CN103346171A - 一种响应增强型ZnO基光电导探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种响应增强型ZnO基光电导探测器及其制备方法，包括衬底以及在衬底上的ZnO薄膜，ZnO薄膜上覆有Ag纳米颗粒，在Ag纳米颗粒上沉积有叉指状Al电极，Ag纳米颗粒暴露在叉指状Al电极相邻叉指之间；或者ZnO薄膜上沉积有叉指状Al电极，在叉指状Al电极的相邻叉指之间填有Ag纳米颗粒，Ag纳米颗粒旋涂在ZnO薄膜上。本发明采用RF磁控溅射法在衬底上形成ZnO薄膜，然后旋涂Ag纳米颗粒或沉积叉指状Al电极，在Ag纳米颗粒上沉积叉指状Al电极或在形成叉指状Al电极的样品表面旋涂Ag纳米颗粒，即得响应增强型ZnO基光电导探测器。本发明利用Ag纳米颗粒的表面等离子体共振效应来提高探测器对光的吸收能力，使得到的光电导探测器在紫外光区域的响应度得到了大幅提升。
Description
技术领域
本发明属于宽带隙半导体紫外探测器领域，具体涉及到一种响应增强型ZnO基光电导探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测材料和器件是光电子领域正在迅猛发展的一个研究方向。目前实用的紫外探测器仍然是以第一代的光电倍增管和第二代的硅基紫外光电二极管为主，但是前者需要在高电压驱动下工作，而且效率低、成本高、易损坏且体积笨重；后者则需要附带昂贵的滤波组件，对于实际应用都有一定的局限性。近二十年来，以GaN、SiC和ZnO为代表的第三代宽禁带半导体技术发展迅速，基于这些材料的新一代全固态紫外探测器件已成为研发重点。相比于第一代和第二代紫外探测器，基于宽带隙半导体的紫外探测器具有体积小、工作稳定、功耗低、寿命长、结构简单等优势，其发展前景非常广阔。其中，光电导型探测器由于内光电增益高、易于制备和集成而被广泛研究。
但是，在通向实用化的道路上，光电导型宽带隙半导体紫外探测器还存在光响应度较低的缺点，因为在绝大多数应用场合，待探测的紫外信号多是非常微弱，这就要求探测器拥有高的光探测率。近几年迅速发展起来的新兴学科——表面等离子激元纳米光子学，为大幅提高光电子器件效率提供了新的途径。在特定波长的光作用下，金属纳米颗粒/电介质之间的表面等离激元与有源介质会产生很强烈的表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）吸收作用，为有效提高宽带隙半导体紫外探测器及其焦平面紫外成像器件像素单元的光响应度提供了可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种响应增强型ZnO基光电导探测器及其制备方法，该光电导探测器能够提高光响应度，制备方法简单。
为了达到上述目的，本发明采用的响应增强型ZnO基光电导探测器，包括衬底以及设置在衬底上的ZnO薄膜，ZnO薄膜上旋涂有Ag纳米颗粒，在Ag纳米颗粒上还沉积有叉指状Al电极，且部分Ag纳米颗粒暴露在叉指状Al电极相邻叉指之间。
所述的ZnO薄膜的厚度为100～500nm，所述的叉指状Al电极的高度为50～200nm。
一种制备该响应增强型ZnO基光电导探测器的方法，包括以下步骤：
1）采用RF磁控溅射方法在干净的衬底上生长ZnO薄膜；
2）在生长的ZnO薄膜表面上均匀旋涂一层Ag纳米颗粒；
3）以叉指状电极掩模板为模板，采用光刻、蒸镀金属和剥离工艺在步骤2）形成的Ag纳米颗粒表面上沉积叉指状Al电极，即得响应增强型ZnO基光电导探测器。
所述的步骤1）采用RF磁控溅射方法在干净的衬底上生长ZnO薄膜的方法为：将衬底清洗干净，然后放入磁控溅射系统，将真空室的真空度抽至8×10-4Pa以下，同时将衬底加热至200～400℃，再通入氩气和氧气，使真空室的压强为0.8～1.2Pa，然后以ZnO为靶材开始生长ZnO薄膜。
