CN103943720A - 一种自驱动式氧锌镁紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自驱动式氧锌镁紫外探测器及其制备方法，属于紫外探测技术领域，该制备方法包括：采用金属有机化学气相沉积法在衬底上制备氧锌镁薄膜层；在步骤一得到的氧锌镁薄膜层上通过真空热蒸发的方法制备出Au电极层；通过湿法刻蚀所述Au膜层制备出多对叉指电极,即如图所示连接有至少一个第一叉指电极的第一电极和连接有至少一个第二叉指电极的第二电极；所述第一叉指电极与所述第二叉指电极像张开的双手一样相互插在一起。本发明的自驱动式氧锌镁紫外探测器在紫外波段具有很好的光伏特性，可在不需要外加电源的情况工作，极大的节约了能源,且其0伏响应度高，工作时稳定性好，此外，器件制备工艺简单，可控性好。

Description

一种自驱动式氧锌镁紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电探测技术领域，具体涉及一种可广泛运用于紫外波段的，自驱动式氧锌镁紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术是继激光和红外探测技术之后发展起来的又一新型军民两用探测技术，目前在导弹制导、导弹预警、空间探测、燃烧工程、火焰探测等诸多领域发挥着巨大的作用。因此紫外探测技术的开发研究无论是对现代国防还是人民生活都有着极其重要的意义。虽然其为现代化生活带来了许多福音，但是通常是需要外加电源才能工作，长此以往会带来巨大的能源消耗，很不利于国民经济的可持续发展。因此，一种自驱动式紫外探测器，即可在无需外加电源的情况下（0伏）工作的探测器逐渐成为人们研究的热点。近年来，基于宽禁带半导体材料的紫外探测器被认为是可以取代真空光电倍增管和Si光电倍增管的第三代紫外探测器。在众多宽禁带半导体材料中，ZnO基材料具有缺陷密度低，抗辐射能力强，环境友好等诸多优点，且可通过Mg的掺杂使其带隙大范围连续调谐（3.37-7.78eV），因此被认为是制备紫外探测器的最理想材料之一。要想实现自驱动式探测器，通常要制备PN同质结、异质结、或者肖特基结等结构。但是，由于ZnO基材料的P型掺杂的实现目前仍是国际难题，因此高效稳定的MgZnO同质PN结二极管的制备在现有的技术下很难实现；而异质结在外延生长中会带来很大的晶格失配，使有源层晶体的结晶质量大大降低，继而会使器件的多项性能指标下降；对于单肖特基结来说，无论是平面结构还是垂直结构，都面临着工艺复杂，【M.Liao,Y.koide,J.Alvarez,Single Schottky-barrierphotodiode with interdigitated-finger geometry,Application to diamond,Appl.Phys.Lett.90,123507，2007】也就是说，在一个器件上同时实现良好的肖特基接触和欧姆接触是也一个非常困难的问题。因此，研究者们迫切需要一种方法简单、可重复制备、性能优良的自驱动式紫外光电探测器的方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种可覆盖UVA-UVC波段的自驱动式氧锌镁紫外探测器及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种自驱动式氧锌镁紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用金属有机化学气相沉积法在衬底上制备氧锌镁薄膜层；
步骤二、在步骤一得到的氧锌镁薄膜层上制备Au薄膜层；通过湿法刻蚀所述Au薄膜层制备出连接有至少一个第一叉指电极的第一电极和连接有至少一个第二叉指电极的第二电极；所述第一叉指电极与所述第二叉指电极像张开的双手一样相互插在一起；
所述第一叉指电极的指宽为2～50μm；
所述第二叉指电极的指宽为10～10000μm；
所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指间距离为2～150μm；
所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指宽之比为1:2～1:200。
上述技术方案中，步骤二中的Au薄膜层的厚度为40nm。
上述技术方案中，所述第一叉指电极的指宽为5μm。
上述技术方案中，所述第二叉指电极的指宽为100μm。
上述技术方案中，所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指宽之比为1:20。
上述技术方案中，所述第一电极连接有12个第一叉指电极；所述第二电极连接有12个第二叉指电极。
