CN103346198A - 紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

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侯尧楠
梁会力
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Abstract

本发明提供了一种紫外探测器及其制备方法。所述紫外探测器包括：ZnO衬底；布置在所述ZnO衬底上的BeO绝缘层；以及布置在所述BeO绝缘层上的MxZn1-xO薄膜层，其中，M为Mg或Be，0<x<1。本发明的紫外探测器采用ZnO材料作为衬底，MxZn1-xO薄膜可在ZnO衬底上实现低应变的准同质外延生长，从而具备更高的结晶质量，因此非常适合做各种环境下的紫外乃至深紫外探测材料。

Description

紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及紫外探测器，特别是涉及MgxZn1-xO、BexZn1-xO紫外探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，紫外探测器因在民用及军事领域均具有重大应用价值而备受关注。宽禁带半导体探测器具有探测灵敏度高（量子效率高）、响应快（电子迁移率高）、光谱响应分布好、对可见及红外光为盲区、暗电流低（信噪比高）、耐高温、抗辐射、体积小、可利用现有的半导体技术实现大批量阵列化器件制造等优点，非常适于制成在特殊环境（如生命科学）及恶劣环境（如火灾、太空、战场）下工作、高效率、高性能的紫外探测器。目前对于宽禁带半导体探测器的研究主要集中在GaN、ZnO及其合金AlxGa1-xN和MgxZn1-xO、BexZn1-xO上。其中MgxZn1-xO和BexZn1-xO材料理论上可以实现从380nm到220nm的能带调控；而且与其他材料相比，MgxZn1-xO和BexZn1-xO材料具有更好的光电性能（激子结合能高）、更好的化学性能和热稳定性以及更强的抗辐照能力等优势。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种新的MxZn1-xO（M=Mg、Be，0<x<1）紫外探测器。本发明一个进一步的目的是要提供一种在ZnO衬底上制备的MxZn1-xO紫外探测器，该MxZn1-xO紫外探测器能够抑制ZnO衬底的紫外光响应。本发明另一个进一步的目的是提供一种能够在紫外波段进行多色探测的MxZn1-xO紫外探测器。
本发明再一个进一步的目的是提供该MxZn1-xO紫外探测器的制备方法。
特别地，本发明提供了一种紫外探测器，包括：
ZnO衬底；
布置在所述ZnO衬底上的BeO绝缘层；以及
布置在所述BeO绝缘层上的MxZn1-xO薄膜层，其中，M为Mg或Be，0<x<1。
在一种实施方式中，所述BeO绝缘层的厚度可以为30～90nm。进一步地，所述BeO绝缘层的厚度为40～60nm。
在一种实施方式中，所述MxZn1-xO薄膜层可以由纤锌矿结构的MxZn1-xO材料形成。
在一种实施方式中，所述MxZn1-xO薄膜层的厚度可以为100～1000nm。
在一种实施方式中，本发明的紫外探测器还可以包括在所述MxZn1-xO薄膜层表面制备的电极。
在一种实施方式中，所述薄膜层可以由多层不同M组分的MxZn1-xO材料形成。
本发明还提供了一种紫外探测器的制备方法，包括：
在ZnO衬底上沉积BeO绝缘层；
在所述BeO绝缘层上生长一层MxZn1-xO薄膜层，其中，M为Mg或Be，0<x<1；
在所述MxZn1-xO薄膜层表面沉积金属电极，从而得到所述紫外探测器。
本发明的紫外探测器采用ZnO材料作为衬底，MxZn1-xO薄膜可在ZnO衬底上实现低应变的准同质外延生长，从而具备更高的结晶质量，因此非常适合做各种环境下的紫外乃至深紫外探测器。
本发明的紫外探测器由于在ZnO衬底和MxZn1-xO薄膜层之间设置了一层高介电常数的BeO绝缘层，利用BeO导带底较高的优势，在ZnO和MxZn1-xO之间形成较高的电子势垒，通过抑制ZnO一侧光生载流子的传输来有效抑制衬底ZnO的光响应，提高了MxZn1-xO紫外探测器的灵敏度。
进一步地，本发明的MxZn1-xO紫外探测器，能够随着外加偏压的改变在紫外波段进行多色探测。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的紫外探测器的结构示意图。
图2是在无光照条件下本发明实施例的紫外探测器的能带结构示意图。