将直径为50～150nm的Ag纳米颗粒分散在去离子水中，得到Ag纳米颗粒分散液；采用旋涂机将Ag纳米颗粒分散液涂敷在步骤1）生长的ZnO薄膜表面，然后烘烤晾干；其中，每毫升Ag纳米颗粒分散液中含有5～20mg的Ag纳米颗粒。
一种响应增强型ZnO基光电导探测器，包括衬底以及设置在衬底上的ZnO薄膜，ZnO薄膜上沉积有叉指状Al电极，在叉指状Al电极的相邻叉指之间填充有Ag纳米颗粒。
所述的ZnO薄膜的厚度为100～500nm，所述的叉指状Al电极的高度为50～200nm。
一种制备该响应增强型ZnO基光电导探测器的方法，包括以下步骤：
1）采用RF磁控溅射方法在干净的衬底上生长ZnO薄膜；
2）以叉指状电极掩模板为模板，采用光刻、蒸镀金属和剥离工艺在生长的ZnO薄膜表面上沉积叉指状Al电极；
3）在步骤2）形成叉指状Al电极后的样品表面上均匀旋涂一层Ag纳米颗粒，即得响应增强型ZnO基光电导探测器。
所述的步骤1）采用RF磁控溅射方法在干净的衬底上生长ZnO薄膜的方法为：将衬底清洗干净，然后放入磁控溅射系统，将真空室的真空度抽至8×10-4Pa以下，同时将衬底加热至200～400℃，再通入氩气和氧气，使真空室的压强为0.8～1.2Pa，然后以ZnO为靶材开始生长ZnO薄膜。
将直径为50～150nm的Ag纳米颗粒分散在去离子水中，得到Ag纳米颗粒分散液；采用旋涂机将Ag纳米颗粒分散液涂敷在步骤2）形成叉指状Al电极后的样品表面，然后烘烤晾干；其中，每毫升Ag纳米颗粒分散液中含有5～20mg的Ag纳米颗粒。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在叉指状Al电极的相邻叉指之间设有Ag纳米颗粒，Ag纳米颗粒沉积在ZnO薄膜上，响应增强型ZnO基光电导探测器在光照作用下，这些Ag纳米颗粒表面位置的自由电子发生极化，导致在Ag纳米颗粒内部产生偶极子，偶极子伴随着电磁场的变化而形成集体振荡，在特定的波长下会和ZnO有源层产生很强烈的表面等离子体共振（SPR）吸收，从而大幅提高探测器的光响应度。另外，本发明制作工艺简单，易于实际应用。
附图说明
图1为本发明响应增强型ZnO基光电导探测器的制备流程图；其中，a为实施例1的制备流程图，b为实施例2的制备流程图；
图2为本发明制备的响应增强型ZnO基光电导探测器的表面示意图；
图3为实施例1测试的ZnO基光电导探测器的光响应谱；其中，a为本发明实施例1制备的响应增强型ZnO基光电导探测器的光响应谱；b为普通的ZnO基光电导探测器的光响应谱；
图4为实施例2测试的ZnO基光电导探测器的光响应谱；其中，a为本发明实施例2制备的响应增强型ZnO基光电导探测器的光响应谱；b为普通的ZnO基光电导探测器的光响应谱；
其中，1、衬底，2、ZnO薄膜，3、Ag纳米颗粒，4、叉指状Al电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的响应增强型ZnO基光电导探测器有两种具体的结构。
参见图1a，第一种结构：包括衬底1以及设置在衬底1上的ZnO薄膜2，ZnO薄膜2上旋涂有Ag纳米颗粒3，在Ag纳米颗粒3上还沉积有叉指状Al电极4，且部分Ag纳米颗粒3暴露在叉指状Al电极4相邻叉指之间。
其中，衬底1采用石英衬底、硅衬底或蓝宝石衬底；ZnO薄膜2的厚度为100～500nm；Ag纳米颗粒3为球状；叉指状Al电极4的高度为50～200nm，叉指状Al电极相邻叉指间距为10～30μm，叉指长度为500μm，叉指宽度为10μm或15μm。
参见图1a，本发明第一种结构的响应增强型ZnO基光电导探测器制备方法包括如下步骤：
1）将衬底1清洗干净，然后放入磁控溅射系统，将真空室的真空度抽至8×10-4Pa以下，同时将衬底1加热至200～400℃，再同时通入氩气和氧气，使真空室的压强为0.8～1.2Pa；然后以ZnO为靶材开始生长作为有源层的ZnO薄膜2；其中，通入的氩气和氧气的体积流量比为25sccm：35sccm，生长ZnO薄膜2时溅射功率为70W，时间为1.5小时；
