CN103022217A

CN103022217A - 一种BeMgZnO基MSM日盲探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN103022217A
Application number: CN2012104777458A
Authority: CN
Inventors: 汤子康; 祝渊; 苏龙兴; 张权林; 陈明明; 陈安琪; 桂许春; 项荣; 吴天准
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种BeMgZnO基的MSM结构紫外探测器及其制备方法，包括衬底、衬底上沉积有缓冲层，缓冲层上生长有薄膜层；薄膜层上制作有作为金属接触的叉指电极图形，叉指电极之间的间隙部分为感光区域；所述薄膜层为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

一种BeMgZnO基MSM日盲探测器及其制备方法

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MSM日盲探测器及其制备方法。

背景技术

紫外探测是继红外探测和激光探测之后发展起来的另外一种重要的探测技术，广泛应用于军事和日常生活中。对于军事上来说，由于喷气机、火箭和导弹在发射和飞行的过程中辐射出大量的紫外线，所发展紫外探测技术将有助于提高我们的空间防务，保障我们的国土安全。在民用方面，紫外探测也有广泛的应用，比如矿井可燃气体和汽车尾气的监测、环境污染的监测、DNA测试和海底漏油监测等等。

目前，商用的紫外探测器主要有硅紫外探测器、光电倍增管和GaN宽禁带半导体探测器，他们有一定的优势，但也有一些明显的不足。其中：

（一）光电倍增管需要在高压下工作，因此需配带有高压源而显得体积笨重，而且易损坏。

（二）硅紫外探测器有三个明显的缺点：1、对可见光有很强的吸收，因此需要附带一个复杂的滤光系统，提高了造价；2、对紫外线的吸收很强，造成紫外光的穿透深度很浅，降低了量子效率；3、空间抗辐照性差，限制了其在太空的应用。

（三）GaN宽禁带半导体探测器作为第三代半导体材料，具有宽禁带、不需要滤光系统、轻巧便携等优点，而且通过AlGaN合金化可以使禁带宽度在3.4eV到6.2eV之间连续可调。但是GaN材料的生长温度高，能耗高，热稳定性和空间抗辐照特性较差，这些都限制了其在太空探测的应用。

鉴于上述不足，人们开始发展ZnO作为另一种宽禁带的半导体，ZnO具有生长温度低，原材料丰富，激子束缚能高、电子诱生缺陷低等优势。但目前报道可以通过掺入镁使得ZnO的禁带宽度从3.4eV向更宽的禁带调节，但是由于MgO（盐岩矿结构）和ZnO（六方铅锌矿结构）的晶体结构不一样，因此镁在ZnO中的固溶度有限，能带调节有限。

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MSM日盲探测器，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MSM日盲探测器的制备方法。

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基的MSM结构紫外探测器，包括衬底、衬底上沉积有缓冲层，缓冲层上生长有薄膜层；薄膜层上制作有作为金属接触的叉指电极图形，叉指电极之间的间隙部分为感光区域；所述薄膜层为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度为200nm～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。

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；衬底为双面抛光的蓝宝石时，双面抛光的蓝宝石的取向是c、R或a取向。

优选地，缓冲层由氧化铍、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，所述叉指电极由钛（Ti）、铝（Al）、镍（Ni）、金（Au）、铂（Pt）、银（Ag）、铱（Ir）、钼（Mo）、钽（Ta）、铌（Nb）、钴（Co）、锆（Zr）和钨（W）中的一种或一种以上形成，叉指电极的沉积厚度为10nm～500nm。

优选地，叉指电极上沉积有金（Au）层或银（Ag）层，该金（Au）层或银（Ag）层的厚度10nm～1000nm。

优选地，叉指电极的对数为30~50，叉指电极的间距和指宽分别为8μm和3μm。

进一步地，提供一种BeMgZnO基MSM结构紫外探测器的制备方法，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（IPA）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500^oC～900^oC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：在缓冲层上生长薄膜层，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～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；

4）制作叉指电极：在薄膜层制作叉指电极；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；然后用光刻方法对其表面涂胶甩胶、曝光、显影后得出叉指状结构的图形；最后用电子束蒸镀的方法在其上面镀上叉指电极。