上述技术方案中，步骤一中的金属有机化学气相沉积(MOCVD)的条件为：生长温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，载气为99.9999%高纯氮气，以二甲基二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，通过流量控制来生长室中的Zn、Mg摩尔浓度，氧气压力为3×105Pa，流量为550ml/min。
一种自驱动式氧锌镁紫外探测器，包括：
连接有至少一个第一叉指电极的第一电极和连接有至少一个第二叉指电极的第二电极；所述第一叉指电极与所述第二叉指电极像张开的双手一样相互插在一起；
所述第一叉指电极的指宽为2～50μm；
所述第二叉指电极的指宽为10～10000μm；
所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指间距离为2～150μm；
所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指宽之比为1:2～1:200。
本发明具有以下的有益效果：
本发明提供一种自驱动式氧锌镁紫(MgZnO)外探测器的制备方法，具有以下特点：
1、本发明的制备方法通过MOCVD方法可以较为容易的制备组分可调的MgZnO合金薄膜，其吸收波段从～255nm到370nm，具有很好的重复性；不对称金属叉指电极采用一次刻蚀即可实现，无需套刻，技术简单利于推广。
2、采用本发明的自驱动式氧锌镁紫外探测器，其紫外可见抑制比为2-3个量级，响应度高，响应速度快，光响应截止边在～260-380nm范围内可调，最主要的是可在无外加电源下工作，不但节约能源，而且对于火焰监测，水污染净化监测及外太空等特殊环境下的长期紫外光点探测具有极高的应用价值。
3、本发明的制备方法重复率高，可控性好，无污染且工艺简单。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明中非对称MSM结构自驱动式氧锌镁紫外探测器电极单元结构俯视图。图中w1为Au#1叉指电极宽度，w2为Au#2叉指电极宽度，g为两叉指电极的指间距离。Au膜厚度为40nm。
图2为图1中虚线框内的电极单元结构的右视图。
图3为实施例1中的Mg0.7Zn0.3O非对称MSM结构自驱动式氧锌镁紫外探测器的I/V特性图谱。从图中可以看出在正反偏压下，器件的I/V特性曲线呈现明显的非对称整流效应，说明由于说明Au#1叉指电极宽度和Au#1叉指电极宽度不同，两端不同宽窄的电极之间形成了非对势垒高度的Schottky接触，这样光生载流子在器件本身内建电场作用下，就可以被收集和检测得到，即无需外加偏压的情况下可进行紫外探测工作，节约能源。
图4为实施例1-3：图谱Mg0.7Zn0.3O非对称MSM结构自驱动式氧锌镁紫外探测器光谱响应图谱。说明Au#1叉指电极宽度和Au#2叉指电极宽度比例越大探测器的0伏响应度越高，两叉指间距越小探测器的0伏响应度越高。
具体实施方式
本发明的发明思想为：
本发明提供一种自驱动式氧锌镁(MgZnO)紫外探测器及其制备方法，涉及半导体材料的外延生长和金属电极的制备工艺，该制备方法包括如下步骤：
步骤一：采用金属有机化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备氧锌镁薄膜层，其吸收边可覆盖大部分紫外波段：生长温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，载气为99.9999%高纯氮气，以二甲基二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，通过流量控制来生长室中的Zn、Mg摩尔浓度，氧气压力为3×105Pa、流量为550ml/min。
步骤二：在步骤一得到的MgZnO膜层上首先采用真空蒸镀的方法制备Au薄膜层，湿法刻蚀Au薄膜层一次即可制备出不对称叉指形电极。即得到具有不对称金属电极结构的自驱动式紫外探测器。
本发明的自驱动式氧锌镁紫外探测器性能主要是指器件的光电转化能力，即0伏响应度的大小。从实验设计角度讲主要有四个因素：（1）有源层半导体材料的结晶质量，我们采用的是MOCVD方法在晶格失配小的蓝宝石衬底上外延的高质量的MgZnO薄膜。（2）Au膜的厚度，如果厚度太薄金属薄膜，会因其不连续而使金电极导电性能不好，如果厚度太薄金属薄膜太厚度，不利于紫外光在样品表面的吸收，会降低器件的光电转化效率，本发明优选的厚度是40nm。（3）电极Au#1和Au#2的宽度比例（w1：w2）。理论上w1：w2比值越大，非对称Schottky势垒差越大，本发明中w1：w2=1:2-1:200范围内均可进行0伏探测，但是考虑实际样品的尺寸以及光刻技术的极限，此外Au电极面积过大也会影响光子吸收，使器件的量子效率大大降低。因此，实验设计中优选的是Au#1=5μm，Au#2=100μm，w1：w2=1：20，插值对数为12，即电极Au#1和Au#2分别连接有12个叉指电极。（4）理论上近邻叉指电极Au#1和Au#2之间的距离（g）越小，器件的响应度越高，但是考虑实际样品的尺寸以及光刻技术的极限，优选的是g=5μm，插值对数为12。