2）将直径为50～150nm的Ag纳米颗粒分散在去离子水中，得到Ag纳米颗粒分散液；将Ag纳米颗粒分散液采用旋涂机涂敷在步骤1）生长的ZnO薄膜2表面，然后烘烤晾干，在ZnO薄膜2上形成单颗粒层的Ag纳米颗粒3；其中，每毫升Ag纳米颗粒分散液中含有5～20mg的Ag纳米颗粒；旋涂机的旋转速度为400～500r/min，旋涂历时15～20s；
3）以叉指状电极掩膜板为模板，采用光刻、蒸镀金属和剥离工艺在步骤2）形成的Ag纳米颗粒3表面上沉积叉指状Al电极4，即得响应增强型ZnO基光电导探测器；其中，光刻时的紫外光强为0.788mW/cm2，曝光时间为270s。
在制备本发明响应增强型ZnO基光电导探测器的第一种结构过程中，叉指状Al电极与ZnO薄膜之间形成欧姆接触，形成MSM（金属-半导体-金属，简称MSM）结构的响应增强型ZnO基光电导探测器。
参见图1b，第二种结构：包括衬底1以及设置在衬底1上的ZnO薄膜2，ZnO薄膜2上沉积有叉指状Al电极4，在叉指状Al电极4的相邻叉指之间填充有Ag纳米颗粒3，Ag纳米颗粒3旋涂在ZnO薄膜2上。
其中，衬底1采用石英衬底、硅衬底或蓝宝石衬底；ZnO薄膜2的厚度为100～500nm；Ag纳米颗粒3为球状；叉指状Al电极4的高度为50～200nm，叉指状Al电极相邻叉指间距为10～30μm，叉指长度为500μm，叉指宽度为10μm或15μm。
参见图1b，本发明第二种结构的响应增强型ZnO基光电导探测器制备方法包括如下步骤：
1）将衬底1清洗干净，然后放入磁控溅射系统，将真空室的真空度抽至8×10-4Pa以下，同时将衬底1加热至200～400℃，再同时通入氩气和氧气，使真空室的压强为0.8～1.2Pa；然后以ZnO为靶材开始生长作为有源层的ZnO薄膜2；其中，通入的氩气和氧气的体积流量比为25sccm：35sccm，生长ZnO薄膜2时溅射功率为70W，时间为1.5小时；
2）以叉指状电极掩模板为模板，采用光刻、蒸镀金属和剥离工艺在ZnO薄膜表面上沉积叉指状Al电极4；其中，光刻时的紫外光强为0.891mW/cm2，时间为240s；
3）将直径为50～150nm的Ag纳米颗粒分散在去离子水中，得到Ag纳米颗粒分散液；将Ag纳米颗粒分散液采用旋涂机涂敷在步骤2）形成叉指状Al电极4后的样品表面，形成单层的Ag纳米颗粒，然后烘烤晾干，部分Ag纳米颗粒3填充在了叉指状Al电极4的相邻叉指之间，即得MSM结构的响应增强型ZnO基光电导探测器；其中，每毫升Ag纳米颗粒分散液中含有5～20mg的Ag纳米颗粒；旋涂机的旋转速度为400～500r/min，旋涂历时15～20s。
由于叉指状Al电极4的相邻叉指之间存在空隙，空隙将位于叉指状Al电极4下面的部分ZnO薄膜暴露出来，因此，在步骤2）形成叉指状Al电极4后的样品表面旋涂Ag纳米颗粒的过程中，会有部分Ag纳米颗粒被填充到叉指状Al电极4相邻叉指之间的空隙中并沉积到ZnO薄膜上。
参见图2，本发明两种制备方法得到的结构中能够起作用的部分是相同的，即在衬底上的ZnO薄膜2、叉指状Al电极4以及叉指状Al电极4相邻叉指之间的Ag纳米颗粒3。两种制备方法都能形成响应增强型ZnO基光电导探测器，其中Ag纳米颗粒均匀的分布在电极两侧，因为如果分布不均匀的话，SPR共振波长则不容易控制。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
参见图1a，本发明响应增强型ZnO基光电导探测器的第一种结构包括石英衬底以及设置在石英衬底上的ZnO薄膜2，ZnO薄膜2上旋涂有Ag纳米颗粒3，在Ag纳米颗粒3上还沉积有叉指状Al电极4，且部分Ag纳米颗粒3暴露在叉指状Al电极4相邻叉指之间。
其中，ZnO薄膜2的厚度为400nm；Ag纳米颗粒的直径为100nm；Ag纳米颗粒3为球状；叉指状Al电极的高度为150nm，叉指状Al电极相邻叉指间距为30μm，叉指长度为500μm，叉指宽度为15μm。
本实施例的响应增强型ZnO基光电导探测器制备方法包括如下步骤：
