CN109037389A - 一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及紫外探测器技术领域，具体涉及一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器及其制备方法。该紫外探测器包括底材、设置于底材上表面的复合层、以及对称卡设于复合层两侧的金属电极；复合层包括电极层、SiO2/Si3N4复合绝缘层、IGZO沟道层和纳米金属颗粒，SiO2/Si3N4复合绝缘层呈倒扣状包覆于电极层的表面；金属电极下表面与底材上表面连接；纳米金属颗粒在IGZO沟道层上表面的分布密度为1*106‑1*1012/cm2。本发明的紫外探测器采用薄膜晶体管型的特殊结构，暗电流较小，当有紫外光照射时，IGZO沟道层能吸收紫外光产生光载流子，形成较大的源漏电流，形成紫外探测器的光电流，紫外探测敏感度高。

Description

一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及紫外探测器技术领域，具体涉及一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测是以紫外光辐射的大气传输与衰减的检测、以及高性能紫外光学传感器为基础的一门新技术，其应用范围非常广，包括用于自动化控制、火焰监控、污染监测、臭氧监测等，而在最尖端军事科技的紫外报警、紫外通信、宇宙飞船监测、识别宇宙射线监测、空间通讯、定位焊接以及工作于极其恶劣环境下的发动机监控等领域。
虽然军事上、民用上都对紫外探测器有着迫切的需要，但目前市场上主流的光电倍增管和硅基紫外光电管，仍无法满足高性能、高可靠性的紫外探测的需求。光电倍增管需要在高电压下工作，而且体积笨重、易损坏，对于实际应用具有一定的局限性。硅基紫外光电管需要附带滤光片，这无疑会增加制造的复杂性并降低性能。因此，为了避免使用昂贵的滤光器，实现紫外探测器在太阳盲区下运行，以材料和制备技术较为成熟的SiC、GaN、ZnO为代表的宽禁带半导体紫外探测器引起了紫外探测领域的关注。
目前，世界各国所研制的宽禁带半导体紫外探测器还未达到广泛的商品化程度，影响半导体紫外探测器性能的因素有很多，主要问题有以下几点：1)宽禁带半导体材料的生长技术；2)宽禁带半导体紫外探测器的关键工艺技术；3)探测器结构的设计与优化。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，该紫外探测器采用薄膜晶体管型的特殊结构，使得紫外探测器的暗电流较小、响应时间短、灵敏度高，当有紫外光照射时，IGZO沟道层能吸收紫外光产生光载流子，形成较大的源漏电流，并产生光电流，使得紫外探测器的电导率增加，实现较高的紫外探测敏感度。
本发明的另一目的在于提供一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，该方法操作步骤简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，适合大规模生产制备，制得的紫外探测器具有极小的暗电流，具有较高的紫外探测灵敏度。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，包括底材、设置于所述底材上表面的复合层、以及对称卡设于所述复合层两侧的金属电极；所述复合层包括电极层、SiO2/Si3N4复合绝缘层、IGZO沟道层和纳米金属颗粒，所述电极层的下表面与所述底材的上表面连接，所述SiO2/Si3N4复合绝缘层呈倒扣状包覆于所述电极层的表面，所述IGZO沟道层设置于所述SiO2/Si3N4复合绝缘层的上表面，所述纳米金属颗粒分布于所述IGZO沟道层的上表面；所述SiO2/Si3N4复合绝缘层的两侧和IGZO沟道层的两侧均与所述金属电极连接，且所述金属电极顶部的水平面低于所述IGZO沟道层顶部的水平面，所述金属电极的下表面与所述底材的上表面连接；所述纳米金属颗粒在IGZO沟道层上表面的分布密度为1*106-1*1012/cm2。
本发明的紫外探测器采用薄膜晶体管型的特殊结构，使得紫外探测器的暗电流较小、响应时间短、灵敏度高，当有紫外光照射时，IGZO沟道层吸收紫外光产生光载流子，形成较大的源漏电流，并产生光电流，使得紫外探测器的电导率增加，实现较高的紫外探测敏感度，用于紫外探测时量子率高，噪声低，响应速度快，光谱响应峰值在紫外波段，对波长大于400nm的可见光和红外光无阻碍的透过，可见光抑制比高，不需要另外加滤光片就能直接用来测量紫外线辐照强度，测量精度较高。
而通过在IGZO沟道层表面分布有纳米金属颗粒，能有效提高探测器的灵敏度和响应时间，金属纳米颗粒相当于一个光学天线，可以克服衍射极限，将外部空间中的光辐射聚焦到纳米尺度的紫外探测器上，加强器件对紫外光的有效吸收，且采用纳米级金属颗粒修饰之后与IGZO沟道层表面的接触面积相对较小，不会因颗粒之间的相连而造成氧化表面的短路现象，而且金属纳米粒子在吸收更多的外部空间福射后，产生大量电子的集体振荡，在纳米颗粒与半导体材料界面，増强了光与物质相互作用，提髙了光电探測器的量子效率，提高了探测器的光电转化能力，降低了器件表面电容的影响，极大地提高了探测器的响应速度。
