CN105514210A - 基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体提供了一种纳米二氧化钛纳米棒阵列和n型硅基底形成的n-n同型异质结材料的高性能紫外光探测器。首先利用溅射方法在n型硅基底上生长二氧化钛纳米点薄膜；然后通过水热法方法诱导种子层生成二氧化钛纳米棒阵列；最后通过磁控溅射法制备透光金属层电极薄膜。本发明利用二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的放大效应制备的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结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
技术领域
本发明属于紫外光探测器领域，具体涉及一种基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术是近年来光电探测领域的研究热门之一。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。紫外探测在军民两用领域有着广泛的需求背景，可应用于生物与化学分析、工业检测、天文科学研究、发射器校准、火焰探测、光电对抗、紫外通信等多个领域[龙维刚.全固态高灵敏紫外探测器技术的研究进展[J].半导体光电,2014,35(5).]。它在军事、医疗、科研和其他工业领域得到广泛的应用。例如，紫外探测技术在医学、生物学方面也有着广泛的应用，特别是近几年在皮肤病诊断方面有着独特的应用效果。利用紫外探测技术在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节。也可用它来检测癌细胞、微生物、血色素、红血球、白血球、细胞核等,这种检测不但迅速、准确,而且直观、清楚。[光电子技术.2014.24(2):129-133.]。目前已投入商业和军事应用的紫外线探测器件主要以硅基紫外光电管和紫外光电倍增管为主，它虽然有灵敏度高的优点，但是同样存在需附加滤光片、体积大、易受损、需在较高电压较低温度下工作等缺点，这就大大制约了其进一步的应用。
固体紫外探测器又可以分为宽禁带紫外线探测器以及硅基紫外线探测器两类。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]。与硅基半导体相对应的还有一种宽禁带紫外探测器，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，使宽禁带薄膜的紫外探测器也已迈上了产业化道路。事实上，常规大小的二氧化钛薄膜虽然属于宽禁带的半导体，但是这种材料在接受紫外线照射时，其吸收紫外线的能力相当低下，而处于纳米尺度下的二氧化钛薄膜则完全不同，这种材料会展示出相当高的紫外线吸收能力[ShenH，ShanCX，LiBH，XuanB，ShenDZ.ApplPhysLett，2013，103:232112]。除此之外，这种纳米尺度的二氧化钛薄膜耐用性很好、在制作时的工艺流程也相对简单。以上所列出的几点优势就使得纳米尺度的二氧化钛薄膜非常有希望成为研制新型的宽禁带半导体紫外线探测器所急需的一种替换性材料。
本发明中，我们利用钯膜的催化效应和二氧化钛纳米棒阵列/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钯/二氧化钛纳米棒阵列/硅异质材料，可使二氧化钛对紫外光敏感性大大提高。例如，二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结从无光向有光转换时，电流变化较大，表现出了良好的紫外光敏感性；反向电压下，该异质结在不同紫外光功率下光电流变化明显，且随着光功率的增大，光电流增大，当反向电压大于2伏特时，光电流趋于稳定；在反向电压2伏特时，光电流与暗电流之比最大，响应时间和恢复时间均在～0.01秒；该异质结在365nm紫外光下，光电流大于在其他波长单色光下的光电流，表现出较好的紫外敏感性；该异质结在紫外光下的开关比为5700％，大于在其他波长单色光下的开关比，该器件表现出较好的紫外探测性。
二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结利用二氧化钛纳米棒阵列/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，二氧化钛纳米棒阵列/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二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法。
本发明采用有二氧化硅覆盖的n型硅作为基底，以二氧化钛纳米棒阵列作为基体材料制备紫外光探测器，利用了二氧化钛纳米棒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保留二氧化硅氧化层的n型硅基底、利用旋涂方法在硅衬底上生长二氧化钛点薄膜、通过水热法方法诱导种子层生成二氧化钛纳米棒阵列、通过磁控溅射法制备透光金属层电极薄膜(可为钯、铜等)。透光金属层电极薄膜上的铟点电极和铟电极层分别作为正、负电极，引出电源线，串联接通吉时利数字源表2602B，电源的电压为-2伏特；其中覆盖二氧化硅的硅衬底厚度为0.5～2毫米，二氧化钛纳米棒阵列薄膜的厚度为100-600纳米，优选600纳米，金属层的厚度为10～30纳米，优选15nm。
本发明所述的基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结紫外光探测器及其制备方法，其制备步骤如下：
