CN107579127B - 一种紫外探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫外探测器及其制作方法，该制作方法包括：提供一衬底；在所述衬底表面形成ZnMgO层；所述ZnMgO层的表面包括电极区域以及非电极区域；在所述电极区域形成电极，所述电极表面具有In粒；对所述非电极区域进行氟修饰处理，使得所述非电极区域具有含氟的官能团；其中，所述官能团用于增加对氧气的吸附量以及吸附速率。本发明技术方案可以同时优化紫外探测器的响应度、暗电流以及响应时间这三个特性。

Description

一种紫外探测器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，更具体的说，涉及一种紫外探测器及其制作方法。
背景技术
紫外探测技术可用于军事通信、导弹尾焰探测、火灾预警、环境监测、生物效应等方面，无论在军事上还是在民用上都有广泛的应用。目前，己投入商用的紫外探测器主要有硅探测器、光电倍增管和半导体探测器。硅基紫外光电管需要附带滤光片，光电倍增管则需要在高电压下工作，而且体积笨重、效率低、易损坏且成本较高，对于实际应用有一定的局限性。相对硅探测器和光电倍增管来说，由于半导体材料具有携带方便、造价低、响应度高等优点而备受关注。
目前研究较多的半导体材料主要有III-V族的合金AlGaN和II-VI族的合金MgZnO。目前报道的GaN通过掺入铝可以把能带调宽到日盲区，并制作成MSM(金属-半导体-金属)和p-n等结构的探测器。但是AlGaN的生长温度高，而且高铝组份的合金结晶质量差。ZnMgO由于具有宽的带隙调节范围(从3.37eV到7.8eV)、强的抗辐射能力、高的电子饱和漂移速度、匹配的单晶衬底(ZnO和MgO)、容易合成、无毒无害、资源丰富和环境友好等优势，是制备宽禁带紫外探测器的候选材料之一。
对于紫外探测器而言最重要的三个参数就是器件的响应度，暗电流和响应时间。响应度和暗电流决定了器件的灵敏度和对弱信号的探测能力，响应度越高越好，暗电流越低越好。响应时间则决定了器件对于信号的快速甄别能力，在紫外告警和紫外通讯领域对于响应时间的要求较高，响应时间越快越好。对于实用化的紫外探测器件而言，需要具有良好的综合性能。要实现这一目标，除了提高薄膜的质量之外，对器件的后处理和修饰方法也是至关重要的。目前的修饰方法，一般很难同时优化这三个重要参数。尤其是对于器件的响应时间，很难进一步提高，同时很可能伴随器件响应度的降低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种紫外探测器及其制作方法，提高了紫外探测器的响应度，降低了暗电流以及响应时间。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种紫外探测器的制作方法，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底表面形成ZnMgO层；所述ZnMgO层的表面包括电极区域以及非电极区域；
在所述电极区域形成电极，所述电极表面具有In粒；
对所述非电极区域进行氟修饰处理，使得所述非电极区域具有含氟的官能团；
其中，所述官能团用于增加对氧气的吸附量以及吸附速率。
优选的，在上述制作方法中，所述在所述衬底表面形成ZnMgO层包括：
通过分子束外延工艺、或金属有机化合物化学气相沉积工艺、或磁控溅射工艺形成所述ZnMgO层。
优选的，在上述制作方法中，所述对所述非电极区域进行氟修饰处理包括：
将所述ZnMgO层浸没在含氟的溶液中预设时间，以形成所述官能团；
通过去离子水清洗后，进行干燥处理。
优选的，在上述制作方法中，所述预设时间为0.01s-24h；
所述溶液中氟的浓度为1*10-6mol/L-10mol/L，包括端点值。
优选的，在上述制作方法中，所述溶液为HF溶液、或KF溶液、或NaF溶液、或三氟乙酸溶液、或三氟甲磺酸溶液、或三氟丙酸溶液。