而通过采用SiO2/Si3N4复合绝缘层，能阻挡电极层的金属杂质扩散到IGZO沟道层或金属电极中，也能阻挡IGZO沟道层或金属电极中的成分扩散到电极层中，避免增大了紫外探测器的暗电流，进而避免影响了紫外探测器的灵敏度；其中，SiO2能阻挡层间成分的相互扩散，使各层的p-n结免受周围环境杂质的污染，而Si3N4的遮蔽能力强，既能掩蔽SiO2所能掩蔽的硼、磷、砷等杂质的扩散，并能掩蔽SiO2所不能掩蔽的镓、锌、氧等杂质的扩散，且介电强度高，具有较高的击穿电压和较薄的钝化膜，稳定性高，同时惰性低；通过将SiO2和Si3N4复合使用作为绝缘层，能使电子在SiO2/Si3N4复合绝缘层中的导电速率较低，进而降低了紫外探测器的暗电流，有效阻止空穴和电子的注入，绝缘效果佳，稳定性高，提高了灵敏度。
而本发明通过严格控制纳米金属颗粒在IGZO沟道层上表面的分布密度，使得IGZO沟道层表面的接触面积相对较小，不会因颗粒之间的相连而造成氧化表面的短路现象，并能吸收更多的外部空间福射后，产生大量电子的集体振荡，在纳米颗粒与半导体材料界面，増强了光与物质相互作用，提髙了光电探測器的量子效率，提高了探测器的光电转化能力，提高了探测器的响应速度和灵敏度。
优选的，所述底材为低阻Si层，所述低阻Si层的电阻率为0.01-3.0Ω·cm。
本发明通过采用低阻Si层，并严格控制低阻Si层的电阻率，能使紫外探测器具有较低的暗电流，在紫外探测时受到较小的干扰，提高了响应速度，探测灵敏度高。
优选的，所述纳米金属颗粒为Au、Pt、Ag或Al，所述纳米金属颗粒的粒径为5-20nm。
本发明通过采用上述种类的纳米金属颗粒，对紫外光有较佳的吸收作用，能克服衍射极限，将外部空间中的光辐射聚焦到纳米尺度的紫外探测器上，提高了探测器的光电转化能力和响应速度，提高了紫外探测的灵敏度；而通过严格控制纳米金属颗粒的粒径，能降低金属颗粒与IGZO沟道层表面的接触面积，使得不会因颗粒之间的相连而造成氧化表面的短路现象，而且较小粒径的纳米金属颗粒在吸收更多的外部空间福射后，产生大量电子的集体振荡，在纳米颗粒与半导体材料界面，増强了光与物质相互作用，提髙了紫外探测器的量子效率、光电转化能力和响应速度，降低了表面电容的影响，提高了紫外探测的灵敏度。更为优选的，所述纳米金属颗粒的粒径为5nm、9nm、13nm、17nm或20nm。
一种如上所述的氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
A、IGZO前驱体的制备：按照重量份，将醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓溶解于溶剂中，超声处理后加入稳定剂，在室温下搅拌，制得IGZO前驱体；
B、半成品的制备：在底材上依次设置导电层和SiO2/Si3N4复合绝缘层，然后在纯度为99.999％的Al颗粒作为蒸发源蒸镀Al电极，制得半成品；
C、IGZO沟道层的制备：将IGZO前驱体旋涂至步骤B制得的半成品的SiO2/Si3N4复合绝缘层上，然后进行退火处理，反复进行旋涂和退火2-6次，制得IGZO沟道层；
D、成品的制备：将步骤C制有IGZO沟道层的半成品进行热蒸发，以纯度为99.999％的纳米金属颗粒作为蒸发源，在IGZO沟道层上蒸镀纳米金属颗粒，制得氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器。
本发明紫外探测器的制备方法操作步骤简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，适合大规模生产制备，制得的紫外探测器具有极小的暗电流，具有较高的紫外探测灵敏度。通过采用溶胶凝胶法制备IGZO前驱体，能使制得的紫外探测敏感度高，在紫外探测时量子率高，噪声低，响应速度快，光谱响应峰值在紫外波段，紫外探测灵敏度高。
其中，通过在制备Al电极后再制备IGZO沟道层，能避免制备完IGZO沟道层后制备金属电极的过程中，IGZO沟道层受到制备金属电极的高温及等离子影响，进而影响到IGZO沟道层的载流子迁移率，使制得的紫外探测器性能稳定，具有较高的载流子迁移率，且暗电流小、量子率高、噪声低，响应速度快，灵敏度高，当有紫外光照射时，性能稳定的IGZO沟道层吸收紫外光产生光载流子，形成较大的源漏电流，并产生光电流，使得紫外探测器的电导率增加，实现较高的紫外探测敏感度。
优选的，所述步骤A中，所述IGZO前驱体中的总金属离子的摩尔浓度为0.1-1.0mol/L，稳定剂与总金属离子的摩尔比为0.8-1.2:1。
而通过严格控制IGZO前驱体中的总金属离子的摩尔浓度，能保证制得的紫外探测器具有暗电流小、量子率高、噪声低、响应速度快等优点，当有紫外光照射时，制得的IGZO沟道层吸收紫外光产生光载流子，形成较大的源漏电流，并产生光电流，使得紫外探测器的电导率增加，实现较高的紫外探测敏感度；若总金属离子的摩尔浓度过高，则容易使得紫外探测器具有较大的暗电流，影响紫外探测灵敏度；若总金属离子的摩尔浓度过低，则容易降低紫外探测器的载流子迁移率，进而使得响应时间较长，响应速度较慢，降低了紫外探测灵敏度。
