CN105489694A - 氧化锌/硅p-n异质结紫外光探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体提供了一种纳米氧化锌/硅薄膜形成的p-n异型异质结高性能紫外光探测器。利射频磁控溅射方法在硅衬底上生长氧化锌薄膜；然后通过掩膜和溅射方法在薄膜表面制备可透光的金属电极层。本发明利用硅/氧化锌异质结的放大效应制备的紫外光探测器具有工艺简单，成本低廉，无需加热器，能在室温下工作，且具有耗能低，灵敏度高，响应、恢复时间短的特点，对紫外光具有良好的检测性能，具有重要的应用前景。

Description

氧化锌/硅p-n异质结紫外光探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于紫外光探测器领域，具体涉及一种基于氧化锌/硅p-n异质结的紫外光探测器。

背景技术

紫外探测技术是以紫外光辐射的大气传输与衰减特性和高性能紫外光学传感器为基础的一门新技术，是继激光、红外以及可见光探测以外的又一门新兴探测技术，并且与传统的红外和激光探测技术相比，紫外探测技术因其在许多方面的特殊优势使得其在很多场合都有着广泛的应用价值。它在军事、医疗、科研和其他工业领域得到广泛的应用。例如，在军事上，紫外探测技术可用于紫外通信、紫外制导、紫外干扰、紫外告警等[光电子技术.2014.24(2):129-133.]；医学上，利用紫外探测技术探测太阳紫外辐射强度，检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节，还可以用来检测细胞的病变，如癌细胞、微生物、血色素、白血球、红血球、细胞核等[NuclearPhysicsA,2006,563(1):27-30.]；工业上可用于气体的探测分析；环保上用于环境监测，特别是臭氧层的治理等等，使得更高灵敏度的紫外光探测器的开发和应用更加迫切。

紫外探测器获得广泛应用的关键在于探测技术的不断提高和制作成本的降低，所制备探测器的性能也不断获得突破。硅材料成熟的工业技术和广泛的材料来源，使硅基异质结构在新型器件领域被广泛研究。在传统硅基器件成熟的理论指导下，硅基异质结构在光电领域中得到了进一步的丰富和发展。硅基半导体材料，是以硅材料为基础发展起来的新型材料。包括绝缘层上的硅材料、锗硅材料、多孔硅、微晶硅以及以硅为基底异质外延其他化合物半导体材料等。目前，硅基半导体材料拥有比较成熟的制备技术，制备工艺相对比较完善，因此硅基材料己成为制作紫外探测器最主要的材料。利用硅基半导体材料制造的硅基紫外探测器的体积一般较小，重量较轻，并且无需复杂的电路，大大提高了紫外探测器的适用范围，但由于其大部分禁带宽度较窄，除了吸收紫外光外还吸收可见光[FreseniusJAnalChem.2001.371(8):1070-1075]。与硅基半导体相比，还有一种单晶薄膜紫外探测器，该类传感器以半导体材料作为紫外光敏感材料，主要利用只吸收紫外光的宽禁带材料的电子漂移饱和速度高、介电常数小、禁带宽度大等特点，这些特点适用于制作高频、大功率、抗辐射的探测器，使单晶薄膜的紫外探测器也已迈上了产业化道路。单晶薄膜如碳化硅、氮化镓、氧化锌等材料也开始投入生产，但由于生长单晶半导体薄膜所需设备昂贵，而且就目前的单晶生长技术来看，其制备工艺难度仍旧很大无法得到普及和应用，尤其氮化镓与硅之间存在热失配和晶格适配。综述所述，研究高灵敏度，低成本的硅基半导体基紫外光探测器具有重要的科学意义和应用价值。

本发明中，利用氧化锌/硅异质结的放大效应，开发出了一种具有紫外光敏感特性的氧化锌/硅异质结材料，可使氧化锌对紫外光敏感性大大提高。例如，紫外光照射强度为0.1毫瓦每平方厘米时开关比为～10000％，该探测器响应时间和恢复时间～0.125秒；当紫外光强度为1毫瓦每平方厘米时，该探测器的开关比达到～50000％。

氧化锌/硅异质结利用氧化锌/硅异质结的放大效应，提高了器件的响应度，器件性能得到显著提高。因此，氧化锌/硅异质结在紫外光探测制作方面显示出独特的应用前景。

发明内容

本发明目的是提供一种基于氧化锌/硅异质结紫外光探测器及该探测器的制备方法。

本发明采用硅作为衬底，以氧化锌作为基体材料制备紫外光探测器，利用了氧化锌与硅的异质结的放大效应。同时本发明采用的工艺简单、室温条件探测并且与半导体平面工艺兼容、易于集成、适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。

