CN103022216B - BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器及制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器，包括衬底、衬底上沉积有缓冲层，缓冲层上生长有n型薄膜层，n型薄膜层上生长有p型薄膜层；n型薄膜层上制作有金属电极的负极，p型薄膜层上生长有金属电极的正极；n型薄膜层与p型薄膜层均为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度可通过控制生长时间来控制，可根据需要从几十纳米到几微米不等；BeMgZnO四元合金薄膜层通过调节Be、Mg和Zn三种元素的原子配比来调节禁带宽度，禁带宽度为3.37eV-6.2eV。本发明通过BeMgZnO四元合金薄膜层作为吸收层，获得在日盲范围200nm到375nm响应的紫外探测器，从而覆盖整个日盲区。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测器技术领域，特别涉及一种BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器及制法。
背景技术
紫外探测尤其是日盲波段的探测技术无论在军事上还是在民用上都有很大的应用：军事领域日盲探测可用在军事通信、导弹尾焰的探测和制导等方面；民用领域可用于火灾预警、海洋石油漏油、环境监测等方面。
目前商用的日盲探测器有硅探测器、光电倍增管和半导体探测器。相对硅探测器和光电倍增管来说，由于半导体材料具有携带方便、造价低、响应度高等优点而备受关注。而研究用于日盲探测的半导体材料主要有Ⅲ-Ⅴ族的合金AlGaN和Ⅱ-Ⅵ族的合金MgZnO。目前报道的GaN通过掺入铝能把能带调宽到日盲区，并制作成MSM和p-n等结构的探测器。但是AlGaN的生长温度高，而且高铝组份的合金结晶质量差，空间的抗辐射性也不如ZnO。
ZnO作为另外一种寛禁带半导体通过掺入镁也能把禁带调到日盲区，目前已有MgZnO基的日盲探测器的报导。但是MgZnO也有缺点：氧化镁和氧化锌的晶体结构不一样，限制了高镁组份合金的制备。
BeZnO作为一种新型的合金材料，其能带理论上能从3.4eV调到10.6eV，覆盖整个日盲区。但是由于氧化铍和氧化锌的晶格常数相差太大，重掺杂容易出现组份的相分离，即使在非平衡态下生长出单相的合金，晶体质量也很差，达不到器件的要求。
通过理论计算我们发现，在BeZnO中掺入镁或者在MgZnO中掺入铍，都有利于解决三元合金遇到的结构相变和组份分离的问题。在这里我们提出制作BeZnMgO基的日盲探测器，在生长的过程中通过改变生长参数来调节铍、锌、镁的原子比例，从而使能带连续可调。
综上所述，目前来说这种新型的材料还有待研究，相关的探测器的制备尚未看到报导。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有应用ZnO材料制作紫外探测的技术不足，提供一种BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器，以获得在日盲范围（200nm到375nm）响应的紫外探测器。
进一步的，提供一种BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器的制法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器，包括衬底、衬底上沉积有缓冲层，缓冲层上生长有n型薄膜层，n型薄膜层上生长有p型薄膜层；n型薄膜层上制作有金属电极的负极，p型薄膜层上生长有金属电极的正极；所述n型薄膜层与p型薄膜层均为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度为200nm～1000nm；BeMgZnO四元合金薄膜层通过调节铍、镁和锌三种元素的原子配比来调节禁带宽度，禁带宽度为3.37eV～6.2eV。
优选地，所述衬底为单晶氮化镓、砷化镓、氧化镁、单面或双面抛光的蓝宝石；衬底为蓝宝石时，蓝宝石的取向可以是c、R、M和a取向。
优选地，缓冲层由氧化铍、金属镁、氧化镁和氧化锌中的一种或一种以上材料形成，缓冲层的厚度为10nm-100nm。
优选地，所述金属电极由钛、铝、镍、金、铂、银、铱、钼、钽、铌、钴、锆和钨中的一种或一种以上形成，金属电极的沉积厚度为10nm～500nm。
优选地，金属电极上沉积有金层或银层，该金层或银层的厚度10nm～1000nm。
优选地，p型薄膜层通过掺元素锂、钠、氮或磷来实现；n型薄膜层通过掺元素铝或镓来实现。
进一步地，提供一种BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器的制法，包括如下步骤：
1）清洗衬底：在硫酸：盐酸体积比为3:1的酸中加热15min～30min，之后经过丙酮、异丙醇清洗，然后用去离子水冲干净，最后用氮气枪吹干；在装入生长腔之后，用500oC～900oC的高温处理15min～60min，去除衬底表面的水蒸汽和残留的有机物；
2）生长缓冲层：在高温处理衬底后，在衬底上生长缓冲层；