(一)n型硅基底的处理
首先用去离子水在超声波中清洗n型硅基底10～20分钟，然后用丙酮在超声波中清洗n型硅基底10～20分钟，最后再用无水乙醇清洗n型硅基底10～20分钟；烘干后，再次重复上清洗过程。
(二)二氧化钛纳米棒阵列薄膜的制备
将清洗好的型n硅基底放入旋涂仪，抽真空后在保持持续通入氮气的背景下进行旋涂，旋涂时转速为5000～10000转每秒，旋涂时间为40～60秒，得到二氧化钛薄膜；将制备好的二氧化钛纳米薄膜/硅基片放入管式电阻炉中在温度为800摄氏度下氮气气氛中退火，温度上升速率为4摄氏度每分钟，至800摄氏度时保持2小时，得到二氧化钛纳米点薄膜/硅异质结；将退火后的二氧化钛纳米点薄膜/硅基片放入盛有浓盐酸(质量分数为36.5％-38％)和钛酸四丁酯溶液(比例为30:1)的聚四氟乙烯反应釜中进行水热诱导生成二氧化钛纳米棒阵列，背景温度为120～160摄氏度，水热时间为0.5～2小时，得到二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结。
(三)透光金属层电极薄膜的制备
在步骤(二)的基础上，将制备好的二氧化钛纳米棒阵列/硅n硅基底放入溅射室，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0.5～2.5×10-4帕；在维持3帕压强的前提下，向溅射室中通入氩气，待气压稳定后，开始金属靶溅射，其钯靶纯度为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1～3分钟；再次利用抽真空系统使背景真空达到1×10-4～2×10-4帕，2小时后，取出样品。
这样由上述过程即可获得二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结材料，该材料对365nm紫外具有敏感效应。例如，二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结从无光向有光转换时，电流变化较大，表现出了良好的紫外光敏感性；反向电压下，该异质结在不同紫外光功率下光电流变化明显，且随着光功率的增大，光电流增大，当反向电压大于2伏特时，光电流趋于稳定；在反向电压2伏特时，光电流与暗电流之比最大，响应时间和恢复时间均在～0.01秒；该异质结在365nm紫外光下，光电流大于在其他波长单色光下的光电流，表现出较好的紫外敏感性；该异质结在紫外光下的开关比为5700％，大于在其他波长单色光下的开关比，该器件表现出较好的紫外探测性。
本发明所提供的二氧化钛纳米棒阵列/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n型硅片为基底的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结在室温以及不同紫外光功率下的伏安特性曲线。
图3以n型硅片为基底的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结在室温、365nm紫外光光功率为0.1毫瓦每平方厘米时电流随着时间的变化曲线。
图4以n型硅片为基底的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结在室温以及不同波长单色光(光功率为0.1毫瓦每平方厘米)下的伏安特性曲线。
图5以n型硅片为基底的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结在室温下、不同波长单色光(光功率为0.1毫瓦每平方厘米)的光电流和暗电流之比(开关比)随波长的变化曲线。
如图1所示，各部件名称为：铟点电极1、透光金属层电极薄膜2、二氧化钛纳米棒阵列薄膜3、二氧化硅层4、n型硅基底5、铟电极层6和吉时利数字源表2602B7；
具体实施方式
实施例1：
我们选取了厚度为0.5毫米的n型单晶硅片作为基底，保留其自然氧化层。用去离子水在超声波中清洗硅片15分钟，然后用丙酮在超声波中清洗硅片20小时，最后再用无水乙醇清洗硅片20分钟。烘干后，再次重复上述清洗过程。
将清洗好的n型硅基底吹干放入旋涂室中，在持续通入氮气的背景下进行二氧化钛种子层的旋涂，旋涂完毕后放入60摄氏度的干燥箱中静置20分钟。将经旋涂法制备好的二氧化钛纳米薄膜/硅基片放入管式电阻炉中在温度为800摄氏度下氮气气氛中进行退火，升温速率为4摄氏度每分钟，在800摄氏度下保持2h。将经退火后的二氧化钛纳米薄膜/硅基片放入盛有浓盐酸(质量分数为36.5％-38％)和钛酸四丁酯的混合溶液(比例为30:1)的聚四氟乙烯反应釜中进行水热诱导生成二氧化钛纳米棒阵列，背景温度为160摄氏度，水热时间为2小时。
利用掩膜和直流磁控溅射法制备钯金属层：当背景真空为0.5～2.5×10-4帕时，通入氩气，并维持3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。钯金属层薄膜5的厚度15纳米；硅片和二氧化钛纳米棒阵列薄膜的面积均为1厘米×1厘米，钯薄膜的面积为0.5厘米×0.5厘米。
透光金属层电极薄膜2上的铟点电极1和铟电极层6分别作为正、负电极，串联接通吉时利数字源表2602B7，电源的电压为-2伏。这样，一种具有二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器制备完毕，其结构如图1所示。
图2以n型硅片为基底的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结在室温以及不同紫外光功率下的伏安特性曲线。结果表明反向电压下，该异质结在不同紫外光功率下光电流变化明显，且随着光功率的增大，光电流增大；当反向电压大于2伏特时，光电流趋于稳定。
