CN104934501A - 一种基于Sm2O3/n-Si异质结构的紫外光电器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紫外光电器件的制备方法，具体是指一种基于Sm2O3/n-Si异质结构的紫外光电器件的制备方法。本发明是通过射频磁控溅射技术在N型Si（100）衬底上沉积一层Sm2O3薄膜，然后利用掩膜版在衬底和薄膜上沉积一层约50纳米厚的金（Au）膜作为电极使用。紫外光电器件的光电性能测试结果显示该器件具有很好的光电响应。本发明的优点是：本发明制备的光电器件性能稳定，反应灵敏，暗电流小，具有好的潜在应用；另外，该制备工艺具有可控性强，操作简单，普适性好等特点，具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外光电器件的制备方法，具体是指一种基于Sm2O3/n-Si异质结构的紫外光电器件的制备方法。
技术背景
随着紫外探测技术的发展，紫外探测器越来越受到人们的重视。之前在商业和军事上应用较多的有光电倍增管。光电倍增管需要在高电压下工作，并且体积笨重、容易损坏，对实际应用有很大的局限性。宽禁带半导体材料具有优越的物理化学特性和潜在的技术优势，用它们制作的器件在高频、高温、高功率和短波长应用方面具有优越的工作特性，使得它们在军用、民用领域有更好的发展前景，一直受到半导体业界人士的关注。随着单晶生长技术和异质结外延技术的突破，使得宽禁带半导体紫外探测器件（例如SiC、GaN、ZnO等）的研制和应用得到迅速的发展。
稀土氧化物由于具有高的电阻率、高的介电常数、大的禁带宽度，近来在光电器件、电子开关、存储器等方面得到了广泛的应用。Sm2O3光电薄膜材料是最近比较热门的Ln系氧化物中的一种，Sm2O3光学薄膜可用来制备光电转换元件、光学开关和数据存储器等。此外Sm2O3薄膜还具有多种用途，可用于电子和磁性器件，可用于特种玻璃的滤光器中。纳米Sm2O3还可以用于制备陶瓷电容器和催化剂等方面。由于Sm2O3具有高的化学稳定性、大的禁带宽度（4.33 eV）、跟Si有合适的导带带偏，因此比较适合被用来考虑做为宽禁带紫外探测材料之一。目前，国内外许多课题组己经在开展Sm203薄膜器件的研究工作，这方面的研究主要集中在Sm203薄膜光学和电学器件上面，对于紫外探测器件方面的研究还比较少。本专利利用射频磁控溅射方法制备了Sm2O3/n-Si异质结构，并通过微纳米加工技术进一步组装成紫外光电探测器。该器件具有整流效应，稳定性好，反应灵敏，加工工艺重复性好，结构牢固等优点，具有很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度高、稳定性好、响应时间短、探测能力强的基于Sm2O3/n-Si异质结构的紫外光电器件的制备方法。
本发明的一种基于Sm2O3/n-Si异质结构的紫外光电器件的制备方法，采用微纳米加工技术，步骤如下：
1）硅衬底预处理：将N型Si（100）硅片放入V(HF):V(H2O2)=l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；
2）放置靶材和衬底：把Sm2O3靶材放置在射频磁控溅射系统的靶台位置，用挡板遮住步骤1）处理后的硅衬底一半，将硅衬底固定在样品托上，放进真空腔；
3）薄膜沉积过程：在磁控溅射系统沉积过程中，先将腔体抽真空，加热硅衬底，通入氩气，调整真空腔内的压强，其中，Sm2O3靶材与硅衬底的距离设定为3-6 厘米，溅射功率为120-160 w，沉积时间为0.5-2 小时；然后进行原位退火。
4）器件电极的制备：利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在Sm2O3/n-Si异质结上面沉积一层Au薄膜作为测量电极。
优选的，所述的步骤3）中，腔体抽真空后的电离度为4.0×10-4Pa，硅衬底的加热温度为25-100℃，真空腔调整后的压强为1.0-6.0 Pa，Sm2O3靶材与硅衬底的距离设定为5 厘米，溅射功率为140 w。沉积时间为1 小时。原位退火时间为1 小时。
更进一步优选的，所述的步骤3）中，硅衬底的加热温度为25℃，真空腔调整后的压强为1.9-2.1 Pa。
对构建的Sm2O3/n-Si异质结光电器件进行光电学性能测试是将探针点在两个电极上，电极之间加电压0.5~4伏特，测得Sm2O3/n-Si异质结的I-t特性曲线，通过控制紫外光（365nm）照射的开关发现器件具有良好的光电响应。
作为优选，上述光电学性能测试中电极之间加电压2伏特效果最好。
本发明的优点：
1、本发明制备过程中，所制备的Sm2O3/n-Si异质结具有优良的光电特性；
2、本发明制备的光电器件性能稳定，反应灵敏，暗电流小，具有好的潜在应用；
3、本发明采用微纳米加工技术制备Sm2O3/n-Si异质结光电器件，工艺可控性强，操作简单，且重复测试具有可恢复性。
附图说明
图1是用本发明方法制得的Sm2O3薄膜的X射线衍射（XRD）谱图；
图2是用本发明方法制得的Sm2O3薄膜的扫描电镜（SEM）照片；
图3是用本发明方法制得的Sm2O3薄膜的扫描电镜（SEM）照片；
图4是用本发明方法制得的Sm2O3薄膜的紫外可见光吸收光谱图；
图5是用本发明方法测量Sm2O3/n-Si异质结的示意图；
图6是用本发明方法测得Sm2O3/n-Si异质结的电极电压为2V的V-i曲线图；
图7是用本发明方法测得Sm2O3/n-Si异质结的电极电压为(-1)V的I-t曲线图。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
实施例1
步骤如下：
（1）将N型Si（100）硅片放入V(HF):V(H202)=l:5的溶液中浸泡15秒(去除自然氧化层)，和石英衬底一起用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗15分钟，并真空干燥。
（2）把纯度为99.9%的Sm203靶材放置在射频磁控溅射系统的靶台位置，将硅（Si）衬底（用挡板遮住一半）固定在样品托上，放进真空腔，Sm203靶材与衬底的距离设定为5 厘米。
（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），调整真空腔内的压强为2.1 Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为140 w，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为2 小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将硅（Si）衬底和石英衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。将硅（Si）衬底上的薄膜放进X射线衍射仪中扫描，结果如图1中XRD谱图所示，出现了（222）和（400）两个较强的衍射峰。取出后在扫描电镜下观察如图2和3，发现薄膜表面较平整，薄膜的厚度约为170nm。把石英衬底上的薄膜放进紫外可见光分析仪中进行测量，所得的紫外吸收光谱如图4所示，在紫外区域有很强的吸收。
（4）将掩膜版覆盖在Sm2O3/n-Si异质结上面，并通过射频磁控溅射技术沉积一层约50 nm厚的金（Au）薄膜作为测量电极。测量示意图如图5。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，其V-I和I-t曲线如图6和图7所示：图6的V-I曲线中出现了明显的整流效应。当外加电压为2伏特并在365nm紫外光的照射下，整流比的增量很大。图7中的I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。
实施例2