图3是在有光照条件下本发明实施例的紫外探测器的能带结构示意图。
图4是根据本发明实施例1的紫外探测器的光响应谱。
图5（a）～（c）分别是根据本发明实施例2的紫外探测器在0V和1V偏压下的光响应谱以及在不同偏压下的光响应电流曲线。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的紫外探测器的结构示意图。如图1所示，本发明的紫外探测器可以包括ZnO衬底1、在ZnO衬底1上沉积的BeO绝缘层2、在BeO绝缘层2上生长的MxZn1-xO薄膜层3，以及在MxZn1-xO薄膜层3上生长的电极4，其中，M为Mg或Be，0<x<1。
在一个实施例中，BeO绝缘层2的厚度可以为30～90nm。在一个实施例中，BeO绝缘层2的厚度可以为40～60nm。在一个实施例中，MxZn1-xO薄膜层3可以由纤锌矿结构的MxZn1-xO形成。在一个实施例中，MxZn1-xO薄膜层3的厚度可以为100～1000nm。在一个实施例中，MxZn1-xO薄膜层3可以由多层不同M组分的MxZn1-xO形成。
图2是在无光照条件下，本发明实施例的紫外探测器的能带结构示意图。根据固体物理的能带理论，BeO、ZnO的禁带宽度分别为10.6eV、3.37eV，电子亲和势分别为1.74、4.35eV，BeO与ZnO的导带底之间有2.61eV的电子势垒。当有紫外光照射到器件时，如图3所示，波长大于MxZn1-xO带隙的光将穿过MxZn1-xO和BeO到达ZnO，并在ZnO中被吸收（ZnO室温下近带边吸收峰为380nm），产生光生电子空穴对，并在电场的作用下向MxZn1-xO方向运动。由于BeO对电子的势垒作用，电子积累在BeO与ZnO的界面处不能到达MxZn1-xO一侧，因此不能形成电子电流。本征ZnO衬底为n型，其中空穴为少数载流子，浓度很低，并且在光照下没有数量的变化，BeO对空穴的势垒作用也很大（4.62eV），因此不会形成从ZnO到MxZn1-xO的空穴电流。于是，积累在ZnO/BeO界面处的电子在很短的时间内又与ZnO中的空穴复合，达到了载流子的光激发与再复合的平衡，没有光电流的产生。而当波长小于MxZn1-xO带隙的紫外光照射到器件上时，立即被MxZn1-xO吸收，光生电子和空穴直接被MxZn1-xO上方的欧姆电极俘获，形成光电流。
发明人发现，BeO的厚度对于紫外探测器的性能有很大影响，并且对不同的衬底，有不同考虑因素。如对于Si衬底，BeO的厚度可以薄至1～2nm，这是由于Si衬底本身与MxZn1-xO之间就存在较大的势垒，能够在一定程度上阻碍电子（或空穴）的迁移，因此，BeO的厚度可以很薄。而对于ZnO衬底而言，由于ZnO衬底与MxZn1-xO薄膜层之间的势垒很小，为了抑制ZnO衬底的紫外光响应，BeO绝缘层的厚度不能低于30nm；而为了能够实现MxZn1-xO薄膜在ZnO衬底上低应变的准同质外延生长，BeO绝缘层的厚度不能超过90nm，否则在BeO绝缘层上生长的MxZn1-xO不再是准同质外延生长，其结晶质量会显著下降。发明人通过合理设置BeO绝缘层的厚度，使得本发明的紫外探测器具有不对ZnO响应、只对波长小于ZnO的禁带宽度的紫外光响应的特性，从而在近紫外没有光响应。进一步地，发明人发现，当BeO绝缘层的厚度在40～60nm之间时，能够很好的抑制ZnO衬底的紫外光响应且同时实现MxZn1-xO薄膜在ZnO衬底上低应变的准同质外延生长。
本发明的紫外探测器的制备方法，可以包括：
在ZnO衬底上沉积BeO绝缘层，在BeO绝缘层上生长一层MxZn1-xO薄膜层；然后在MxZn1-xO薄膜层表面沉积金属电极即可。BeO绝缘层和MxZn1-xO薄膜层可以通过化学气相沉积、磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延或原子层沉积等本领域技术人员公知的方法制备而成。金属电极可以具有叉指状或梳齿状结构，电极的材料可以为Ti/Au，也可以选择本领域技术人员公知的其他电极结构及电极材料。
下面结合更具体的实施例，详细描述本发明的内容。
实施例1
本实施例提供的紫外探测器可通过以下方法制备：
1.1、利用公知的分子束外延技术，在经过表面处理的ZnO衬底上沉积30nm厚的BeO绝缘层；
1.2、采用分子束外延技术在BeO绝缘层上继续原位生长纤锌矿结构的Mg0.4Zn0.6O薄膜层；薄膜厚度为300nm。具体制备方法可参见中国专利200810224529.6，在此不多赘述；Mg0.4Zn0.6O的光学带隙为295nm，位于UV-B光谱区；