优选地，步骤2）中，在衬底上通过分子束外延（MBE）、化学气相沉积（MOCVD）、磁控溅射（Sputter）或脉冲激光沉积生长缓冲层。

优选地，步骤3）中，在缓冲层上通过分子束外延（MBE）、化学气相沉积（MOCVD）、磁控溅射（Sputter）或脉冲激光沉积生长薄膜层。

优选地，步骤4）中，在叉指电极上继续沉积金（Au）层或银（Ag）层，该金（Au）层或银（Ag）层的厚度10nm～1000nm，令叉指电极的导电性更好。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

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。从材料学的角度来说，通过调节BeO、MgO和ZnO这结构和性质各异的二元化合物在四元合金中的比例，可以得到禁带宽度宽度不同的合金薄膜，分别单独的三元合金系统存在的问题，譬如BeZnO中的晶格失配较大、MgZnO中的结构相变等问题。另外从器件角度来说，MSM结构的探测器具体制备工艺流程简单，光响应较好，而且便于携带等特点。

附图说明

图1是本发明BeMgZnO基MSM结构型紫外探测器的剖面结构示意图；

图2是本发明的叉指电极的结构示意图；

图3是单根叉指的结构示意图。

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基的MSM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上生长有薄膜层3；薄膜层3上制作有作为金属接触的叉指电极4图形，叉指电极4之间的间隙部分为感光区域6。

薄膜层3为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度为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。

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（Ti）和金（Au）。

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；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500^oC～900^oC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。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，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～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；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。

4）制作叉指电极：薄膜层制备完后开始制作叉指电极，在沉积该层之前必须先用丙酮、异丙醇（IPA）等化学试剂对步骤3）中的产物进行表面清洗，以得到干净平整的表面；然后用光刻方法对其表面涂胶甩胶、曝光、显影后得出叉指状结构的图形；最后用电子束蒸镀的方法在其上面镀上叉指电极，叉指电极可选用钛（Ti）、铝（Al）、镍（Ni）、金（Au）、铂（Pt）、银（Ag）、铱（Ir）、钼（Mo）、钽（Ta）、铌（Nb）、钴（Co）、锆（Zr）和钨（W）等金属。可根据需要选择所需要的金属，譬如铂（Pt）功函数较高，电极可以形成肖特基接触；而钛（Ti）、铝（Al）、金（Au）则可形成欧姆接触。

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4）中，叉指电极选用钛（Ti）、铝（Al）、镍（Ni）、金（Au）、铂（Pt）、银（Ag）、铱（Ir）、钼（Mo）、钽（Ta）、铌（Nb）、钴（Co）、锆（Zr）和钨（W）等金属。可根据需要选择所需要的金属，譬如铂（Pt）功函数较高，电极可以形成肖特基接触；而钛（Ti）、铝（Al）、金（Au）则可形成欧姆接触。

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，在缓冲层上根据化学气相沉积（MOCVD）生长薄膜层。

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，在缓冲层上根据磁控溅射（Sputter）生长薄膜层。

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3）中，在缓冲层上根据脉冲激光沉积生长薄膜层。

实施例6

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

1.一种BeMgZnO基的MSM结构紫外探测器，包括衬底、衬底上沉积有缓冲层，缓冲层上生长有薄膜层；薄膜层上制作有作为金属接触的叉指电极图形，叉指电极之间的间隙部分为感光区域；其特征在于：所述薄膜层为BeMgZnO四元合金薄膜层，BeMgZnO四元合金薄膜层的厚度为200nm～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，其禁带宽度为3.37eV～6.2eV。

2.根据权利要求1的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器，其特征在于：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；衬底为双面抛光的蓝宝石时，双面抛光的蓝宝石的取向是c、R或a取向。

3.根据权利要求1的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器，其特征在于：缓冲层由氧化铍、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。

4.根据权利要求1的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器，其特征在于：所述叉指电极由钛、铝、镍、金、铂、银、铱、钼、钽、铌、钴、锆和钨中的一种或一种以上形成，叉指电极的沉积厚度为10nm～500nm。

5.根据权利要求1的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器，其特征在于：叉指电极上沉积有金层或银层，该金层或银层的厚度10nm～1000nm。

6.根据权利要求1的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器，其特征在于：叉指电极的对数为30~50，叉指电极的间距和指宽分别为8μm和3μm。

7.如权利要求1-6任一项所述的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器的制备方法，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500^oC～900^oC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；

8.根据权利要求7的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器的制备方法：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。

9.根据权利要求7的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器的制备方法，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。

10.根据权利要求7的BeMgZnO基MSM结构紫外探测器的制备方法，其特征在于：步骤4）中，在叉指电极上继续沉积金层或银层，该金层或银层的厚度10nm～1000nm。