CN109148640A - 一种多孔有源层场效应紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种多孔有源层场效应紫外探测器及其制备方法，探测器包括SiO2/Si衬底、多孔有源层、源电极和漏电极，SiO2/Si衬底包括下方的Si层和上方的SiO2层，其中Si层为栅电极，SiO2层为绝缘层；多孔有源层设置在SiO2/Si衬底上，源电极和漏电极均设置在多孔有源层上。制备方法包括衬底的前处理；微球模板或多孔模板的制备；多孔有源层的制备和源漏电极的制备。本发明的多孔有源层结构可使紫外光直接作用于有源层和绝缘层界面处，减少表层有源层薄膜对紫外光的吸收，有利于达到高灵敏度场效应紫外探测的目的；该探测器具有结构简单、可栅压调控、增益大和频带宽等优势，在通信和检测等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于紫外探测领域，具体涉及一种多孔有源层场效应紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术是继激光探测和红外探测之后发展起来新兴探测技术，在军事和民用市场有广泛的应用前景，如导弹预警、秘密通信、医疗诊断、环境监测和天文学等领域。传统紫外探测器以真空电子学和外光电效应为基础，常见的是紫外光电倍增管和硅基紫外光电二极管两种，前者体积大、工作电压高；后者需要昂贵的滤光片来减小可见光和红外光的影响，给实际应用带来困难。近年来随着氧化物半导体材料的研究深入，人们开始利用对可见光响应极低的宽带隙氧化物半导体来制备紫外探测器件，包括ZnO、IZO、TiO2、IGZO、SnO2等。
场效应紫外探测器包括衬底、栅极、绝缘层、有源层和源漏电极组成。其工作原理为，当紫外光辐照到有源层的表面，产生电子空穴对，电子（或空穴）在场效应作用下输运到有源层和绝缘层界面，导致沟道电流大幅增加，从而达到紫外光探测的目的。根据场效应原理，可以通过调整栅极偏压改变器件的探测灵敏度。该紫外探测器与场效应晶体管的放大增益与一体，具有结构简单，响应时间快等优势。但是，该结构的有源层通常由致密半导体薄膜构成，表层薄膜产生的载流子运动到有源层和绝缘层界面需要一定的时间，这就会影响对紫外光探测的灵敏度。
发明内容
为了克服上述技术中的问题，本发明采用具有多孔结构的有源层薄膜制备场效应紫外探测器，该结构可以使紫外光直接作用于有源层和绝缘层界面处，减少表层有源层薄膜对紫外光的吸收，有利于获得高灵敏度的紫外探测器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多孔有源层场效应紫外探测器，包括SiO2/Si衬底、多孔有源层、源电极和漏电极，所述SiO2/Si衬底包括下方的Si层和上方的SiO2层，其中Si层为栅电极，SiO2层为绝缘层；所述多孔有源层设置在SiO2/Si衬底上，多孔有源层通过在微球模板上制备有源层并去除微球后得到或者通过在多孔模板上制备有源层后得到；所述源电极和漏电极均设置在多孔有源层上。
进一步地，所述有源层的材料为金属氧化物半导体ZnO、IZO、TiO2、IGZO或SnO2。
进一步地，所述多孔有源层的孔径为100～800nm。
进一步地，所述源电极和漏电极的厚度为40～100nm，源电极和漏电极的材料为Al、Cu、Ag或Ni，源电极和漏电极之间的沟道长度为100μm、沟道宽度为1000μm。
本发明提供一种多孔有源层场效应紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：衬底的前处理：选择SiO2/Si衬底，其中Si层作为栅电极，SiO2层为绝缘层；使用前，将SiO2/Si衬底放入超声波中，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗15min，然后用氮气吹干；
步骤2：微球模板的制备：在SiO2/Si衬底上制备聚苯乙烯微球模板；
步骤3：多孔有源层的制备：采用磁控溅射、化学气相沉积法、原子层累积或脉冲激光沉积法在微球模板上制备有源层；将聚苯乙烯微球去除，得到多孔状的有源层薄膜，即多孔有源层；
步骤4：源电极和漏电极的制备：将带有源电极和漏电极图案的金属掩膜板固定在多孔有源层上，采用热蒸发镀膜法制备源电极和漏电极。
本发明还提供另外一种多孔有源层场效应紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：衬底的前处理：选择SiO2/Si衬底，其中Si层作为栅电极，SiO2层为绝缘层；使用前，将SiO2/Si衬底放入超声波中，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗15min，然后用氮气吹干；