本发明所述的MOCVD及金属制备设备为本领域技术人员常用的设备，没有特殊限制。
下面结合附图通过实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
在MOCVD设备上，采用C面蓝宝石为衬底，以二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，载气为99.9999%高纯氮气，按以下工艺条件制备单一六角相相MgZnO薄膜：
衬底温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，氧气流量为550ml/min（3×105Pa），通过流量控制使生长室中的Zn、Mg摩尔浓度获得结构式为Mg0.2Zn0.8O的合金薄膜。
在该合金薄膜上采用热蒸发法蒸镀Au薄膜层，以湿法刻蚀工艺刻蚀Au薄膜层制备出不对称叉指形电极，Au#1和Au#11指宽w1和w2分别为5μm和50μm，指间距为10μm,即制得Mg0.2Zn0.8O非对称MSM结构自驱动紫外探测器，其响应截止边为345nm，位于UVC波段。
实施例2
在MOCVD设备上，采用C面蓝宝石为衬底，以二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，载气为99.9999%高纯氮气，按以下工艺条件制备单一六角相相MgZnO薄膜：
衬底温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，氧气流量为550ml/min（3×105Pa），通过流量控制使生长室中的Zn、Mg摩尔浓度获得结构式为Mg0.2Zn0.8O的合金薄膜。
在该合金薄膜上采用热蒸发法蒸镀Au薄膜层，以湿法刻蚀工艺刻蚀Au薄膜层制备出不对称叉指形电极，Au#1和Au#11指宽w1和w2分别为5μm和100μm，指间距g为10μm,即制得Mg0.2Zn0.8O非对称MSM结构自驱动紫外探测器，其响应截止边为345nm，位于UVC波段。
实施例3
在MOCVD设备上，采用C面蓝宝石为衬底，以二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，载气为99.9999%高纯氮气，按以下工艺条件制备单一六角相相MgZnO薄膜：
衬底温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，氧气流量为550ml/min（3×105Pa），通过流量控制使生长室中的Zn、Mg摩尔浓度获得结构式为Mg0.2Zn0.8O的合金薄膜。
在该合金薄膜上采用热蒸发法蒸镀Au薄膜层，以湿法刻蚀工艺刻蚀Au薄膜层制备出不对称叉指形电极，Au#1和Au#11指宽w1和w2分别为5μm和100μm，指间距g为5μm,即制得Mg0.2Zn0.8O非对称MSM结构自驱动紫外探测器，其响应截止边为345nm，位于UVC波段。
实施例4
在MOCVD设备上，采用C面蓝宝石为衬底，以二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，载气为99.9999%高纯氮气，按以下工艺条件制备单一六角相相MgZnO薄膜：
衬底温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，氧气流量为550ml/min（3×105Pa），通过流量控制使生长室中的Zn、Mg摩尔浓度获得结构式为Mg0.17Zn0.83O的合金薄膜。
在该合金薄膜上采用热蒸发法蒸镀Au薄膜层，以湿法刻蚀工艺刻蚀Au薄膜层制备出不对称叉指形电极，Au#1和Au#11指宽w1和w2分别为5μm和100μm，指间距g为2μm,即制得Mg0.2Zn0.8O非对称MSM结构自驱动紫外探测器，其响应截止边为343nm，位于UVC波段。
实施例5
在MOCVD设备上，采用C面蓝宝石为衬底，以二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，载气为99.9999%高纯氮气，按以下工艺条件制备单一六角相ZnO薄膜：
衬底温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，氧气流量为550ml/min（3×105Pa），通过流量控制使生长室中的Zn、Mg摩尔浓度(1:0)获得ZnO薄膜。