而通过严格控制稳定剂与总金属离子的摩尔比，能提高IGZO前驱体的稳定性，使紫外探测器具有较佳的载流子迁移率，响应速度快，灵敏度高，并能在纳米颗粒与半导体材料界面，増强了光与物质相互作用，提髙了紫外探测器的量子效率和光电转化能力。
优选的，所述步骤A中，所述IGZO前驱体中的金属离子摩尔比为In3+：Ga3+：Zn2+＝x：(1-x)：1，其中x＝0.2-0.5。
本发明IGZO前驱体制得的IGZO沟道层并非由ZnO掺杂In和Ga元素得到的，IGZO沟道层的载流子运输机理与掺杂ZnO的载流子运输机理也并不相同，是通过In和Ga元素的原子轨道交叠形成共有化运动，从而提供载流子足够的运动空间，因此，本发明通过严格控制In3+、Ga3+、Zn2+三者的金属离子摩尔比，能使制得的IGZO沟道层具有较高的载流子迁移率，且暗电流小、量子率高、噪声低，响应速度快，灵敏度高，当有紫外光照射时，制得的IGZO沟道层吸收紫外光产生光载流子，形成较大的源漏电流，并产生光电流，使得紫外探测器的电导率增加，实现较高的紫外探测敏感度；其中，In3+能提高紫外探测器的电子迁移率，Ga3+能抑制紫外探测器的载流子浓度，Zn2+能使紫外探测器形成稳定的非结晶结构。
优选的，所述稳定剂为乙醇胺、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇，所述溶剂为乙二醇甲醚或乙醇。
本发明通过采用上述种类的稳定剂，能提高醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓三者的空间稳定性，不影响IGZO前驱体与金属电极的相容性，提高IGZO前驱体的稳定性，使紫外探测器具有较佳而稳定的载流子迁移率，响应速度快，灵敏度高，并能在纳米颗粒与制得的IGZO沟道层界面，増强了光与物质相互作用，提髙了紫外探测器的量子效率和光电转化能力。
而本发明通过采用上述种类的溶剂，能提高各原料的溶解度，促进IGZO前驱体的原料分散溶解及后续旋涂的延展性，形成均匀且稳定的IGZO沟道层，能吸收紫外光产生光载流子，形成较大的源漏电流，并产生光电流，使得紫外探测器的电导率增加，实现较高的紫外探测敏感度。
优选的，所述步骤A中，超声处理的频率为50-250kHz，超声处理的时间为5-20min；搅拌的转速为500-1500rpm，搅拌的时间为30min-24h。
本发明通过采用超声处理能将醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓充分溶解于溶剂中，并通过严格控制超声处理频率和超声时间，能使醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓充分溶解，充分反应，制备稳定的IGZO沟道层，且利用IGZO沟道层的载流子迁移率使紫外探测器暗电流小，量子率高，响应速度快，提高了紫外探测器的灵敏度；而通过严格控制加入稳定剂后的搅拌转速和时间，能使各原料充分互溶，充分反应，提高IGZO沟道层的稳定性，并结合在金属电极制备完成后再制备IGZO沟道层的工艺操作，能显著提高IGZO沟道层的稳定性和紫外探测器的载流子迁移率，紫外探测灵敏度高。
优选的，所述步骤A之后还包括步骤A1：将步骤A制得的IGZO前驱体通过孔径为0.15-0.21μm的滤头进行过滤，然后陈化12-36h，得到稳定状态的IGZO前驱体。
本发明通过将IGZO前驱体进行过滤并陈化，能有效提高IGZO前驱体的稳定性，避免IGZO前驱体中的杂质在后续旋涂和退火步骤中受温度的影响而降低IGZO前驱体的性能稳定性，能使制得的紫外探测敏感度高，在紫外探测时量子率高，噪声低，响应速度快，光谱响应峰值在紫外波段，紫外探测灵敏度高。
优选的，所述步骤C中，旋涂的转速为4500-5500rpm，旋涂时间为20-30s，退火温度为150-600℃，退火时间为3-8min。
本发明通过严格控制IGZO前驱体的旋涂转速和时间，能使IGZO前驱体均匀地旋涂于绝缘层表面，利用旋转的离心力将IGZO前驱体的甩开成膜，形成厚度较薄且稳定易干燥的薄层，易于后续退火步骤将IGZO前驱体的干燥成型，可重复性高，可控性好，能使制得的紫外探测敏感度高，在紫外探测时量子率高，噪声低，响应速度快，光谱响应峰值在紫外波段，紫外探测灵敏度高。
而本发明通过严格控制退火的温度和时间，能减少IGZO前驱体的缺陷态，重组IGZO沟道层的形态，同时能补偿制备IGZO沟道层过程中失O导致的空位，使得IGZO沟道层的性能达到平衡稳定的状态，而退火温度也影响着IGZO沟道层的光透过率、载流子迁移率和阈值电压，经500℃高温退火处理后，仍能保持优良的非晶态特征，且光透光率可达90％以上，但若退火温度过低或时间过短，则会使制得的IGZO沟道层透光率较低，并降低了紫外探测器的载流子迁移率和灵敏度。
本发明的有益效果在于：本发明的紫外探测器采用薄膜晶体管型的特殊结构，使得紫外探测器的暗电流较小，当有紫外光照射时，IGZO沟道层能吸收紫外光产生光载流子，形成较大的源漏电流，形成紫外探测器的光电流，紫外探测敏感度高；而通过在IGZO沟道层表面分布有纳米金属颗粒，并严格控制纳米金属颗粒在IGZO沟道层上表面的分布密度，使得IGZO沟道层表面的接触面积相对较小，不会因颗粒之间的相连而造成氧化表面的短路现象，并能吸收更多的外部空间福射后，产生大量电子的集体振荡，在纳米颗粒与半导体材料界面，増强了光与物质相互作用，提髙了紫外探測器的量子效率光电转化能力，提高了探测器的响应速度和灵敏度。
