mgx1Ni1-x1O、Mgx2Ni1-x2O、Mgx3Ni1-x3O……MgxmNi1-xmO、MgO、MgxmNi1-xmO……Mgx3Ni1-x3O 、Mgx2Ni1-x2O、Mgx1Ni1-x1O薄膜构成，其中，0＜x1＜x2＜x3＜……＜xm＜1，MgO薄膜为中间层，多层镁镍氧薄膜3中的其余薄膜相对于中间层沿垂直方向对称分布；
优选的，该多层镁镍氧薄膜3分别与底层NiO薄膜2和帽层NiO薄膜4具有晶格匹配性，并且每层镁镍氧薄膜的厚度为5nm～300nm；
帽层NiO薄膜4；
第一金属电极5，该电极由一种或多种的金属材料组成，所述金属材料的功函数大于的底层NiO薄膜2的功函数，所述的第一金属电极5和底层NiO薄膜2形成欧姆接触，所述的第一金属电极5的厚度为10nm～400nm；
第二金属电极6，该电极由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数小于的帽层NiO薄膜4的功函数，所述的第二金属电极6和帽层NiO薄膜4形成肖特基接触，所述的第二金属电极6的厚度为10nm～400nm。
再结合附图1，详细说明本发明的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的的制备方法。
实施例1：
以脉冲激光沉积方法制备镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器原型器件为例，包括以下步骤：
1)清洗衬底1：将2英寸的石英玻璃作为衬底1，依次在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗30min，用N2吹干。
2)采用脉冲激光沉积法生长底层NiO薄膜2：先将脉冲激光沉积系统真空度抽至3.0×10-3Pa，然后将衬底1温度升至300 ℃，氧压调至10 Pa，设定激光参数为300 mJ、5Hz，以纯NiO陶瓷靶材作为溅射靶材，衬底与靶材间距5 cm，沉积1个小时，沉积了一层300nm厚度的NiO薄膜，即得底层NiO薄膜2；
3)采用脉冲激光沉积法生长多层镁镍氧薄膜3：把脉冲激光沉积系统以10℃/s的速率降温到30℃，取出已经长有底层NiO薄膜2的衬底1，用锡箔遮挡住底层NiO薄膜2的1/4，然后将系统真空度抽至3.0×10-3Pa，然后将衬底温度升至300 ℃，氧压调至10 Pa，设定激光参数为300 mJ、5Hz，依次以Mg0.2Ni0.8O陶瓷靶材，Mg0.4Ni0.6O陶瓷靶材，MgO陶瓷靶材，Mg0.4Ni0.6O陶瓷靶材，Mg0.2Ni0.8O陶瓷靶材作为溅射靶材，衬底与靶材间距5cm，分别沉积1小时，生长300nm的Mg0.2Ni0.8O薄膜，300nm的Mg0.4Ni0.6O薄膜，300nm的MgO薄膜，300nm 的Mg0.4Ni0.6O薄膜，300nm的Mg0.2Ni0.8O薄膜，即得多层镁镍氧薄膜3；
4)采用脉冲激光沉积法生长帽层NiO薄膜4：在步骤3)的基础上，脉冲激光沉积系统的参数不变，以纯NiO陶瓷靶材作为溅射靶材，沉积1个小时，沉积了一层300nm厚度的NiO薄膜，即得帽层NiO薄膜4；
5)采用电子束蒸发法生长第一金属电极5：将底层NiO薄膜2用面积0.5mm2点状电极掩膜板遮挡，另外部分用锡箔纸遮挡，放入电子束蒸发系统的腔体中，沉积条件为：沉积压强6×10-4Pa，电流100~150mA，首先采用纯Ni靶材，以5?/s的速率沉积20s，生长10nm的Ni，接着采用纯Au靶材，以4?/s的速率沉积1000s，生长400nm的Au，得到面积0.5mm2点状欧姆电极，即得第一金属电极5；
6)采用电子束蒸发法生长第二金属电极6：把步骤5)沉积好Ni/Au电极的样品取出来，将沉积过的部分用锡箔遮挡，另外部分用面积0.5mm2点状电极掩膜板遮挡，放入电子束蒸发系统的腔体中，沉积条件为：沉积压强6×10-4Pa，电流100~150mA，采用纯Al靶材，以5?/s的速率沉积100s，生长50nm的Al，得到面积0.5mm2点状肖特基电极，即得第二金属电极6，完成了日盲区紫外探测器的制备过程。
上述步骤中，步骤5)和步骤6)顺序可以互换。
对于制得的多波段的日盲区紫外探测器，当外加偏压在-5V到-1V之间变动时，禁带宽度从4.5eV波动到4.8eV，可以探测波长为258nm~275nm日盲区的紫外光。
实施例2：
以磁控溅射法方法制备镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器原型器件为例，包括以下步骤：