本发明的紫外光探测器从下到上依次包括二氧化硅覆盖的硅衬底、采用直流磁控溅射法在衬底上生长的纳米氧化锌薄膜、在氧化锌薄膜层上利用掩膜和直流磁控溅射方法制备可透光的金属电极层；薄膜上的铟点电极和硅上的铟金属层上的铟点电极分别作为负、正电极，引出电源线，将吉时利数字源表2602B串联接通，电源的电压为-2伏特；其中硅衬底厚度为0.3～2米，纳米氧化锌薄膜的厚度为25-65纳米，优选25纳米。

本发明所述的基于氧化锌/硅异质结紫外光探测器的制备方法，其步骤如下：

(一)衬底的处理

首先用去离子水在超声波中清洗硅片10～30分钟，然后用丙酮在超声波中清洗硅片10～30分钟，最后再用无水乙醇清洗硅片10～30分钟。

(二)氧化锌薄膜的制备

将清洗好的p型硅衬底吹干后放入溅射室，p型硅衬底的电阻率是0.1-1欧姆厘米，利用抽真空系统使溅射室处于真空状态，直到背景真空达到目标真空度(0.1～5.0×10^-4帕)；在维持5帕压强的前提下，以体积比1:2至2:1，优选1:1左右的比例向溅射室中通入氩气/氧气混合气体，待气压稳定后，利用氧化锌靶开始溅射，其中所用氧化锌靶纯度为99.9％(质量分数)，溅射功率和溅射时间分别选为141mA*64Kv和1-2.5分钟；溅射完毕后，保持通气状态15-40分钟，之后继续抽真空使溅射室处于真空状态，真空度0.2～3.0×10^-4帕。

(三)钯金属电极层的制备

在步骤(二)的基础上，当真空度达到0.2～3×10^-4帕后，在维持5帕压强的前提下，向溅射室中通入氩气，待气压稳定后，开始透光金属电极层的溅射，其中所用金属靶纯度为99.9％(质量分数)，溅射直流电压、溅射直流电流和溅射时间分别为0.26千伏、0.20安培和1～5分钟；抽真空使得系统真空度达到1×10^-4～2.5×10^-4帕，2小时后，取出样品。

这样由上述过程即可获得氧化锌/硅异质结材料，利用硅/氧化锌异质结的放大效应，开发出了一种具有紫外光敏感特性的硅/氧化锌异质结材料，可使氧化锌对紫外光敏感性大大提高。例如，紫外光照射强度为0.1毫瓦每平方厘米时开关比为～10000％，该探测器响应时间和恢复时间～0.125秒；当紫外光强度为1毫瓦每平方厘米时，该探测器的开关比达到～50000％。

本发明所提供的氧化锌/硅异质结材料，可以用其开发紫外光敏感器件，该器件无需加热器，能在室温下工作，耗能低，工艺简单，灵敏度高，响应、恢复时间短。

附图说明

图1本发明器件的结构示意图。

图2以p型硅片为基底的氧化锌/硅异质结在室温、黑暗条件下以及不同紫外光功率下的伏安特性曲线。

图3以p型硅片为基底的氧化锌/硅异质结在室温、黑暗条件下以及不同紫外线光功率下的开关比-电压曲线。

图4以p型硅片为基底的氧化锌/硅异质结在室温以及不同波段单色光下(光功率均为0.1毫瓦每平方厘米)的伏安特性曲线。

图5以p型硅片为基底的氧化锌/硅异质结在室温、不同波段单色光、电源电压在-2伏特下的开关比。

如图1所示，各部件名称为：p型硅基底1、氧化锌薄膜2、透光金属电极层3、不同波段单色光4、铟点电极5、铟金属层电极6、吉时利数字源表2602B7、电源8；

具体实施方式

实施例1：

我们选取了厚度为0.5毫米的p型单晶硅片作为基底。用去离子水在超声波中清洗硅片30分钟，然后用丙酮在超声波中清洗硅片30分钟，最后再用无水乙醇清洗硅片30分钟。

采用射频磁控溅射制备氧化锌薄膜：将清洗好的p型硅基片放入溅射室，开启抽真空系统进行抽真空；当背景真空为2.0×10-⁴帕时，通入氩气/氧气混合气体，两种气体比例在1:1，并维持5帕的压强，待气压稳定后，开始溅射氧化锌靶，溅射功率为90瓦，溅射时间为1-2.5分钟，基底温度为室温。在硅晶片上形成一层厚度为约25～65纳米的二氧化锡膜。溅射完毕后，保持通气状态20分钟，然后停止通氩气和氧气，抽真空系统继续工作。

采用掩膜和直流磁控溅射法制备透光金属电极层：当背景真空为0.1～2.5×10-⁴帕时，通入氩气，并维持5帕的压强，待气压稳定后，开始用纯度为(质量分数)99.9％钯靶溅射，溅射直流电压为0.26千伏，溅射直流电流为0.20安培，溅射时间为2分钟，基底温度为室温。溅射完毕后，停止通氩气，抽真空系统继续工作，使样品在真空度为1.5×10^-4帕的环境下保持2小时，然后取出样品。