3）生长薄膜层：先在缓冲层上生长n型薄膜层，所掺的元素可为铝和镓；然后在n型层上生长p型薄膜层，所掺元素可为锂、钠、氮或磷，薄膜层为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度为200nm～1000nm；BeMgZnO四元合金薄膜层通过调节铍、镁和锌三种元素的原子配比来调节禁带宽度，禁带宽度为3.37eV～6.2eV；
4）刻蚀：在制作该层之前必须先用丙酮或异丙醇IPA化学试剂对步骤3）中的产物进行表面清洗，以得到干净平整的表面；然后用光学掩膜和显影技术的方法用光刻胶覆盖部分p型薄膜层；接着采用ICP刻蚀的方法刻蚀掉未经光刻胶覆盖部分的p型薄膜层，使n型薄膜层对应部分裸露出来；
5)制作金属电极：再次把步骤4）中刻蚀完的样品用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水清洗干净；然后贴上掩膜并采用电子束蒸镀，在n型薄膜层上镀上金属电极的负极，在P型薄膜层上镀上金属电极的负极。
优选地，步骤1）中，在衬底上通过分子束外延、化学气相沉积、磁控溅射）或脉冲激光沉积生长缓冲层。
优选地，步骤2）中，在缓冲层上通过分子束外延、化学气相沉积、磁控溅射或脉冲激光沉积生长薄膜层。
优选地，步骤5）中，在金属电极上继续沉积金层或银层，该金层或银层的厚度10nm～1000nm。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明在生长的过程中通过调节铍、镁、锌在四元合金中的原子比例，一方面克服了三元合金MgZnO中存在的高镁浓度下的结构相变问题，将光谱响应范围继续往短波段调节；另一方面也解决了三元合金BeZnO中高铍浓度的晶体质量差，铍易处于间隙位置的问题。四元合金BeMgZnO薄膜层作为吸收层，可获得在200nm到375nm波长范围响应的紫外探测器，覆盖了整个日盲区；而且这种探测器的成本相对现有的探测技术，譬如硅探测器等要低的多，而且体积较小，不用外加滤光片和放大元件，易于携带和应用。另外，同质p-n结构探测器具有工作电压低，输入阻抗高，工作频率大，饱和电流小等优点，另外其制作工艺与半导体平面工艺相容，方面了大规模化的集成。
附图说明
图1是本发明BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器的结构示意图；
图2是本发明BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器生长BeMgZnO四元合金薄膜层的结构示意图；
图3是本发明p型薄膜层经ICP刻蚀后的结构示意图；
图4是本发明制备金属电极的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
实施例1
如图1、2和3所示，一种BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器，包括衬底1、衬底1上沉积有缓冲层2，缓冲层2上生长有n型薄膜层3，n型薄膜层3上生长有p型薄膜层4；n型薄膜层3上制作有金属电极5的负极，p型薄膜层4上生长有金属电极5的正极。
n型薄膜层3和p型薄膜层4均为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度为200nm～1000nm；BeMgZnO四元合金薄膜层通过调节铍、镁和锌三种元素的原子配比来调节禁带宽度，禁带宽度为3.37eV～6.2eV。
本实施例中，衬底为双面抛光的蓝宝石时，双面抛光的蓝宝石的取向是c取向。叉指电极采用的是钛和金。
本实施例制备方法如下：在生长薄膜层之前先对衬底进行清洗，具体步骤为：
1）清洗衬底：在硫酸：盐酸体积比为3:1的酸中加热15min～30min，清除衬底表面在切割过程中可能附着的金属（主要是为了清除衬底表面在切割过程中可能附着的金属，除蓝宝石之外其它衬底可无需经过此步骤）；之后经过丙酮、异丙醇（IPA）清洗，清洗衬底表面附着的有机物；然后用去离子水冲干净，最后用氮气枪吹干；在装入生长腔之后，用500oC～900oC的高温处理15min～60min，把表面的水蒸汽和残留的有机物去掉。
2）生长缓冲（buffer）层：在衬底上根据分子束外延（MBE）生长缓冲层。总的来说，束流的固体源的束流通过控制源的温度或者溅射功率或者是激光的脉冲功率来调节，气体源则由气体质量流量计来控制。缓冲（buffer）层的厚度为10nm-100nm，尽可能在生长薄膜层之前起到过渡作用，厚度可通过控制生长时间来调节。
3）生长薄膜层：在缓冲层上根据分子束外延（MBE）生长薄膜层，先在缓冲层上生长n型薄膜层，所掺的元素可为铝和镓；然后在n型层上生长p型薄膜层，所掺元素可为锂、钠、氮或磷，薄膜层为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度为几十纳米到几微米不等；BeMgZnO四元合金薄膜层通过调节铍、镁和锌三种元素的原子配比来调节禁带宽度，禁带宽度为3.37eV～6.2eV；和生长缓冲（buffer）层一样，束流的固体源的束流通过控制源的温度或者溅射功率或者是激光的脉冲功率来调节，气体源则由气体质量流量计来控制，厚度可通过生长时间控制。