在该合金薄膜上再用热蒸发法蒸镀Au薄膜层，以湿法刻蚀工艺刻蚀Au薄膜层制备出不对称叉指形电极，Au#1和Au#11指宽w1和w2分别为5μm和10μm，指间距g为150μm，即制得ZnO非对称MSM结构自驱动紫外探测器，其光谱响应截止边为375nm，位于UVC波段。
实施例6
在MOCVD设备上，采用C面蓝宝石为衬底，以二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，载气为99.9999%高纯氮气，按以下工艺条件制备混合相MgZnO薄膜：
衬底温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，氧气流量为550ml/min（3×105Pa），通过流量控制使生长室中的Zn、Mg摩尔浓度获得结构式为Mg0.6Zn0.4O的合金薄膜。
在该合金薄膜上再用热蒸发法蒸镀Au薄膜层，以湿法刻蚀工艺刻蚀Au薄膜层制备出不对称叉指形电极，Au#1和Au#11指宽w1和w2分别为5μm和100μm，指间距g为5μm，即制得Mg0.6Zn0.4O非对称MSM结构自驱动紫外探测器，其光响应截止边为280nm，位于UVA波段。
本发明中以上实施例中非对称MSM结构插值对数为12对。
表1：Zn/Mg组分比例变化对自驱动紫外探测器响应截止边的影响。
Zn/Mg组分比例 实施例编号 响应截止边
1：0 5 375nm
0.83：0.17 4 350nm
0.8：0.2 1-3 343nm
0.4：0.6 6 280nm
表1为实施例1-6Zn/Mg组分比例变化对自驱动紫外探测器响应截止边的影响。说明我们只要合理控制Zn/Mg组分比例，即可获得响应截至边从UVA-UVC波段，说明我们的非对称结构具有很好的普适性，利于技术应用的推广。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种自驱动式氧锌镁紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采用金属有机化学气相沉积法在衬底上制备氧锌镁薄膜层；
步骤二、在步骤一得到的氧锌镁薄膜层上制备Au薄膜层；通过湿法刻蚀所述Au薄膜层制备出连接有至少一个第一叉指电极的第一电极和连接有至少一个第二叉指电极的第二电极；所述第一叉指电极与所述第二叉指电极像张开的双手一样相互插在一起；
所述第一叉指电极的指宽为2～50μm；
所述第二叉指电极的指宽为10～10000μm；
所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指间距离为2～150μm；
所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指宽之比为1:2～1:200。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中的Au薄膜层的厚度为40nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一叉指电极的指宽为5μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二叉指电极的指宽为100μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指宽之比为1:20。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极连接有12个第一叉指电极；所述第二电极连接有12个第二叉指电极。
7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的制备方法，其特征在于，
步骤一中的金属有机化学气相沉积的条件为：生长温度为450℃，生长室真空度为2×104Pa，载气为99.9999%高纯氮气，以二甲基二茂镁作为镁源，二乙基锌作为锌源，通过流量控制来生长室中的Zn、Mg摩尔浓度，氧气压力为3×105Pa，流量为550ml/min。
8.一种自驱动式氧锌镁紫外探测器，其特征在于，包括：
连接有至少一个第一叉指电极的第一电极和连接有至少一个第二叉指电极的第二电极；所述第一叉指电极与所述第二叉指电极像张开的双手一样相互插在一起；
所述第一叉指电极的指宽为2～50μm；
所述第二叉指电极的指宽为10～10000μm；
所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指间距离为2～150μm；
所述第一叉指电极与所述第二叉指电极的指宽之比为1:2～1:200。
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