本发明氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法操作步骤简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，适合大规模生产制备，制得的紫外探测器具有极小的暗电流，具有较高的紫外探测灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的紫外探测器截面示意图；
图2是本发明对比例1制得的紫外探测器截面示意图；
图3是本发明实施例1在500℃下制得的IGZO沟道层表面形貌图；
图4是本发明实施例3、对比例3、对比例4、对比例5和对比例6制得的IGZO沟道层的XRD谱图。
附图标记为：1—底材、2—电极层、3—SiO2/Si3N4复合绝缘层、4—IGZO沟道层、5—纳米金属颗粒、6—金属电极。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图1-4对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
见图1，一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，包括底材1、设置于所述底材上表面的复合层、以及对称卡设于所述复合层两侧的金属电极6；所述复合层包括电极层2、SiO2/Si3N4复合绝缘层3、IGZO沟道层4和纳米金属颗粒5，所述电极层2的下表面与所述底材1的上表面连接，所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3呈倒扣状包覆于所述电极层2的表面，所述IGZO沟道层4设置于所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3的上表面，所述纳米金属颗粒5分布于所述IGZO沟道层4的上表面；所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3的两侧和IGZO沟道层4的两侧均与所述金属电极6连接，且所述金属电极6顶部的水平面低于所述IGZO沟道层4顶部的水平面，所述金属电极6的下表面与所述底材1的上表面连接；所述纳米金属颗粒5在IGZO沟道层4上表面的分布密度为1*106-1*1012/cm2。
所述底材1为低阻Si层，所述低阻Si层的电阻率为0.01-3.0Ω·cm。
所述纳米金属颗粒为Au、Pt、Ag或Al，所述纳米金属颗粒的粒径为5-20nm。
一种如上所述的氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
A、IGZO前驱体的制备：按照重量份，将醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓溶解于溶剂中，超声处理后加入稳定剂，在室温下搅拌，制得IGZO前驱体；
B、半成品的制备：在底材1上依次设置导电层和SiO2/Si3N4复合绝缘层3，然后在纯度为99.999％的Al颗粒作为蒸发源蒸镀Al电极，制得半成品；
C、IGZO沟道层4的制备：将IGZO前驱体旋涂至步骤B制得的半成品的SiO2/Si3N4复合绝缘层3上，然后进行退火处理，反复进行旋涂和退火2-6次，制得IGZO沟道层4；
D、成品的制备：将步骤C制有IGZO沟道层4的半成品进行热蒸发，以纯度为99.999％的纳米金属颗粒作为蒸发源，在IGZO沟道层4上蒸镀纳米金属颗粒5，制得氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器。
所述步骤A中，所述IGZO前驱体中的总金属离子的摩尔浓度为0.1-1.0mol/L，稳定剂与总金属离子的摩尔比为0.8-1.2:1。
所述步骤A中，所述IGZO前驱体中的金属离子摩尔比为In3+：Ga3+：Zn2+＝x：(1-x)：1，其中x＝0.2-0.5。
所述步骤A中，所述稳定剂为聚乙二醇，所述溶剂为乙醇。
所述步骤A中，超声处理的频率为50kHz，超声处理的时间为5min；搅拌的转速为500rpm，搅拌的时间为24h。
所述步骤A之后还包括步骤A1：将步骤A制得的IGZO前驱体通过孔径为0.15-0.21μm的滤头进行过滤，然后陈化12h，得到稳定状态的IGZO前驱体。
所述步骤C中，旋涂的转速为4500rpm，旋涂时间为30s，退火温度为150℃，退火时间为8min。
实施例2
本实施例与上述实施例1的区别在于：
所述稳定剂为聚乙二醇，所述溶剂为乙二醇甲醚。
所述步骤A中，超声处理的频率为100kHz，超声处理的时间为8min；搅拌的转速为800rpm，搅拌的时间为18h。
所述步骤A之后还包括步骤A1：将步骤A制得的IGZO前驱体通过孔径为0.15-0.21μm的滤头进行过滤，然后陈化18h，得到稳定状态的IGZO前驱体。
所述步骤C中，旋涂的转速为4800rpm，旋涂时间为28s，退火温度为300℃，退火时间为7min。
实施例3
