CN102544221B - 一种基于宝石衬底的宽波段薄膜型光电探测器的制备方法 - Google Patents

一种基于宝石衬底的宽波段薄膜型光电探测器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蓝宝石衬底的宽波段薄膜型光电探测器的制备方法。其中包括：衬底的清洗，薄膜的生长，电极的制备。其特征在于采用湿化学法制备Mn-Co-Ni-O薄膜，选取醋酸锰、醋酸钴、醋酸镍为原料，以冰醋酸作溶剂，分别配制导电类型是n和p的前驱体溶液，然后使用匀胶机和快速退火炉来制备薄膜材料。采用本方法制备的探测器可以实现紫外-可见-红外宽波段探测。

Description

一种基于宝石衬底的宽波段薄膜型光电探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种宽波段薄膜型光电探测器，特别涉及一种基于蓝宝石衬底，用多元过渡金属氧化物Mn-Co-Ni-O薄膜制备出pn结的新型宽波段光电探测器的制备方法。
背景技术
探测器件是光电技术发展的关键和基础，在科技和民用等方面发挥着重要的作用。光电探测器是探测器中灵敏度最高的一类，具有探测率高，响应速度快的特点，但它工作一般都有特定的波长范围。通常情况下，氮化镓(GaN)探测器的工作波段是250～400nm，Si基探测器的工作波段是400～800nm，铟镓砷(InGaAs)探测器的工作波段是900～1700nm。追求发展宽波段光电探测器一直是人们努力的方向，为此发展新材料体系，进一步拓宽探测器的工作波段(250～1700nm)将存在非常重要的实际应用价值。
多元过渡金属氧化物Mn-Co-Ni-O材料是目前发现的唯一的一种全波段热敏辐射探测材料。该氧化物具有半导体性质，温度低时载流子数目少，因而其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，其电阻值降低。用它所制备的器件具有200纳米-50微米极宽阔的光响应波段，寿命长和价格便宜的优点。Mn-Co-Ni-O材料有高的电阻温度系数，其热敏特性已在热敏电阻器件、红外探测器等方面有着重要的应用，而且研究发现它具有丰富的物理特性，利用该材料的光电特性和器件结构的设计，可产生光生伏特效应，实现Mn-Co-Ni-O材料作为光电探测材料的应用。本专利采用Mn-Co-Ni-O过渡金属氧化物薄膜的制备和器件结构的设计，以实现宽波段(250～1700nm)探测的目标。
发明内容
本发明提供了一种基于蓝宝石衬底的宽波段薄膜型光电探测器的制备方法。利用Mn-Co-Ni-O薄膜材料导电类型的不同，采用湿化学法在蓝宝石衬底上制备出导电类型为p型和n型的Mn-Co-Ni-O薄膜叠加结构，形成pn结，有光入射时可发生光生伏特效应，实现紫外-可见-红外宽波段探测。
下面我们结合附图对本专利做详细的阐述。
探测器的结构如图1所示，包括：蓝宝石片衬底1、导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2、导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3、顶电极4和底电极5，其特征在于：在蓝宝石片衬底1上依次制备膜厚为100纳米到9微米的导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2，膜厚为100纳米到9微米的导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3；在导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3的部分膜面上制作一块导电层作为顶电极4，底电极5制作在去除一部分导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3和1/10-2/3厚度的导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2后露出的导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2上。
器件的制备方法如图2所示，包括：
1.衬底的清洗：
选择蓝宝石衬底，用常规的方法清洗，去除衬底表面的杂质和污物，然后烘干备用。
2.薄膜的生长：
采用专利ZL：200610030144.7中所述的湿化学法制备Mn-Co-Ni-O薄膜，选取醋酸锰、醋酸钴、醋酸镍为原料，以冰醋酸作溶剂，分别配制导电类型是n和p的前驱体溶液，然后使用匀胶机和快速退火炉来制备薄膜材料。
先是在蓝宝石衬底1上生长导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2，在导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2上继续生长导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3，这样就制备出导电类型为p型和n型Mn-Co-Ni-O薄膜叠加结构，形成pn结。
3.电极的制备：
采用刻蚀工艺除去一部分导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2和导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3，其中导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3全部去除，导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2去除1/10-2/3厚度，在露出的导电类型为n型Mn-Co-Ni-O薄膜2上用掩模板保护，制备上一块导电层作为底电极5；在导电类型为p型Mn-Co-Ni-O薄膜2的部分膜面上用掩模板保护，制备上一块导电层作为顶电极4。
本发明的制备方法有如下积极效果和优点：
1.选择蓝宝石片作为衬底，在蓝宝石衬底上生长的Mn-Co-Ni-O薄膜有很好的结晶性。
2.Mn-Co-Ni-O材料是全波段的热敏探测材料，本发明利用该材料的光电特性和器件结构的设计，可产生光生伏特效应，用于制备紫外-可见-红外宽波段光电探测器件，拓展了Mn-Co-Ni-O薄膜材料的应用范围。
3.Mn-Co-Ni-O材料的导电类型与其组分配比相关联，随着组分比例的变化，材料的导电类型可以在n和p之间转换。Mn-Co-Ni-O材料是尖晶石结构，其通式可写为Mn3-x-yCoyNixO4，一般来说，高Ni含量(0.75≤x≤1.0)Mn-Co-Ni-O材料是n型，如NiMn2O4、Ni0.75Co0.5Mn1.75O4薄膜；而较低Ni含量(0≤x≤0.5)的Mn-Co-Ni-O材料是p型，如Ni0.5Co1.0Mn1.5O4、Ni0.48Co0.96Mn1.56O4、MnCo2O4薄膜。
4.导电类型为p型和n型的Mn-Co-Ni-O薄膜材料都是尖晶石结构，晶格常数相近，在制备pn结时不存在晶格失配的问题，在衬底上依次生长导电类型为n型和p型的薄膜，可成功形成晶格匹配的pn结，用于制备光伏探测器件。
5.利用光生伏特效应的光电探测器工作不需要外加偏压，器件功耗低，其结构有利于制备成大规模焦平面器件，有着宽阔的发展前景。
附图说明
图1.本发明基于蓝宝石衬底的宽波段薄膜型光电探测器的结构示意图：
图中：
1——蓝宝石衬底；
2——导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜；
3——导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜；
4——顶电极；
5——底电极。
图2.制备方法流程图。
具体实施方式
下面提供一个通过实验研究得到的实施例，并对本发明作进一步的详细说明。
在蓝宝石衬底上，通过湿化学法在此衬底上先制备1.5微米厚的NiMn2O4薄膜，该薄膜的导电类型是n型，在NiMn2O4薄膜上接着用湿化学法生长1.5微米厚的Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜，该薄膜的导电类型是p型，这样就制备出导电类型是p型和n型的薄膜叠加结构，形成pn结。制备底电极和顶电极后就获得了pn结光伏探测器件。