图3以n型硅片为基底的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结在室温、365nm紫外光光功率为0.1毫瓦每平方厘米时电流随着时间的变化曲线。结果表明在反向电压2伏特时，光电流与暗电流之比最大。响应时间和恢复时间均在～0.01秒。
图4以n型硅片为基底的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结在室温以及不同波长单色光(光功率为0.1毫瓦每平方厘米)下的伏安特性曲线。结果表明该异质结在365nm紫外光下，光电流大于在其他波长单色光下的光电流，表现出较好的紫外敏感性。
图5以n型硅片为基底的二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结在室温下、不同波长单色光(光功率为0.1毫瓦每平方厘米)的光电流和暗电流之比(开关比)随波长的变化曲线。结果表明该异质结在紫外光下的开关比为5700％，大于在其他波长单色光下的开关比，该器件表现出较好的紫外探测性。
Claims (7)
1.一种基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法，其中，采用具有紫外敏感性的二氧化钛/硅异质结材料，主体结构是二氧化钛纳米棒阵列薄膜(3)和n型硅基底(5)形成的n-n同型异质结；其中，n型硅基底(5)上保留自然氧化的二氧化硅层(4)，二氧化钛纳米棒阵列表面镀有透光金属层电极薄膜(2)；透光金属层电极薄膜(2)上制备铟点电极(1)，在n型硅基底(5)上与二氧化硅层(4)相对的一侧表面上形成铟金属层(6)作为另一电极；
连接正电极铟点电极(1)和负电极铟金属层(6)，并串联吉时利数字源表2602B(7)；电压为-2伏特；
二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结从无光向有光转换时，电流变化较大，表现出了良好的紫外光敏感性；反向电压下，该异质结在不同紫外光功率下光电流变化明显，且随着光功率的增大，光电流增大，当反向电压大于2伏特时，光电流趋于稳定；在反向电压2伏特时，光电流与暗电流之比最大，响应时间和恢复时间均在～0.01秒；该异质结在365nm紫外光下，光电流大于在其他波长单色光下的光电流，表现出较好的紫外敏感性；该异质结在紫外光下的开关比为5700％，大于在其他波长单色光下的开关比，该器件表现出较好的紫外探测性。
2.如权利要求1所述的基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法，
其特征在于：二氧化钛纳米棒阵列薄膜(3)的厚度为100-600纳米，透光金属层电极薄膜(2)的厚度为10～30纳米，n型硅基底(5)的厚度为0.5-2毫米，n型硅基底(5)的电阻率为1-3欧姆厘米。
3.如权利要求1所述的基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法，
其特征在于：透光金属电极层可以是钯、铜等；铟电极可以是铝、锡等；铟点电极是正极，铟金属层是负极。
4.如权利要求1所述的基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法，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10～20分钟，然后用丙酮在超声波中清洗硅片10～20分钟，最后再用无水乙醇清洗硅片10～20分钟；烘干后，再次重复上清洗过程；
(2)将清洗好的型n硅基底放入旋涂仪，抽真空后在保持持续通入氮气的背景下进行旋涂，旋涂时转速为5000～10000转每秒，旋涂时间为40～60秒，得到二氧化钛薄膜；
(3)将制备好的二氧化钛纳米薄膜/硅基片放入管式电阻炉中在温度为800摄氏度下氮气气氛中退火，温度上升速率为4摄氏度每分钟，至800摄氏度时保持2小时，得到二氧化钛纳米点薄膜/硅异质结；
(4)将退火后的二氧化钛纳米点薄膜/硅基片放入盛有浓盐酸(质量分数为36.5％-38％)和钛酸四丁酯溶液(比例为30:1)的聚四氟乙烯反应釜中进行水热诱导生成二氧化钛纳米棒阵列，背景温度为120～160摄氏度，水热时间为0.5～2小时，得到二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结；
(5)将制备好的二氧化钛纳米棒阵列/硅基片放入溅射室，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0.5～2.5×10-4帕；
(6)在维持3帕压强的前提下，向溅射室中通入氩气，待气压稳定后，开始金属钯溅射，其钯靶纯度为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1～3分钟；再次利用抽真空系统使背景真空达到1×10-4～2×10-4帕，2小时后，取出样品。
5.如权利要求4所述的基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的二氧化钛纳米点薄膜是利用二氧化钛薄膜经过800摄氏度退火而成。
6.如权利要求4所述的基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的二氧化钛纳米棒阵列(3)利用水热法制备而成。
7.如权利要求4所述的基于二氧化钛纳米棒阵列/硅异质结的紫外光探测器及其制备方法，其特征在于：步骤(6)中的透光金属层电极薄膜(2)是在室温条件下。
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