本实施例与上述实施例1的区别在于：
所述稳定剂为乙醇胺，所述溶剂为乙二醇甲醚。
所述步骤A中，超声处理的频率为150kHz，超声处理的时间为12min；搅拌的转速为1000rpm，搅拌的时间为12h。
所述步骤A之后还包括步骤A1：将步骤A制得的IGZO前驱体通过孔径为0.15-0.21μm的滤头进行过滤，然后陈化24h，得到稳定状态的IGZO前驱体。
所述步骤C中，旋涂的转速为5000rpm，旋涂时间为25s，退火温度为400℃，退火时间为6min。
实施例4
本实施例与上述实施例1的区别在于：
所述稳定剂为乙醇胺，所述溶剂为乙二醇甲醚。
所述步骤A中，超声处理的频率为200kHz，超声处理的时间为16min；搅拌的转速为1300rpm，搅拌的时间为6h。
所述步骤A之后还包括步骤A1：将步骤A制得的IGZO前驱体通过孔径为0.15-0.21μm的滤头进行过滤，然后陈化30h，得到稳定状态的IGZO前驱体。
所述步骤C中，旋涂的转速为5300rpm，旋涂时间为23s，退火温度为400℃，退火时间为4min。
实施例5
本实施例与上述实施例1的区别在于：
所述稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述溶剂为乙二醇甲醚。
所述步骤A中，超声处理的频率为250kHz，超声处理的时间为20min；搅拌的转速为1500rpm，搅拌的时间为30min。
所述步骤A之后还包括步骤A1：将步骤A制得的IGZO前驱体通过孔径为0.15-0.21μm的滤头进行过滤，然后陈化36h，得到稳定状态的IGZO前驱体。
所述步骤C中，旋涂的转速为5500rpm，旋涂时间为20s，退火温度为600℃，退火时间为3min。
对比例1
本对比例与上述实施例3的区别在于：
见图2，一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，包括底材1、设置于所述底材1上表面的复合层、以及对称卡设于所述复合层两侧的金属电极6；所述复合层包括电极层2、SiO2/Si3N4复合绝缘层3、IGZO沟道层4和纳米金属颗粒5，所述电极层2的下表面与所述底材1的上表面连接，所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3呈倒扣状包覆于所述电极层2的表面，所述IGZO沟道层4设置于所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3的上表面，所述纳米金属颗粒5分布于所述IGZO沟道层4的上表面；所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3的两侧和IGZO沟道层4的两侧均与所述金属电极6连接，且所述纳米金属颗粒5设置于两个所述金属电极6之间，所述金属电极6顶部的水平面高于所述IGZO沟道层4顶部的水平面，所述金属电极6的下表面与所述底材1的上表面连接；所述纳米金属颗粒5在IGZO沟道层4上表面的分布密度为1*106-1*1012/cm2。
一种如上所述的氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
A、IGZO前驱体的制备：按照重量份，将醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓溶解于溶剂中，超声处理后加入稳定剂，在室温下搅拌，制得IGZO前驱体；
B、IGZO沟道层4的制备：在底材1上依次设置导电层和SiO2/Si3N4复合绝缘层3，然后将IGZO前驱体旋涂至SiO2/Si3N4复合绝缘层3上，然后反复进行旋涂和退火2-4次，制得IGZO沟道层4；
C、纳米金属颗粒5的制备：将步骤B制有IGZO沟道层4的底材1进行热蒸发，以纯度为99.999％的纳米金属颗粒作为蒸发源，在IGZO沟道层4上蒸镀纳米金属颗粒5；
D、成品的制备：将步骤C制有纳米金属颗粒5的底材1在纯度为99.999％的Al颗粒作为蒸发源蒸镀Al电极，最后制得氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器。
对比例2
本对比例与上述实施例3的区别在于：
一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，包括底材1、设置于所述底材1上表面的复合层、以及对称卡设于所述复合层两侧的金属电极6；所述复合层包括电极层2、SiO2绝缘层3、IGZO沟道层4和纳米金属颗粒5，所述电极层2的下表面与所述底材1的上表面连接，所述SiO2绝缘层3呈倒扣状包覆于所述电极层2的表面，所述IGZO沟道层4设置于所述SiO2绝缘层3的上表面，所述纳米金属颗粒5分布于所述IGZO沟道层4的上表面；所述SiO2绝缘层3的两侧和IGZO沟道层4的两侧均与所述金属电极6连接，且所述纳米金属颗粒5设置于两个所述金属电极6之间，所述金属电极6顶部的水平面高于所述IGZO沟道层4顶部的水平面，所述金属电极6的下表面与所述底材1的上表面连接；所述纳米金属颗粒5在IGZO沟道层4上表面的分布密度为1*106-1*1012/cm2。