4）刻蚀：在制作该层之前必须先用丙酮或异丙醇IPA化学试剂对步骤3）中的产物进行表面清洗，以得到干净平整的表面；然后用光学掩膜和显影技术的方法用光刻胶覆盖部分p型薄膜层；然后采用ICP刻蚀的方法刻蚀掉未经光刻胶覆盖部分的p型薄膜层，使n型薄膜层对应部分裸露出来。
5)制作金属电极：再次把步骤4）中刻蚀完的样品用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水清洗干净；然后贴上掩膜并采用电子束蒸镀，在n型薄膜层上镀上金属电极的负极，在P型薄膜层上镀上金属电极的负极。
实施例2
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：本实施例中，步骤3）中，在缓冲层上根据化学气相沉积（MOCVD）生长n型薄膜层。
实施例3
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：本实施例中，步骤3）中，在缓冲层上根据磁控溅射（Sputter）生长n型薄膜层。
实施例4
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：本实施例中，步骤3）中，在缓冲层上根据脉冲激光沉积生长n型薄膜层。
实施例5
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：本实施例中，步骤2）中，在衬底上根据磁控溅射（Sputter）生长缓冲层；步骤3）中，在缓冲层上根据脉冲激光沉积生长薄膜层。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (4)
1.BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器的制法，包括衬底、衬底上沉积有缓冲层，缓冲层上生长有n型薄膜层，n型薄膜层上生长有p型薄膜层；n型薄膜层上制作有金属电极的负极，p型薄膜层上生长有金属电极的正极；所述n型薄膜层与p型薄膜层均为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度在为200nm～1um；BeMgZnO四元合金薄膜层通过调节铍、镁和锌三种元素的原子配比来调节禁带宽度，禁带宽度为3.37eV-6.2eV；
所述衬底为氮化镓、砷化镓、氧化镁、单面或双面抛光的蓝宝石；衬底为蓝宝石时，蓝宝石的取向可以是c、R、M和a取向；
缓冲层由氧化铍、金属镁、氧化镁和氧化锌中的一种或多种以上材料形成，缓冲层的厚度为10nm-100nm；
所述金属电极由钛、铝、镍、金、铂、银、铱、钼、钽、铌、钴、锆和钨中的一种或多种以上形成，此金属电极的沉积厚度为10nm～500nm；
金属电极上沉积有金层或银层，该金层或银层的厚度10nm～1000nm；
p型薄膜层通过掺元素锂、钠、氮或磷来实现；n型薄膜层通过掺元素铝或镓来实现；
其特征在于包括如下步骤：
1）清洗衬底：在硫酸：盐酸体积比为3:1的酸中加热15min～30min，之后经过丙酮、异丙醇清洗，然后用去离子水冲干净，最后用氮气枪吹干；在装入生长腔之后，用500oC～900oC的高温处理15min～60min，去除衬底表面的水蒸汽和残留的有机物；
2）生长缓冲层：在高温处理衬底后，在衬底上生长缓冲层；
3）生长薄膜层：先在缓冲层上生长n型BeMgZnO层，所掺的元素可为铝和镓；然后在n型层上生长p型BeMgZnO层，所掺元素可为锂、钠、氮或磷，薄膜层为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度为200nm～1000nm；BeMgZnO四元合金薄膜层通过调节铍、镁和锌三种元素的原子配比来调节禁带宽度，禁带宽度为3.37eV～6.2eV；
4）刻蚀：在刻蚀p型薄膜层之前必须先用丙酮或异丙醇IPA化学试剂对步骤3）中的产物进行表面清洗，以得到干净平整的表面；然后用光学掩膜和显影技术的方法用光刻胶覆盖部分p型薄膜层；然后采用ICP刻蚀的方法刻蚀掉未经光刻胶覆盖部分的p型薄膜层，使n型薄膜层对应部分裸露出来；
5)制作金属电极：再次把步骤4）中刻蚀完的样品用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水清洗干净；然后贴上掩膜并采用电子束蒸镀，在n型薄膜层上镀上金属电极的负极，在P型薄膜层上镀上金属电极的负极。
2.根据权利要求1的BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器的制法：步骤2）中，在衬底上通过分子束外延、化学气相沉积、磁控溅射或脉冲激光沉积生长缓冲层。
3.根据权利要求1的BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器的制法，其特征在于：步骤3）中，在缓冲层上通过分子束外延、化学气相沉积、磁控溅射或脉冲激光沉积生长薄膜层。
4.根据权利要求1的BeMgZnO基同质p-n结构紫外探测器的制法，其特征在于：步骤5）中，在金属电极上继续沉积金层或银层，该金层或银层的厚度10nm～1000nm。
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