Claims (1)

1.一种基于蓝宝石衬底的宽波段薄膜型光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）.衬底的清洗：
选择蓝宝石衬底，用常规的方法清洗，去除衬底表面的杂质和污物，然后烘干备用；
2）.薄膜的生长：
首先配制前驱体溶液：溶质采用具有良好溶解性，易溶于水和有机溶剂的醋酸锰、醋酸钴、醋酸镍，其配比为Mn：Co：Ni＝47-57：29-35：14-18（原子比），溶剂使用冰醋酸，将醋酸锰、醋酸钴、醋酸镍称好溶于冰醋酸中，加热此溶液至30～60℃，并不断搅拌直至醋酸盐完全溶解，最后冷却至室温，分别配制导电类型是n和p的前驱体溶液，前驱体溶液的浓度可以根据薄膜单层厚度的需要来调节；然后使用匀胶机和快速退火炉来制备薄膜材料：将上述配制好的前驱体溶液滴到衬底上，用匀胶机将溶液均匀甩开，匀胶速度为2000～4000转/分，时间为15-30秒，匀胶得到湿膜；然后将湿膜与衬底一起置于快速退火炉中进行热处理，条件为：升温至150～250℃保持5-10分钟；从150～250℃升温至400～700℃保持6-10分钟；重复上述的旋涂匀胶和热处理过程，直至得到所需厚度的薄膜；薄膜的生长顺序为：先在蓝宝石衬底上生长导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜（2），在导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜（2）上继续生长导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜（3），这样就制备出导电类型为p型和n型Mn-Co-Ni-O薄膜叠加结构，形成pn结；
3）.电极的制备：
采用刻蚀工艺除去一部分导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜（2）和导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜（3），其中导电类型为p型的Mn-Co-Ni-O薄膜（3）全部去除，导电类型为n型的Mn-Co-Ni-O薄膜（2）去除1/10—2/3厚度，在露出的导电类型为n型Mn-Co-Ni-O薄膜（2）上用掩模板保护，制备上一块导电层作为底电极（5）；在导电类型为p型Mn-Co-Ni-O薄膜（2）的部分膜面上用掩模板保护，制备上一块导电层作为顶电极（4）。
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