金属电极层薄膜3的厚度15纳米；硅片和氧化锌薄膜的面积均为1厘米×1厘米，金属层薄膜的面积为0.5厘米×0.5厘米。

金属电极层薄膜3上的铟点电极5和铟金属层6分别作为负、正电极，串联接通吉时利数字源表2602B7，电源8的电压为-2伏。这样，一种具有氧化锌/p-硅异质结的紫外光传感器制备完毕，其结构如图1所示。

如图2所示，对本发明所制作器件在室温条件下，测量了在不同紫外光功率下的电流-电压曲线。结果表明：氧化锌/硅异质结从无光向有光转换时，反向电流变化较大。表现出了良好的紫外光敏感性。

如图3所示，对本发明所制作器件在室温、反向电压2伏特下测量了在不同光功率下365nm紫外线的开关比与电压的关系。实验表明：氧化锌/p-硅异质结在0.01毫瓦每平方厘米、0.05毫瓦每平方厘米、0.1毫瓦每平方厘米及1毫瓦每平方厘米的紫外光下，开关比从-2伏特电压开始趋于稳定。

如图4所示，对本发明所制作器件在0.1毫瓦每平方厘米光功率、不同波段单色光照下的电压-电流曲线。实验表明，氧化锌/p-硅异质结在紫外光波段下从黑暗到光照下反向电流变化最大，表现出良好的紫外敏感性。

如图5所示，对本发明所制作器件在0.1毫瓦每平方厘米光功率、在-2伏特下开关比与单色光波长的曲线。实验表明，氧化锌/p-硅异质结在365纳米紫外光波下的开关比达到～12000％远大于其他波长的开关比。

Claims (6)

1.一种基于氧化锌/硅紫外光探测器，其中，采用具有紫外敏感性的氧化锌/硅p-n异质结材料，自下而上依次是p型硅基底(1)、纳米氧化锌薄膜(2)、氧化锌薄膜表面的可透光金属电极层(3)，不同波段(365nm～650nm)的单色光(4)，连接铟点电极(负电极)(5)和铟金属层(正电极)(6)，并串联数字源表(7)；电源(8)电压为-2伏特；

在室温条件下、不同波段(365nm～650nm)单色光照射条件下，硅/氧化锌异质结在-2伏特电压下，对365nm紫外光表现出强的敏感性，在365nm紫外光照下光电流与暗电流之比(开关比)～10000％，其光功率为0.1毫瓦每平方厘米；响应时间与恢复时间～0.125秒。

2.如权利要求1所述的基于氧化锌/硅异质结的紫外光探测器，

其特征在于：氧化锌薄膜(2)的厚度为25-65纳米，p-硅(1)的厚度为0.3-2毫米，p型硅的电阻率为0.1-1欧姆厘米。

3.如权利要求1所述的基于氧化锌/硅异质结的紫外光探测器，

其特征在于：可透光金属电极层为钯、铜等金属。

4.如权利要求1所述的基于氧化锌/硅异质结的紫外光探测器的制备方法，其制备方法步骤如下：

(1)首先用去离子水在超声波中清洗硅片10～30分种，之后在超声波中用丙酮清洗硅片10～30分钟，最后再使用无水乙醇清洗硅片10～30分钟；

(2)将清洗好的p型硅基底吹干后放入溅射室，利用抽真空系统使溅射室处于真空状态，直到背景真空达到目标真空度0.1～5.0×10^-4帕；

(3)维持5帕压强，向溅射室中通入氩气/氧气混合气体，待气压稳定后，利用射频磁控溅射方法制备氧化锌薄膜，溅射功率和溅射时间分别选为141mA*64Kv和1-2.5分钟；

(4)在硅基底表面得到氧化锌薄膜后的15-40分钟内，继续通气，待停止通入氩气和氧气后，再利用抽真空系统使溅射室处于真空状态，直到背景真空达到目标真空度0.2～3.0×10^-4帕；

(5)维持5帕压强，向溅射室中通入氩气，待气压稳定后，利用直流磁控溅射制备透光钯金属电极层，其靶纯度为99.9％(质量分数)，溅射直流电压、溅射直流电流和溅射时间分别为0.26千伏、0.20安培和1～5分钟；再次利用抽真空系统使背景真空达到1×10^-4～2.5×10^-4帕，2小时后，取出样品。

5.如权利要求4所述的基于氧化锌/硅的紫外光探测器的制备方法，其特征在于：步骤(3)和(5)中所述的制备氧化锌薄膜(2)和可透光金属电极层(5)处于室温条件。

6.如权利要求4所述的基于氧化锌/硅异质结的紫外光探测器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的氧化锌薄膜(2)不需要经过退火处理。