一种如上所述的氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
A、IGZO前驱体的制备：按照重量份，将醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓溶解于溶剂中，超声处理后加入稳定剂，在室温下搅拌，制得IGZO前驱体；
B、半成品的制备：在底材1上依次设置导电层和SiO2绝缘层，然后在纯度为99.999％的Al颗粒作为蒸发源蒸镀Al电极，制得半成品；
C、IGZO沟道层4的制备：将IGZO前驱体旋涂至步骤B制得的半成品的SiO2绝缘层3上，然后进行退火处理，反复进行旋涂和退火2-4次，制得IGZO沟道层4；
D、成品的制备：将步骤C制有IGZO沟道层4的半成品进行热蒸发，以纯度为99.999％的纳米金属颗粒作为蒸发源，在IGZO沟道层4上蒸镀纳米金属颗粒5，制得氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器。
对比例3
本对比例与上述实施例3的区别在于：
氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法中，所述步骤C中，旋涂的转速为5000rpm，旋涂时间为25s，退火温度为300℃，退火时间为6min。
对比例4
本对比例与上述实施例3的区别在于：
氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法中，所述步骤C中，旋涂的转速为5000rpm，旋涂时间为25s，退火温度为500℃，退火时间为6min。
对比例5
本对比例与上述实施例3的区别在于：
氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法中，所述步骤C中，旋涂的转速为5000rpm，旋涂时间为25s，退火温度为600℃，退火时间为6min。
对比例6
本对比例与上述实施例3的区别在于：
氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法中，所述步骤C中，旋涂的转速为5000rpm，旋涂时间为25s，退火温度为700℃，退火时间为6min。
对比例7
本对比例与上述实施例3的区别在于：
一种如上所述的氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
A、IGZO前驱体的制备：按照重量份，将醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓溶解于溶剂中，超声处理后加入稳定剂，在室温下搅拌，制得IGZO前驱体；
B、半成品的制备：在底材1上依次设置导电层和SiO2/Si3N4复合绝缘层3，然后在纯度为99.999％的Al颗粒作为蒸发源蒸镀Al电极，制得半成品；
C、IGZO沟道层4的制备：将IGZO前驱体旋涂至步骤B制得的半成品的SiO2/Si3N4复合绝缘层3上，然后进行红外加热照射处理，制得IGZO沟道层4；
D、成品的制备：将步骤C制有IGZO沟道层4的半成品进行热蒸发，以纯度为99.999％的纳米金属颗粒作为蒸发源，在IGZO沟道层4上蒸镀纳米金属颗粒5，制得氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器。
所述步骤C中，旋涂的转速为5000rpm，旋涂时间为25s，红外加热照射的温度为120-250℃，照射时间为5-60min。
对比例8
一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，包括底材1、设置于所述底材上表面的复合层、以及对称卡设于所述复合层两侧的金属电极6；所述复合层包括电极层2、SiO2/Si3N4复合绝缘层3和IGZO沟道层4，所述电极层2的下表面与所述底材1的上表面连接，所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3呈倒扣状包覆于所述电极层2的表面，所述IGZO沟道层4设置于所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3的上表面；所述SiO2/Si3N4复合绝缘层3的两侧和IGZO沟道层4的两侧均与所述金属电极6连接，且所述金属电极6顶部的水平面低于所述IGZO沟道层4顶部的水平面，所述金属电极6的下表面与所述底材1的上表面连接。
一种如上所述的氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
A、IGZO前驱体的制备：按照重量份，将醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓溶解于溶剂中，超声处理后加入稳定剂，在室温下搅拌，制得IGZO前驱体；
B、半成品的制备：在底材1上依次设置导电层和SiO2/Si3N4复合绝缘层3，然后在纯度为99.999％的Al颗粒作为蒸发源蒸镀Al电极，制得半成品；
C、IGZO沟道层4的制备：将IGZO前驱体旋涂至步骤B制得的半成品的SiO2/Si3N4复合绝缘层3上，然后进行退火处理，反复进行旋涂和退火2-4次，制得IGZO沟道层4，最后制得氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器。