1）将石英衬底清洗干净，然后放入磁控溅射系统，将真空室的真空度抽至5×10-4Pa，同时将石英衬底加热至400℃，再同时通入氩气和氧气，使真空室的压强为1.2Pa；然后以ZnO为靶材开始生长作为有源层的ZnO薄膜2；其中，通入的氩气和氧气的体积流量比为25sccm：35sccm，生长ZnO薄膜2时溅射功率为70W，时间为1.5小时；
2）将直径为100nm的Ag纳米颗粒分散在去离子水中，得到Ag纳米颗粒分散液；将Ag纳米颗粒分散液采用旋涂机涂敷在步骤1）生长的ZnO薄膜2表面，然后烘烤晾干，即在ZnO薄膜上形成单颗粒层的Ag纳米颗粒3；其中，每毫升Ag纳米颗粒分散液中含有20mg的Ag纳米颗粒；旋涂机的旋转速度为450r/min，旋涂历时18s；
3）以叉指状电极掩膜板为模板，采用光刻、蒸镀金属和剥离工艺在步骤2）形成的Ag纳米颗粒3表面上沉积叉指状Al电极4，即得响应增强型ZnO基光电导探测器；其中，光刻时的紫外光强为0.788mW/cm2，曝光时间为270s。
对实施例1制备的响应增强型ZnO基光电导探测器进行光响应测试，测试波长从250nm到600nm，步长为10nm，外加5V偏压；同时，对普通的ZnO基光电导探测器进行光响应测试；其中，普通的ZnO基光电导探测器与本实施例制得的响应增强型ZnO基光电导探测器的结构区别在于，普通的ZnO基光电导探测器未旋涂Ag纳米颗粒。
参见图3，在350nm处，本实施例制备的响应增强ZnO基光电导探测器的光响应度为51.3A/W，普通ZnO基光电导探测器的光响应度为472mA/W，Ag纳米颗粒的SPR效应使ZnO基光电导探测器的光响应度提高了100倍以上。
实施例2：
参见图1b，本发明响应增强型ZnO基光电导探测器包括石英衬底以及设置在石英衬底上的ZnO薄膜2，ZnO薄膜2上沉积有叉指状Al电极4，在叉指状Al电极4的相邻叉指之间填充有Ag纳米颗粒3，Ag纳米颗粒3旋涂在ZnO薄膜2上。
其中，ZnO薄膜2的厚度为400nm；Ag纳米颗粒3为球状；叉指状Al电极4的高度为150nm，叉指状Al电极相邻叉指间距为20μm，叉指长度为500μm，叉指宽度为10μm。
本实施例的响应增强型ZnO基光电导探测器制备方法包括如下步骤：
1）将石英衬底清洗干净，然后放入磁控溅射系统，将真空室的真空度抽至5×10-4Pa，同时将石英衬底加热至400℃，再同时通入氩气和氧气，使真空室的压强为1.2Pa；然后以ZnO为靶材开始生长作为有源层的ZnO薄膜2；其中，通入的氩气和氧气的体积流量比为25sccm：35sccm，生长ZnO薄膜2时溅射功率为70W，时间为1.5小时；
2）以叉指状电极掩模板为模板，采用光刻、蒸镀金属和剥离工艺在ZnO薄膜表面上沉积叉指状Al电极4；其中，光刻时的紫外光强为0.891mW/cm2，时间为240s；
3）将直径为100nm的Ag纳米颗粒分散在去离子水中，得到Ag纳米颗粒分散液；将Ag纳米颗粒分散液采用旋涂机涂敷在步骤2）形成叉指状Al电极4后的样品表面，形成单层的Ag纳米颗粒，然后烘烤晾干，即得MSM结构的响应增强型ZnO基光电导探测器；其中，每毫升Ag纳米颗粒分散液中含有20mg的Ag纳米颗粒；旋涂机的旋转速度为450r/min，旋涂历时18s。
对实施例2制备的响应增强型ZnO基光电导探测器进行光响应测试，测试波长从250nm到600nm，步长为10nm，外加5V偏压；同时，对普通的ZnO基光电导探测器进行光响应测试；其中，普通的ZnO基光电导探测器与本实施例制得的响应增强型ZnO基光电导探测器的结构区别在于，普通的ZnO基光电导探测器未旋涂Ag纳米颗粒。
参见图4，本实施例的响应增强ZnO基光电导探测器在紫外波段有着良好的响应，其中截止边约为390nm，峰值位置在350nm左右（图4a）。它存在SPR增强效应的响应要明显优于普通的ZnO基光电导探测器（图4b），在350nm处，两者的响应度分别为356.04A/W和12.88A/W，Ag纳米颗粒的SPR效应使最终本实施例得到的响应增强型ZnO基光电导探测器的响应度提高了28倍。