1.3、利用公知的光刻技术和公知的热蒸发方法，在Mg0.4Zn0.6O薄膜层表面形成间距为5微米、长度为300微米、宽度为5微米的叉指状Ti（10nm）/Au（50nm）电极。
对得到的器件进行响应度性能测试，测试结果如图4所示。从图4可以看出，本实施例提供的紫外探测器具有很好的光响应特性，响应截止边位于290nm，和Mg0.4Zn0.6O单晶薄膜的光学带隙吻合得非常好；在380nm处没有发现来自于ZnO衬底的紫外光响应，这说明BeO绝缘层确实有效地抑制了ZnO衬底的紫外光响应信号。
实施例2
本实施例提供的紫外探测器可利用如下方法制备：
2.1、利用公知的分子束外延技术，在经过表面处理的ZnO衬底上沉积50nm厚的BeO绝缘层；
2.2、在BeO绝缘层上依次原位生长100nm厚的Mg0.35Zn0.65O薄膜、100nm厚的Mg0.45Zn0.55O薄膜以及200nm厚的Mg0.5Zn0.5O薄膜，由于每层薄膜的Mg组分逐渐增加，其光学带隙也随之逐步增大；
2.3、利用公知的光刻技术和公知的热蒸发方法，在最上层Mg0.5Zn0.5O薄膜表面形成间距为5微米、长度为300微米、宽度为5微米的叉指状Ti（10nm）/Au（50nm）电极。
对得到的器件进行响应度性能测试，测试结果如图5所示。从图5可以看出，本实施例提供的紫外探测器具有很好的光响应特性，在380nm处没有发现来自于ZnO衬底的紫外光响应，这说明BeO绝缘层确实有效地抑制了ZnO衬底的紫外光响应信号。参见图5（a），0V下探测器的截止边为266nm，响应度为10mA/W，对应的探测度为2×108Hz1/2cm-1。随着偏压的增加，器件的响应度不仅迅速增加，截止边也发生了迅速红移。在1V下，参见图5（b），探测器的截止波长为274nm，仍在日盲区之内，响应度高达2.18A/W。进一步增加偏压，截止边进一步发生红移，在3V时，截止波长（光电流峰值）已红移到316nm，实现了紫外波段的多色探测，参见图5（c）。
实施例3
本实施例提供的紫外探测器可利用如下方法制备：
3.1、利用公知的分子束外延技术，在经过表面处理的ZnO衬底上沉积60nm厚的BeO绝缘层；
3.2、在BeO绝缘层上继续原位生长厚度为500nm的Be0.2Zn0.8O单晶薄膜，其光学带隙为295nm，位于UV-B光谱区；
3.3、利用公知的光刻技术和公知的热蒸发方法，在Be0.2Zn0.8O单晶薄膜表面形成间距为5微米、长度为300微米、宽度为5微米的叉指状电极Ti（10nm）/Au（50nm）电极。
对得到的器件进行响应度性能测试，结果表明本实施例提供的紫外探测器具有很好的光响应特性，响应截止边位于300nm，和Be0.2Zn0.8O单晶薄膜的光学带隙吻合得非常好；380nm处没有发现来自于ZnO衬底的紫外光响应，这说明BeO绝缘层确实有效地抑制了ZnO衬底的紫外光响应信号。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种紫外探测器，包括：
ZnO衬底；
布置在所述ZnO衬底上的BeO绝缘层；以及
布置在所述BeO绝缘层上的MxZn1-xO薄膜层，其中，M为Mg或Be，0<x<1。
2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其中，所述BeO绝缘层的厚度为30～90nm。
3.根据权利要求2所述的紫外探测器，其中，所述BeO绝缘层的厚度为40～60nm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的紫外探测器，其中，所述MxZn1-xO薄膜层由纤锌矿结构的MxZn1-xO材料形成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的紫外探测器，其中，所述MxZn1-xO薄膜层的厚度为100～1000nm。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的紫外探测器，其中，还包括在所述MxZn1-xO薄膜层表面制备的电极。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的紫外探测器，其中，所述薄膜层由多层不同M组分的MxZn1-xO材料形成。
8.一种紫外探测器的制备方法，包括：
在ZnO衬底上沉积BeO绝缘层；
在所述BeO绝缘层上生长一层MxZn1-xO薄膜层，其中，M为Mg或Be，0<x<1；
在所述MxZn1-xO薄膜层表面沉积金属电极，从而得到所述紫外探测器。
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