1） 清洗衬底1：将2英寸的p型硅片或玻璃作为衬底1，依次在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗30min，用N2吹干。
2）采用磁控溅射法生长底层NiO薄膜2：先将脉冲激光沉积系统真空度抽至2.0×10-3Pa，然后将衬底温度升至350℃，沉积压强为0.5Pa ，Ar:O2=47:3的气氛，以纯NiO陶瓷靶材作为溅射靶材，衬底与靶材间距15 cm，沉积1个小时，沉积一层500nm厚度的底层NiO薄膜2。
3）采用磁控溅射法生长多层镁镍氧薄膜3：把脉冲激光沉积系统以10℃/s的速率降温到40℃，取出已经长有底层NiO薄膜2的衬底1，用锡箔遮挡住底层NiO薄膜2的1/4，，将系统真空度抽至2.0×10-3Pa，然后将衬底温度升至600℃，沉积压强为0.66Pa ，Ar气氛(80sccm)，依次以Mg0.1Ni0.9O陶瓷靶、Mg0.2Ni0.8O陶瓷靶、Mg0.5Ni0.5O陶瓷靶、MgO陶瓷靶、Mg0.5Ni0.5O陶瓷靶、Mg0.2Ni0.8O陶瓷靶、Mg0.1Ni0.9O陶瓷靶作为溅射靶材，衬底与靶材间距15 cm，分别沉积30s，生长5nm的Mg0.1Ni0.9O薄膜， 5nm的Mg0.2Ni0.8O薄膜， 5nm的Mg0.5Ni0.5O薄膜，5nm的MgO薄膜，5nm的Mg0.5Ni0.5O薄膜，5nm的Mg0.2Ni0.8O薄膜，生长5nm的Mg0.1Ni0.9O薄膜，即得多层镁镍氧薄膜3；
4）采用磁控溅射法生长帽层NiO薄膜4：在步骤3)的基础上，将衬底温度调节至350℃，沉积压强调节为0.5Pa ，Ar:O2=47:3的气氛，以纯NiO陶瓷靶材作为溅射靶材，衬底与靶材间距15 cm，沉积0.5个小时，沉积了一层250nm厚度的帽层NiO薄膜4；
5）采用电子束蒸发法生长第一金属电极5：将第一层沉积的NiO薄膜2用面积0.5mm2点状电极掩膜板遮挡，另外部分用锡箔纸遮挡，放入电子束蒸发系统的腔体中，沉积条件为：沉积压强6×10-4Pa，电流100~150mA。采用纯Ni靶材，以5?/s的速率沉积200s，生长100nm的Ni，得到面积0.5mm2点状欧姆电极，即得第一金属电极5；
6）采用电子束蒸发法生长第二金属电极6：把步骤5)沉积好Ni电极的样品取出来，将沉积过的部分用锡箔遮挡，另外部分用面积0.5mm2点状电极掩膜板遮挡，放电子束蒸发系统的腔体中。沉积条件为：沉积压强6×10-4Pa，电流100~150mA。首先采用纯Al靶材，以5?/s的速率沉积30s，生长15nm的Al，接着采用纯Ti靶材，以5?/s的速率沉积770s，生长285nm的Ti，得到面积0.5mm2点状肖特基电极，即得第二金属电极6，完成了日盲区紫外探测器的制备过程。
上述步骤中，步骤5)和步骤6)顺序可以互换。
对于制得的多波段的日盲区紫外探测器，当外加偏压在-5V到-1V之间变动时，禁带宽度从4.45eV到5.10eV，可以探测波长为243nm~278nm日盲区的紫外光。
Claims (11)
1.一种镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，其特征在于：包括沿垂直方向依次设置的衬底(1)，底层NiO薄膜(2)，多层镁镍氧薄膜(3)，帽层NiO薄膜(4)，所述探测器还设有第一金属电极(5)和第二金属电极(6)，第一金属电极(5)设置在底层NiO薄膜(2)上，第二金属电极(6)设置在帽层NiO薄膜(4)上；所述的多层镁镍氧薄膜(3)由沿垂直方向对称分布的Mgx1Ni1-x1O、Mgx2Ni1-x2O、Mgx3Ni1-x3O……MgxmNi1-xmO、MgO、MgxmNi1-xmO……Mgx3Ni1-x3O、Mgx2Ni1-x2O、Mgx1Ni1-x1O薄膜构成，其中，0＜x1＜x2＜x3＜……＜xm＜1，MgO薄膜为中间层，多层镁镍氧薄膜(3)中的其余薄膜相对于中间层沿垂直方向对称分布。
2.根据权利要求1所述的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，其特征在于：所述的多层镁镍氧薄膜(3)分别与底层NiO薄膜(2)和帽层NiO薄膜(4)具有晶格匹配性，并且每层镁镍氧薄膜的厚度为5nm～300nm。
3.根据权利要求1所述的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，其特征在于：所述的衬底(1)为硅或石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，其特征在于：所述的衬底(1)为玻璃衬底。