优选的，在上述制作方法中，所述在所述电极区域形成电极包括：
在所述ZnMgO层的表面形成金层；
图案化所述金层，形成叉指电极；
在所述叉指电极上设置In粒。
本发明还提供了一种紫外探测器，所述紫外探测器包括：
衬底；
位于所述衬底表面的ZnMgO层，所述ZnMgO层的表面包括电极区域以及非电极区域；所述非电极区域经过经过氟修饰处理，层具有含氟的官能团；
位于所述电极区域的电极，所述电极表面具有In粒；
其中，所述官能团用于增加对氧气的吸附量以及吸附速率。
优选的，在上述紫外探测器中，所述电极为金电极，厚度为5nm-300nm，包括端点值。
优选的，在上述紫外探测器中，所述电极为叉指电极。
优选的，在上述紫外探测器中，所述In粒为直径大于0.5mm的圆柱形结构。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的紫外探测器及其制作方法中，在电极区域形成电极之后，对非电极区域的ZnMgO层进行氟修饰处理，使得电极区域的ZnMgO层表面具有含氟的官能团，所述含氟的官能团可以增加对氧气的吸附量，从而提高响应度，降低暗电流，且所述含氟的官能团可以增加对氧气的吸附速率，从而降低响应时间。可见，本发明技术方案可以同时优化紫外探测器的响应度、暗电流以及响应时间这三个特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1-图5为本发明实施例提供的一种紫外探测器的制作方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的一种ZnMgO紫外探测器氟修饰前后的I-V曲线；
图7为本发明实施例提供的一种ZnMgO紫外探测器氟修饰前后的光响应曲线；
图8为本发明实施例提供的一种ZnMgO紫外探测器氟修饰前后的响应时间曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1-图5，图1-图5为本发明实施例提供的一种紫外探测器的制作方法的流程示意图，该制作方法包括：
步骤S11：如图1所示，提供一衬底1。
可选的，所述衬底为蓝宝石衬底。
步骤S12：如图2所示，在所述衬底1表面形成ZnMgO层2。
所述ZnMgO层2的表面包括电极区域以及非电极区域。所述电极区域用于形成紫外探测器的电极。所述电极区域以及所述非电极区域的划分取决于所述紫外探测器设置的电极的图形结构。
该步骤中，在所述衬底1表面形成ZnMgO层2包括：通过分子束外延工艺(MBE)、或金属有机化合物化学气相沉积工艺(MOCVD)、或磁控溅射工艺形成所述ZnMgO层2。
步骤S13：如图3和图4所示，在所述电极区域形成电极3，所述电极3表面具有In粒4。其中，图3为侧视图，图4为俯视图。
该步骤中，在所述电极区域形成电极3包括：
首先，在所述ZnMgO层2的表面形成金层，金层覆盖非电极区域以及电极区域，即覆盖整个ZnMgO层2的表面。所述金层的厚度5nm-300nm，包括端点值。可以通过蒸镀工艺形成所述金层。
然后，图案化所述金层，形成叉指电极3。刻蚀掉非电极区域的金层，露出非电极区域的ZnMgO层2，形成叉指电极3。可以通过光刻以及湿法刻蚀工艺对所述金层进行图案化，形成所述叉指电极3。如图5所示，所述叉指电极3包括两个相对的电极单元30，电极单元30包括多个叉指31以及与叉指31连接的端部32。两个电极单元30的叉指31交替排布，且具有间隙。每个电极单元30中，叉指31的个数为10-25，包括端点值。相邻两个叉指31的间距L1为2μm-10μm，包括端点值。叉指31的长度L3为0.5mm-2mm，包括端点值。叉指31的宽度L2为2μm-10μm，包括端点值。
最后，在所述叉指电极3上设置In粒4。所述In粒4为直径大于0.5mm的圆柱形结构。
步骤S14：如图5所示，对所述非电极区域进行氟修饰处理，使得所述非电极区域具有含氟的官能团。
其中，所述官能团用于增加对氧气的吸附量以及吸附速率。