对上述实施例1-5以及对比例1-8制得的紫外探测器进行载流子迁移率、开关电流比、亚阈值、灵敏度等测试，测试数据如下所示：
由上述数据可知，本发明的紫外探测器具有较佳的载流子迁移率、开关电流比和阈值电压，提高了紫外探测器的电导率，降低了紫外探测器的暗电流，响应速度快，响应时间短，使紫外探测器具有较佳的紫外灵敏度。
与对比例1相比，对比例1的紫外探测器制备方法中，先将IGZO前驱体旋涂于绝缘层上再蒸镀金属电极6，先行制得的IGZO沟道层4受到制备金属电极6过程中的高温及等离子影响，降低了载流子迁移率和稳定性，且开关电流比、阈值电压均明显较低，降低了灵敏度较低；说明本发明通过在制备Al电极后再制备IGZO沟道层4，能避免制备完IGZO沟道层4后制备金属电极6的过程中，IGZO沟道层4受到制备金属电极6的高温及等离子影响，使制得的紫外探测器性能稳定，具有较高的载流子迁移率，且暗电流小、量子率高、噪声低，响应速度快，灵敏度高。
与对比例2相比，对比例2的绝缘层采用SiO2单一绝缘材料，载流子迁移率、开关电流比和阈值电压均较低，绝缘性能低，使制得的紫外探测器容易产生较大的暗电流，降低了灵敏度；说明本发明通过采用SiO2/Si3N4复合绝缘层3，介电性能优异，绝缘性能佳，能有效阻挡电极层2的金属杂质扩散到IGZO沟道层4或金属电极6中，也能阻挡IGZO沟道层4或金属电极6中的成分扩散到电极层2中，使紫外探测器具有较小的暗电流，灵敏度高。
与对比例3-6相比，对比例3-6以及实施3对于IGZO前驱体的退火温度进行控制及对照实验研究，在600°及以下退火的测试样品，呈现非晶态结构，其中温度为400℃的实施例3的性能为最佳，载流子迁移率、开关电流比和阈值电压均达到最佳值，灵敏度高，而退火温度达到700℃时，开始出现结晶形态，载流子迁移率显著降低，开关电流比、阈值电压和灵敏度均明显较低，说明过高的退火温度降低了紫外探测器的综合探测性能。
与对比例7相比，对比例7的IGZO前驱体通过红外加热照射形成IGZO沟道层4，载流子迁移率、开关电流比和阈值电压与本发明的相比均明显较低，灵敏度同样较低，说明采用红外加热照射的方式会降低紫外探测器的综合探测性能，而本发明通过采用旋涂和退火的方式制备IGZO沟道层4，易于控制工艺步骤，且制得的紫外探测器非晶形态结构较佳，响应速度快，量子率高，噪声低，灵敏度高。
与对比例8相比，对比例8在IGZO沟道层4表面并没有设置纳米金属颗粒，使制得的紫外探测器的载流子迁移率、开关电流比和阈值电压均显著较低，灵敏度较低；说明本发明通过在IGZO沟道层4表面分布有纳米金属颗粒5，能有效提高探测器的灵敏度和响应时间，其中的金属纳米颗粒相当于一个光学天线，可以克服衍射极限，将外部空间中的光辐射聚焦到纳米尺度的紫外探测器上，加强器件对紫外光的有效吸收，且采用纳米级金属颗粒修饰之后与IGZO沟道层4表面的接触面积相对较小，不会因颗粒之间的相连而造成氧化表面的短路现象，而且金属纳米粒子在吸收更多的外部空间福射后，产生大量电子的集体振荡，在纳米颗粒与半导体材料界面，増强了光与物质相互作用，提髙了光电探測器的量子效率，提高了探测器的光电转化能力，降低了器件表面电容的影响，极大地提高了探测器的响应速度，提高了灵敏度。
另外，对实施例1-5以及对比例2制得的紫外探测器中的绝缘层进行韧性、弯曲强度、弹性模量、介电常数、介电损耗角正切值等测试，测试结果如下所示：
由上述数据可知，对比例2采用SiO2单一材料作为绝缘层，韧性、弯曲强度、弹性模量等力学性能明显较低，降低了绝缘层和紫外探测器的质量稳定性，且介电常数较低，电子空穴结合能大，自由载流子浓度相对较低，载流子迁移率也相对较低，降低了响应速度和灵敏度，且介电损耗角正切值相对较大，材料本身的能量损耗大，降低了绝缘性能，使得紫外探测器容易产生较大的暗电流，降低了灵敏度。
因此，本发明通过采用SiO2/Si3N4复合绝缘层3，具有较佳的韧性、弯曲强度、弹性模量、介电常数和介电损耗角正切值等综合性能，介电性能优异，绝缘性能佳，能有效阻挡电极层2的金属杂质扩散到IGZO沟道层4或金属电极6中，也能阻挡IGZO沟道层4或金属电极6中的成分扩散到电极层2中，避免增大了紫外探测器的暗电流，进而避免影响了紫外探测器的灵敏度；通过将SiO2和Si3N4复合使用作为绝缘层，能使电子在SiO2/Si3N4复合绝缘层3中的导电速率较低，进而降低了紫外探测器的暗电流，有效阻止空穴和电子的注入，绝缘效果佳，稳定性高，提高了灵敏度。
此外，对实施例3制得的IGZO沟道层4进行AFM表面分析，分析得到的表面形貌图如图3所示；而由图3的AFM表面分析可知，经过500℃退火后的IGZO膜，呈现为非晶态结构，且具有较高的迁移率，且表面的纳米金属颗粒相当于一个光学天线，能有效提高探测器的灵敏度和响应时间，可以克服衍射极限，将外部空间中的光辐射聚焦到纳米尺度的紫外探测器上，加强器件对紫外光的有效吸收，且采用纳米级金属颗粒修饰之后与IGZO沟道层4表面的接触面积相对较小，不会因颗粒之间的相连而造成氧化表面的短路现象，而且金属纳米粒子在吸收更多的外部空间福射后，产生大量电子的集体振荡，在纳米颗粒与半导体材料界面，増强了光与物质相互作用，提髙了光电探測器的量子效率，提高了探测器的光电转化能力，降低了器件表面电容的影响，极大地提高了探测器的响应速度。