5.根据权利要求1所述的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，其特征在于：所述的第一金属电极(5)由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数大于底层NiO薄膜(2)的功函数，所述第一金属电极(5)和底层NiO薄膜(2)形成欧姆接触，所述第一金属电极(5)的厚度为10nm～400nm。
6.根据权利要求1所述的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器，其特征在于：所述的第二金属电极(6)由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数小于帽层NiO薄膜(4)的功函数，所述的第二金属电极(6)和帽层NiO薄膜(4)形成肖特基接触，所述的第二金属电极(6)的厚度为10nm～400nm。
7.制备如权利要求1至6任一项所述的镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)清洗衬底(1)；
2)在衬底(1)上生长底层NiO薄膜(2)；
3)在上述底层NiO薄膜(2)表面生长多层镁镍氧薄膜(3)，并在底层NiO薄膜(2)表面预留生长第一金属电极(5)的面积；
4)在多层镁镍氧薄膜(3)表面生长帽层NiO薄膜(4)；
5)在底层NiO薄膜(2)上生长第一金属电极(5)，在帽层NiO薄膜(4)上生长第二金属电极(6)。
8.根据权利要求7所述的制备镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的方法，其特征在于：所述的衬底(1)为硅或石英玻璃；所述的步骤2)至步骤5)中的生长工艺采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法、电子束蒸发法或分子束外延法。
9.根据权利要求7所述的制备镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的方法，其特征在于：所述的衬底(1)为玻璃衬底；所述的步骤2)至步骤5)中的生长工艺采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法、电子束蒸发法或分子束外延法。
10.根据权利要求7所述的制备镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的方法，其特征在于：所述的第一金属电极(5)由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数大于底层NiO薄膜(2)的功函数，所述第一金属电极(5)和底层NiO薄膜(2)形成欧姆接触，所述第一金属电极(5)的厚度为10nm～400nm。
11.根据权利要求7所述的制备镁镍氧基多波段日盲区紫外探测器的方法，其特征在于：所述的第二金属电极(6)由一种或多种的金属材料组成，所述的金属材料的功函数小于帽层NiO薄膜(4)的功函数，所述的第二金属电极(6)和帽层NiO薄膜(4)形成肖特基接触，所述的第二金属电极(6)的厚度为10nm～400nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhu Liping Inventor after: Guo Yanmin Inventor after: Yang Zhiguo Inventor after: Xu Hongbin Inventor after: Song Shiyan Inventor after: Ye Zhizhen Inventor before: Zhu Liping Inventor before: Guo Yanmin Inventor before: Yang Zhiguo Inventor before: Ye Zhizhen |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHU LIPING GUO YANMIN YANG ZHIGUO YE ZHIZHEN TO: ZHU LIPING GUO YANMIN YANG ZHIGUO XU HONGBIN SONG SHIYAN YE ZHIZHEN |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140416 Termination date: 20200113 |