该步骤中，所述对所述非电极区域进行氟修饰处理包括：首先，将所述ZnMgO层2浸没在含氟的溶液中预设时间，以形成所述官能团；然后，通过去离子水清洗后，进行干燥处理。具体的，所述干燥处理为通过氮气进行吹干处理。由于非电极区域的ZnMgO层2未被所述电极3覆盖遮挡，将于溶液反应，在非电极区域的ZnMgO层2的表面形成所述官能团。
可选的，所述预设时间为0.01s-24h；所述溶液中氟的浓度为1*10-6mol/L-10mol/L，包括端点值。所述溶液为HF溶液、或KF溶液、或NaF溶液、或三氟乙酸溶液、或三氟甲磺酸溶液、或三氟丙酸溶液。
ZnMgO层2在溶液浸泡预设时间后，未被电极覆盖的非电极区域与溶液反应，在非电极区域的ZnMgO层2的表面形成氟修饰的ZnMgO层21，该氟修饰的ZnMgO层21具有含氟的官能团，能够增加对氧气的吸附量以及吸附速率。
本发明实施例所述制作方法制作的紫外探测器为MSM结构的ZnMgO紫外探测器。ZnMgO层2表面通过一金属层形成电极3。该电极包括两个电极单元30，两个电极单元30与ZnMgO层2构成MSM结构。
所述制作方法中，通过对非电极区域的ZnMgO层2进行氟修饰处理，使得非电极区域的ZnMgO层2具有含氟的官能团，所述含氟的官能团可以增加对氧气的吸附量，从而提高响应度，降低暗电流，且所述含氟的官能团可以增加对氧气的吸附速率，从而降低响应时间。
下面结合具体的实验例，对本发明实施例所述制作方法制作的紫外探测器的性能进行验证。
可以采用分子束外延设备在蓝宝石衬底上形成ZnMgO层，然后通过热蒸发蒸镀50nm的金层。再通过光刻和湿法刻蚀工艺刻蚀金层，形成叉指电极，叉指电极的指间距是5μm，叉指电极的每个电极单元中叉指个数为10，叉指的长度是0.5mm，叉指的宽度是5μm。再在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。再将ZnMgO层浸没在浓度为1*10- 4mol/L的HF溶液中10s，然后用去离子水洗干净，最后用干燥的氮气吹干，得到氟修饰的ZnMgO层。所制备的ZnMgO紫外探测器的性能如图6-图8所示。
如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种ZnMgO紫外探测器氟修饰前后的I-V曲线。通过图6可知，在10V偏压时，未修饰的器件的暗电流是0.7pA，经过氟修饰后的暗电流降低为0.4pA。
如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种ZnMgO紫外探测器氟修饰前后的光响应曲线。通过图7可知，在10V偏压时，未修饰的器件的峰值响应度是145A/W，经过氟修饰后的峰值响应度提升为326A/W。
如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种ZnMgO紫外探测器氟修饰前后的响应时间曲线。通过图8可知，在10V偏压时，未修饰的器件的响应时间是4.6ms，经过氟修饰后的响应时间降低为0.34ms。
为了检测反应时间对紫外探测器性能的影响，通过对比实验表明，当ZnMgO层与溶液的反应时间分别为1s、5s以及20s时，所制备的ZnMgO紫外探测器的暗电流分别是0.6pA，0.5pA，0.4pA；响应度分别是185A/W，285A/W，360A/W；响应时间分别为3.1ms，1ms，0.3ms。最终实验结果表明，在所述制作方法中，ZnMgO层与溶液的最佳反应时间的10s-20s，此时，ZnMgO紫外探测器具有较好的暗电流、响应度以及响应时间。
在本发明实施例所述制作方法中，在制作ZnMgO紫外探测器时，形成电极3之后再进行氟修饰处理，避免了先氟修饰再形成电极，导致ZnMgO和金属电极材料之间的接触性质发生变化。
通过对所制作的紫外探测器的光响应特征曲线、暗电流以及响应时间进行测试，测试结果表面，本发明实施例所述制作方法可以同时优化紫外探测器的响应度、暗电流以及响应时间这三个特性。具体，可以使用带紫外增强氙灯和锁相放大器的光响应测试系统来测定光响应特征曲线，使用半导体分析仪测试紫外探测器的暗电流，使用示波器和脉冲激光光源测试紫外探测器的响应时间。