步骤2：多孔模板的制备：采用气息图案法在SiO2/Si衬底上制备多孔模板；
步骤3：多孔有源层的制备：采用磁控溅射、化学气相沉积法、原子层累积或脉冲激光沉积法在多孔模板上制备有源层，得到多孔有源层；
步骤4：源电极和漏电极的制备：将带有源电极和漏电极图案的金属掩膜板固定在多孔有源层上，采用热蒸发镀膜法制备源电极和漏电极。
进一步地，步骤2中所述多孔模板的厚度为50～100nm、孔径为100～800nm。
进一步地，步骤3中所述有源层的厚度为50～100nm。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
1.本发明紫外探测的有源层具有多孔结构，多孔有源层结构可以使紫外光直接作用于有源层和绝缘层界面处，减少表层有源层薄膜对紫外光的吸收，有利于达到高灵敏度场效应紫外探测的目的。
2.根据场效应原理，可以通过调整栅电极偏压改变紫外探测器的探测灵敏度；加之结构简单、增益大和频带宽等优势，在通信和检测等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1 为本发明实施例1中多孔有源层场效应紫外探测器的结构示意图。图中标号：1为栅电极，2为绝缘层，3为多孔有源层，4为源电极，5为漏电极。
图2为本发明实施例3中器件紫外探测灵敏度S随栅压的变化关系， S=（辐照电流-暗态电流）/暗态电流。
图3为本发明实施例4中器件紫外探测灵敏度S随栅压的变化关系，S=（辐照电流-暗态电流）/暗态电流。
具体实施方式
以下实施例是为了更好的说明本发明的技术方案，而不是以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种多孔有源层场效应紫外探测器，包括SiO2/Si衬底、多孔有源层3、源电极4和漏电极5，所述SiO2/Si衬底包括下方的Si层和上方的SiO2层，其中Si层为栅电极1，SiO2层为绝缘层2，所述多孔有源层3设置在SiO2/Si衬底上，多孔有源层3通过在微球模板上制备有源层并去除微球后得到。所述有源层的材料为金属氧化物半导体ZnO、IZO、TiO2、IGZO或SnO2，本实施例中采用IZO。有源层材料使用对紫外光敏感的金属氧化物半导体；多孔有源层结构可以使紫外光直接作用于有源层和绝缘层界面处，减少表层有源层薄膜对紫外光的吸收，有利于达到高灵敏度场效应紫外探测的目的。所述多孔有源层3的孔径为100～800nm。所述源电极4和漏电极5均设置在多孔有源层3上，其厚度为40nm～100nm，本实施例中为80nm；源电极4和漏电极5的材料为Al、Cu、Ag或Ni，本实施例中采用Ag；源电极4和漏电极5之间的沟道长度为100μm、沟道宽度为1000μm。
本发明紫外探测器在紫外光辐照下，通过检测源、漏电流的变化，实现紫外探测的目的。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，所述多孔有源层3通过在多孔模板上制备有源层后得到。源电极4和漏电极5的材料采用Ni。
实施例3
一种多孔有源层场效应紫外探测器的制备，包括以下步骤：
步骤1：选择SiO2/Si衬底，其中Si层作为栅电极，SiO2层为绝缘层；使用前，将SiO2/Si衬底放入超声波中，分别依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗15min，以去除SiO2/Si衬底上的污染物，然后用氮气吹干。
步骤2：在SiO2/Si衬底上制备聚苯乙烯（PS）微球模板。具体方法为：配制质量百分浓度为2%的PS微球水溶液，室温下磁力搅拌1h，然后超声分散20min，所述PS微球的直径为500nm。将PS微球水溶液滴凃在SiO2/Si衬底上，然后进行真空冷冻干燥，当水分完全去除后，PS微球均匀地分布在SiO2/Si衬底上，即得PS微球模板。
步骤3：采用磁控溅射在PS微球模板上制备有源层。所用有源层的材料为ZnO；所述磁控溅射的溅射功率为100W，溅射气压为2Pa；磁控溅射过程中通入气体为氧气与氩气的混合气体，氧气与氩气的流量比为1:20，制备温度为室温；制备的ZnO薄膜厚度为100nm。
用胶带将PS微球去除，得到多孔状的ZnO有源层薄膜，即多孔有源层，其孔径约为300nm。
步骤4：将带有源电极和漏电极图案的金属掩膜板固定在多孔有源层上，采用热蒸发镀膜法制备Al源电极和漏电极；所述源电极和漏电极厚度为40nm，源电极和漏电极之间的沟道长度为100μm、沟道宽度为1000μm。