Claims (10)
1.一种响应增强型ZnO基光电导探测器，其特征在于：包括衬底（1）以及设置在衬底（1）上的ZnO薄膜（2），ZnO薄膜（2）上旋涂有Ag纳米颗粒（3），在Ag纳米颗粒（3）上还沉积有叉指状Al电极（4），且部分Ag纳米颗粒（3）暴露在叉指状Al电极（4）相邻叉指之间。
2.根据权利要求1所述的响应增强型ZnO基光电导探测器，其特征在于：所述的ZnO薄膜（2）的厚度为100～500nm，所述的叉指状Al电极（4）的高度为50～200nm。
3.一种制备如权利要求1或2所述的响应增强型ZnO基光电导探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用RF磁控溅射方法在干净的衬底（1）上生长ZnO薄膜（2）；
2）在生长的ZnO薄膜（2）表面上均匀旋涂一层Ag纳米颗粒（3）；
3）以叉指状电极掩模板为模板，采用光刻、蒸镀金属和剥离工艺在步骤2）形成的Ag纳米颗粒（3）表面上沉积叉指状Al电极（4），即得响应增强型ZnO基光电导探测器。
4.根据权利要求3所述的制备响应增强型ZnO基光电导探测器的方法，其特征在于，所述的步骤1）采用RF磁控溅射方法在干净的衬底上生长ZnO薄膜（2）的方法为：将衬底（1）清洗干净，然后放入磁控溅射系统，将真空室的真空度抽至8×10-4Pa以下，同时将衬底（1）加热至200～400℃，再通入氩气和氧气，使真空室的压强为0.8～1.2Pa，然后以ZnO为靶材开始生长ZnO薄膜（2）。
5.根据权利要求3所述的制备响应增强型ZnO基光电导探测器的方法，其特征在于：将直径为50～150nm的Ag纳米颗粒分散在去离子水中，得到Ag纳米颗粒分散液；采用旋涂机将Ag纳米颗粒分散液涂敷在步骤1）生长的ZnO薄膜（2）表面，然后烘烤晾干；其中，每毫升Ag纳米颗粒分散液中含有5～20mg的Ag纳米颗粒。
6.一种响应增强型ZnO基光电导探测器，其特征在于：包括衬底（1）以及设置在衬底（1）上的ZnO薄膜（2），ZnO薄膜（2）上沉积有叉指状Al电极（4），在叉指状Al电极（4）的相邻叉指之间填充有Ag纳米颗粒（3）。
7.根据权利要求6所述的响应增强型ZnO基光电导探测器，其特征在于：所述的ZnO薄膜（2）的厚度为100～500nm，所述的叉指状Al电极（4）的高度为50～200nm。
8.一种制备如权利要求6或7所述的响应增强型ZnO基光电导探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用RF磁控溅射方法在干净的衬底（1）上生长ZnO薄膜（2）；
2）以叉指状电极掩模板为模板，采用光刻、蒸镀金属和剥离工艺在生长的ZnO薄膜（2）表面上沉积叉指状Al电极（4）；
3）在步骤2）形成叉指状Al电极（4）后的样品表面旋涂一层Ag纳米颗粒（3），且部分Ag纳米颗粒（3）填充在了叉指状Al电极（4）的相邻叉指之间，即得响应增强型ZnO基光电导探测器。
9.根据权利要求8所述的制备响应增强型ZnO基光电导探测器的方法，其特征在于，所述的步骤1）采用RF磁控溅射方法在干净的衬底上生长ZnO薄膜（2）的方法为：将衬底（1）清洗干净，然后放入磁控溅射系统，将真空室的真空度抽至8×10-4Pa以下，同时将衬底（1）加热至200～400℃，再通入氩气和氧气，使真空室的压强为0.8～1.2Pa，然后以ZnO为靶材开始生长ZnO薄膜（2）。
10.根据权利要求9所述的制备响应增强型ZnO基光电导探测器的方法，其特征在于：将直径为50～150nm的Ag纳米颗粒分散在去离子水中，得到Ag纳米颗粒分散液；采用旋涂机将Ag纳米颗粒分散液涂敷在步骤2）形成叉指状Al电极（4）的样品表面，然后烘烤晾干；其中，每毫升Ag纳米颗粒分散液中含有5～20mg的Ag纳米颗粒。
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