并对实施例3以及对比例3-6制得的紫外探测器进行XRD测试，对样品进行结晶状态实验，测试结果如图4所示(图4XRD谱图中由下至上依次为退火300℃、400℃、500℃、600℃、700℃的线谱，分别对应实施例3、对比例3、对比例4、对比例5和对比例6)；由图中XRD图可知，在600℃及以下退火的测试样品，呈现非晶态结构，其中温度为400℃时的峰线较为平滑，说明退火温度为400℃左右时的样品非晶形态最佳，杂质最少，载流子迁移率较高，紫外探测器的灵敏度较佳；而当退火温度达到700℃时，则开始出现结晶形态，降低了载流子迁移率和紫外探测器的灵敏度。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，其特征在于：包括底材、设置于所述底材上表面的复合层、以及对称卡设于所述复合层两侧的金属电极；所述复合层包括电极层、SiO2/Si3N4复合绝缘层、IGZO沟道层和纳米金属颗粒，所述电极层的下表面与所述底材的上表面连接，所述SiO2/Si3N4复合绝缘层呈倒扣状包覆于所述电极层的表面，所述IGZO沟道层设置于所述SiO2/Si3N4复合绝缘层的上表面，所述纳米金属颗粒分布于所述IGZO沟道层的上表面；所述SiO2/Si3N4复合绝缘层的两侧和IGZO沟道层的两侧均与所述金属电极连接，且所述金属电极顶部的水平面低于所述IGZO沟道层顶部的水平面，所述金属电极的下表面与所述底材的上表面连接；所述纳米金属颗粒在IGZO沟道层上表面的分布密度为1*106-1*1012/cm2。
2.根据权利要求1所述的一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，其特征在于：所述底材为低阻Si层，所述低阻Si层的电阻率为0.01-3.0Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器，其特征在于：所述纳米金属颗粒为Au、Pt、Ag或Al，所述纳米金属颗粒的粒径为5-20nm。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、IGZO前驱体的制备：按照重量份，将醋酸锌、硝酸铟、硝酸镓溶解于溶剂中，超声处理后加入稳定剂，在室温下搅拌，制得IGZO前驱体；
B、半成品的制备：在底材上依次设置导电层和SiO2/Si3N4复合绝缘层，然后在纯度为99.999％的Al颗粒作为蒸发源蒸镀Al电极，制得半成品；
C、IGZO沟道层的制备：将IGZO前驱体旋涂至步骤B制得的半成品的SiO2/Si3N4复合绝缘层上，然后进行退火处理，反复进行旋涂和退火2-6次，制得IGZO沟道层；
D、成品的制备：将步骤C制有IGZO沟道层的半成品进行热蒸发，以纯度为99.999％的纳米金属颗粒作为蒸发源，在IGZO沟道层上蒸镀纳米金属颗粒，制得氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器。
5.根据权利要求4所述的一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，所述IGZO前驱体中的总金属离子的摩尔浓度为0.1-1.0mol/L，稳定剂与总金属离子的摩尔比为0.8-1.2:1。
6.根据权利要求4所述的一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，所述IGZO前驱体中的金属离子摩尔比为In3+：Ga3+：Zn2+＝x：(1-x)：1，其中x＝0.2-0.5。
7.根据权利要求4所述的一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，所述稳定剂为乙醇胺、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇，所述溶剂为乙二醇甲醚或乙醇。
8.根据权利要求4所述的一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，超声处理的频率为50-250kHz，超声处理的时间为5-20min；搅拌的转速为500-1500rpm，搅拌的时间为30min-24h。
9.根据权利要求4所述的一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤A之后还包括步骤A1：将步骤A制得的IGZO前驱体通过孔径为0.15-0.21μm的滤头进行过滤，然后陈化12-36h，得到稳定状态的IGZO前驱体。
10.根据权利要求4所述的一种氧化物基薄膜晶体管型紫外探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤C中，旋涂的转速为4500-5500rpm，旋涂时间为20-30s，退火温度为150-600℃，退火时间为3-8min。
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