用波长为365nm的紫外灯和半导体特性测试仪对制备的多孔有源层场效应紫外探测器进行测试，结果如图2所示。其中S为探测灵敏度，S=（紫外辐照电流-暗态电流）/暗态电流。结果显示，栅极电压对S有明显的调制作用，在栅极电压为-3V时，S达到最大值。结果表明多孔有源层探测器的S值比致密有源层探测器的S值大5倍，即有更好的紫外探测效果。
实施例4
一种多孔有源层场效应紫外探测器的制备，包括以下步骤：
步骤1：选择SiO2/Si衬底，其中Si层作为栅电极，SiO2层为绝缘层；使用前，将SiO2/Si衬底放入超声波中依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗15min，以去除SiO2/Si衬底上的污染物，然后用氮气吹干。
步骤2：在SiO2/Si衬底上制备聚苯乙烯（PS）微球模板。具体方法为：配置质量百分浓度为2%的PS微球水溶液，室温下磁力搅拌1h，然后超声分散20min，所述PS微球的直径为500nm。将PS微球水溶液滴凃在SiO2/Si衬底上，然后进行真空冷冻干燥，当水分完全去除后，PS微球均匀的分布在SiO2/Si衬底上，即得PS微球模板。
步骤3：采用磁控溅射在PS微球模板上制备有源层。所用有源层的材料为IGZO；所述磁控溅射的溅射功率为100W，溅射气压为2Pa；磁控溅射过程中通入气体为氧气与氩气的混合气体，氧气与氩气的流量比为1:20，制备温度为室温；制备的IGZO薄膜厚度为50nm。
用胶带将PS微球去除，得到多孔状的IGZO有源层薄膜，即多孔有源层，其孔径约为300nm。
步骤4：将带有源电极和漏电极图案的金属掩膜板固定在多孔有源层上，采用热蒸发镀膜法制备Al源电极和漏电极；所述源电极和漏电极厚度为40nm，源电极和漏电极之间的沟道长度为100μm、沟道宽度为1000μm。
用波长为365nm的紫外灯和半导体特性测试仪对制备的多孔有源层场效应紫外探测器进行测试，结果如图3所示。其中S为探测灵敏度，S=（紫外辐照电流-暗态电流）/暗态电流。结果显示，栅极电压对S有明显的调制作用，在栅极电压为-6V时，S达到最大值。结果表明多孔有源层探测器的S值比致密有源层探测器的S值大7倍，即有更好的紫外探测效果。
实施例5
一种多孔有源层场效应紫外探测器的制备，包括以下步骤：
步骤1：选择SiO2/Si衬底，其中Si层作为栅电极，SiO2层为绝缘层；使用前，将SiO2/Si衬底放入超声波中，分别依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗15min，以去除SiO2/Si衬底上的污染物，然后用氮气吹干；
步骤2：采用气息图案法在SiO2/Si衬底上制备聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）多孔模板。具体方法为：称取5mg PMMA溶解于1mL氯仿，在25℃恒温磁力搅拌器上搅拌60min，使其充分混合，得前驱体溶液。在相对湿度为40%的环境下，将前驱体溶液旋凃在SiO2/Si衬底上，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂30s即得到PMMA多孔模板，其孔径为400nm～700nm，厚度为36.5nm。
步骤3：采用磁控溅射在PMMA多孔模板上制备有源层。所用有源层的材料为TiO2；所述磁控溅射的溅射功率为150W，溅射气压为2Pa；磁控溅射过程中通入气体为氧气与氩气的混合气体，氧气与氩气的流量比为1:20，制备温度为室温；制备的TiO2薄膜厚度为80nm。所述TiO2薄膜附着在PMMA多孔模板上，即形成多孔有源层，其厚度为23.2nm。
步骤4：将带有源电极和漏电极图案的金属掩膜板固定在多孔有源层上，采用热蒸发镀膜法制备Al源电极和漏电极；所述源电极和漏电极厚度为100nm，源电极和漏电极之间的沟道长度为100μm、沟道宽度为1000μm。
用波长为365nm的紫外灯和半导体特性测试仪对制备的紫外探测器进行测试。结果表明栅极电压对S有明显的调制作用，在栅极电压为3V时，S达到最大。结果显示，多孔有源层探测器的S值比致密有源层探测器的S值大5倍，即有更好的紫外探测效果。
实施例6
一种多孔有源层场效应紫外探测器的制备，包括以下步骤：
步骤1：选择SiO2/Si衬底，其中Si层作为栅电极，SiO2层为绝缘层；使用前，将SiO2/Si衬底放入超声波中，分别依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗15min，以去除SiO2/Si衬底上的污染物，然后用氮气吹干；
步骤2：采用气息图案法在SiO2/Si衬底上制备聚醚酰亚胺（PEI）多孔模板。具体方法为：称取3mg PEI 溶解于1mL氯仿，在25℃恒温磁力搅拌器上搅拌60min，使其充分混合，得前驱体溶液。在相对湿度为60%的环境下，将前驱体溶液旋凃在SiO2/Si衬底上，旋涂时的转速为2000rpm，旋涂30s即得到PEI多孔模板，其孔径为500nm～800nm、厚度为52.3 nm。