步骤（1）、（2）和（4）均与实施例1相同。步骤（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），调整真空腔内的压强为1.0 Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为140 w，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为2 小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。测试结果均与实施例1类似。
实施例3
步骤（1）、（2）和（4）均与实施例1相同。
（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），调整真空腔内的压强为5.1 Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为140 w，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为2 小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。测试结果均与实施例1类似。
实施例4
步骤（1）、（2）和（4）均与实施例1相同。
（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），调整真空腔内的压强为2.1Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为120 W，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为2 小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。测试结果均与实施例1类似。
实施例5
步骤（1）、（2）和（4）均与实施例1相同。
（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），调整真空腔内的压强为2.1Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为160 w，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为2 小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。测试结果均与实施例1类似。
实施例6
步骤（1）、（2）和（4）均与实施例1相同。
（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），调整真空腔内的压强为2.1Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为140 W，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为0.5 小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。测试结果均与实施例1类似。
实施例7
步骤（1）、（2）和（4）均与实施例1相同。
（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），调整真空腔内的压强为2.1Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为140 w，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为1小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。测试结果均与实施例1类似。
实施例8
步骤（1）、（2）和（4）均与实施例1相同。
（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），调整真空腔内的压强为2.1Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为140 w，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为2小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为3伏特，I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。测试结果均与实施例1类似。
实施例
步骤（1）、（2）和（4）均与实施例1相同。
（3）先将腔体抽真空，等真空腔的电离度大约在4.0×10-4Pa时，通入氩气（Ar），加热衬底温度至600℃，调整真空腔内的压强为2.1 Pa，然后打开射频功率源，调整溅射功率为140 w，接着预溅射5分钟，之后打开挡板进行正式溅射。溅射时间设为2 小时，结束后关闭射频功率源，并进行原位退火1 小时。最后等射频磁控溅射系统冷却至室温后将衬底取出，发现衬底表面有一层淡黄色的沉积物。
（5）在电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-1伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化。测试结果均与实施例1类似。
Claims (10)
1.一种基于Sm2O3/n-Si异质结构的紫外光电器件的制备方法，其特征在于该工艺具有如下步骤：
硅衬底预处理：将N型Si（100）硅片放入V(HF):V(H2O2)=l:5的溶液中浸泡以去除自然氧化层，然后用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗，并真空干燥；
放置靶材和衬底：把Sm2O3靶材放置在射频磁控溅射系统的靶台位置，用挡板遮住步骤1）处理后的硅衬底一半，将硅衬底固定在样品托上，放进真空腔；
薄膜沉积过程：在磁控溅射系统沉积过程中，先将腔体抽真空，加热硅衬底，通入氩气，调整真空腔内的压强，其中，Sm2O3靶材与硅衬底的距离设定为3-6 厘米，溅射功率为120-160 w，沉积时间为0.5-2 小时；然后进行原位退火；
器件电极的制备：利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在Sm2O3/n-Si异质结上面沉积一层Au薄膜作为测量电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，腔体抽真空后的电离度为4.0×10-4Pa。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，硅衬底的加热温度为25-600℃。
4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，真空腔调整后的压强为1.0-6.0 Pa。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，Sm2O3靶材与硅衬底的距离设定为5 厘米。
6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，溅射功率为140 w。
7. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，沉积时间为1 小时。
8. 根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，原位退火时间为1 小时。
9. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，硅衬底的加热温度为25℃。
10. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中，真空腔调整后的压强为1.9-2.1 Pa。
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