基于上述制作方法实施例，本发明另一实施例还提供了一种紫外探测器，该紫外探测器采用上述制作方法制作。所述紫外探测器的结构如上图3-图5所示。
所述紫外探测器包括：衬底1；位于所述衬底1表面的ZnMgO层2，所述ZnMgO层2的表面包括电极区域以及非电极区域，所述非电极区域经过氟修饰处理，层具有含氟的官能团；位于所述电极区域的电极3，所述电极3表面具有In粒4；其中，所述官能团用于增加对氧气的吸附量以及吸附速率。所述非电极区域经过氟修饰处理后，形成氟修饰的ZnMgO层21。
可选的，所述电极3为金电极，厚度为5nm-300nm，包括端点值。所述电极3为叉指电极。所述In粒4为直径大于0.5mm的圆柱形结构。
本发明实施例所述紫外探测器具有含氟的官能团的ZnMgO层，所述含氟的官能团可以增加对氧气的吸附量，从而提高响应度，降低暗电流，且所述含氟的官能团可以增加对氧气的吸附速率，从而降低响应时间。可见，本发明实施例所述紫外探测器可以同时优化紫外探测器的响应度、暗电流以及响应时间这三个特性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的紫外探测器而言，由于其与实施例公开的制作方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见制作方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底表面形成ZnMgO层；所述ZnMgO层的表面包括电极区域以及非电极区域；
在所述电极区域形成电极，所述电极表面具有In粒；
对所述非电极区域进行氟修饰处理，使得所述非电极区域具有含氟的官能团；进行氟修饰处理包括：将所述ZnMgO层浸没在含氟的溶液中预设时间，以形成所述官能团；通过去离子水清洗后，进行干燥处理；
其中，所述官能团用于增加对氧气的吸附量以及吸附速率。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述衬底表面形成ZnMgO层包括：
通过分子束外延工艺、或金属有机化合物化学气相沉积工艺、或磁控溅射工艺形成所述ZnMgO层。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述预设时间为0.01s-24h；
所述溶液中氟的浓度为1*10-6mol/L-10mol/L，包括端点值。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述溶液为HF溶液、或KF溶液、或NaF溶液、或三氟乙酸溶液、或三氟甲磺酸溶液、或三氟丙酸溶液。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述电极区域形成电极包括：
在所述ZnMgO层的表面形成金层；
图案化所述金层，形成叉指电极；
在所述叉指电极上设置In粒。
6.一种紫外探测器，其特征在于，所述紫外探测器包括：
衬底；
位于所述衬底表面的ZnMgO层，所述ZnMgO层的表面包括电极区域以及非电极区域；所述非电极区域经过经过氟修饰处理，具有含氟的官能团；进行氟修饰处理包括：将所述ZnMgO层浸没在含氟的溶液中预设时间，以形成所述官能团；通过去离子水清洗后，进行干燥处理；
位于所述电极区域的电极，所述电极表面具有In粒；
其中，所述官能团用于增加对氧气的吸附量以及吸附速率。
7.根据权利要求6所述的紫外探测器，其特征在于，所述电极为金电极，厚度为5nm-300nm，包括端点值。
8.根据权利要求6所述的紫外探测器，其特征在于，所述电极为叉指电极。
9.根据权利要求6所述的紫外探测器，其特征在于，所述In粒为直径大于0.5mm的圆柱形结构。
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