步骤3：采用磁控溅射在PEI 多孔模板上制备有源层。所用有源层的材料为SnO2；所述磁控溅射的溅射功率为120W，溅射气压为1Pa；磁控溅射过程中通入气体为氧气与氩气的混合气体，氧气与氩气的流量比为2:20，制备温度为室温；制备的SnO2薄膜厚度为100nm。SnO2薄膜附着在PEI多孔模板上，即形成多孔有源层，其厚度为27.6 nm。
步骤4：将带有源电极和漏电极图案的金属掩膜板固定在SnO2有源层上，采用热蒸发镀膜法制备Cu源电极和漏电极；所述源电极和漏电极厚度为60nm，源电极和漏电极之间的沟道长度为100μm、沟道宽度为1000μm。
用波长为365nm的紫外灯和半导体特性测试仪对制备的紫外探测器进行测试。结果表明栅极电压对S有明显的调制作用，在栅极电压为6V时，S达到最大值。结果显示多孔有源层探测器的S值比致密有源层探测器的S值大4倍，即有更好的紫外探测效果。
以上所述之实施例，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理及工艺条件所做的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (8)
1.一种多孔有源层场效应紫外探测器，其特征在于，包括SiO2/Si衬底、多孔有源层、源电极和漏电极，所述SiO2/Si衬底包括下方的Si层和上方的SiO2层，其中Si层为栅电极，SiO2层为绝缘层；所述多孔有源层设置在SiO2/Si衬底上，多孔有源层通过在微球模板上制备有源层并去除微球后得到或者通过在多孔模板上制备有源层后得到；所述源电极和漏电极均设置在多孔有源层上。
2.根据权利要求1所述的一种多孔有源层场效应紫外探测器，其特征在于，所述有源层的材料为金属氧化物半导体ZnO、IZO、TiO2、IGZO或SnO2。
3.根据权利要求1所述的一种多孔有源层场效应紫外探测器，其特征在于，所述多孔有源层的孔径为100～800nm。
4.根据权利要求1所述的一种多孔有源层场效应紫外探测器，其特征在于，所述源电极和漏电极的厚度为40～100nm，源电极和漏电极的材料为Al、Cu、Ag或Ni，源电极和漏电极之间的沟道长度为100μm、沟道宽度为1000μm。
5.基于权利要求1的一种多孔有源层场效应紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：衬底的前处理：选择SiO2/Si衬底，其中Si层作为栅电极，SiO2层为绝缘层；使用前，将SiO2/Si衬底放入超声波中，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗15min，然后用氮气吹干；
步骤2：微球模板的制备：在SiO2/Si衬底上制备聚苯乙烯微球模板；
步骤3：多孔有源层的制备：采用磁控溅射、化学气相沉积法、原子层累积或脉冲激光沉积法在微球模板上制备有源层；将聚苯乙烯微球去除，得到多孔状的有源层薄膜，即多孔有源层；
步骤4：源电极和漏电极的制备：将带有源电极和漏电极图案的金属掩膜板固定在多孔有源层上，采用热蒸发镀膜法制备源电极和漏电极。
6.基于权利要求1的一种多孔有源层场效应紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：衬底的前处理：选择SiO2/Si衬底，其中Si层作为栅电极，SiO2层为绝缘层；使用前，将SiO2/Si衬底放入超声波中，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗15min，然后用氮气吹干；
步骤2：多孔模板的制备：采用气息图案法在SiO2/Si衬底上制备多孔模板；
步骤3：多孔有源层的制备：采用磁控溅射、化学气相沉积法、原子层累积或脉冲激光沉积法在多孔模板上制备有源层，得到多孔有源层；
步骤4：源电极和漏电极的制备：将带有源电极和漏电极图案的金属掩膜板固定在多孔有源层上，采用热蒸发镀膜法制备源电极和漏电极。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2中所述多孔模板的厚度为50～100nm、孔径为100～800nm。
8.根据权利要求5～6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述有源层的厚度为50～100nm。
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