CN110212040A - 一种日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种日盲紫外探测器及其制备方法，日盲紫外探测器包括衬底、设置在衬底表面的欧姆电极层、设置在欧姆电极层表面的ZnMgO层、设置在ZnMgO层表面的肖特基电极，肖特基电极呈梳状结构，梳状结构包括梳柄和与梳柄相连的梳齿。本申请公开的上述技术方案，将肖特基电极设置为梳状结构，该梳状结构包括梳柄和与梳柄相连的梳齿，当光照射到呈梳状结构的肖特基电极上时，一部分光线可以直接通过梳齿之间的间隙到达作为光敏层的ZnMgO层上，因此，则可以减少肖特基电极对光的吸收，提高肖特基电极对光的透过性，从而可以提高日盲紫外探测器对光的响应速度和灵敏度，缩短该器件对光的响应时间，进而提高该器件的探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测技术领域，更具体地说，涉及一种日盲紫外探测器及其制备方法。
背景技术
日盲紫外探测器在导弹预警、高温火焰检测、紫外通讯、生化物质检测以及空间探测等领域有着广泛的应用。在日盲紫外探测器领域中，GaAlN、ZnMgO、Ga2O3、金刚石等宽带隙半导体因具有优异的材料性能而备受关注。其中，ZnMgO因具有直接带隙可调、缺陷密度低、环境友好性、强抗辐射性等而被认为是最有希望制备日盲紫外探测器的候选材料之一。
在日盲紫外探测器中，自供能型探测器由于可以在没有任何外部电源的情况下进行工作而受到越来越多的关注，其主要是由PN结和肖特基结构成。对于ZnMgO而言，由于缺乏可靠的p型ZnMgO材料，因此，肖特基结是制造ZnMgO日盲紫外探测器的理想结构。目前，ZnMgO日盲紫外探测器主要为平面MSM(Metal-Semiconductor-Metal，金属-半导体-金属)结构，其所包含的肖特基电极为覆盖在ZnMgO层(光敏层)表面的金属薄膜电极，在光穿过肖特基电极到达光敏层的过程中，肖特基金属薄膜电极会对光(尤其是弱光信号)产生一定的吸收，而这则会降低光的透过性，从而会降低器件对光的响应速度，增加器件对光的响应时间，进而则会降低器件的探测性能。
综上所述，如何提高肖特基电极对光的透过性，以提高器件的探测性能，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种日盲紫外探测器及其制备方法，以提高肖特基电极对光的透过性，从而提高器件的探测性能。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种日盲紫外探测器，包括衬底、设置在所述衬底表面的欧姆电极层、设置在所述欧姆电极层表面的ZnMgO层、设置在所述ZnMgO层表面的肖特基电极，其中：
所述肖特基电极呈梳状结构，所述梳状结构包括梳柄和与所述梳柄相连的梳齿。
优选的，相邻两个所述梳齿之间的间距小于等于10μm。
优选的，所述肖特基电极为Au电极、Ag电极、Pt电极中的任意一种。
优选的，所述ZnMgO层的厚度为400～800nm。
优选的，所述欧姆电极层为ZnO:Al薄膜。
优选的，所述ZnO:Al薄膜的厚度为100～300nm。
优选的，所述衬底为c面蓝宝石衬底。
一种日盲紫外探测器的制备方法，包括：
在衬底表面制备欧姆电极层，并对所述欧姆电极层进行退火处理；
在退火后的欧姆电极层表面制备ZnMgO层；
在所述ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极，以得到日盲紫外探测器，其中，所述梳状结构包括梳柄和与所述梳柄相连的梳齿。
优选的，在所述ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极，包括：
通过光刻工艺和溅射工艺在所述ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极。
优选的，在衬底表面制备欧姆电极层，并对所述欧姆电极层进行退火处理，包括：
在所述衬底表面制备ZnO:Al薄膜，并在450～550℃下对所述ZnO:Al薄膜进行退火处理。
本发明提供了一种日盲紫外探测器及其制备方法，其中，日盲紫外探测器包括衬底、设置在衬底表面的欧姆电极层、设置在欧姆电极层表面的ZnMgO层、设置在ZnMgO层表面的肖特基电极，其中：肖特基电极呈梳状结构，梳状结构包括梳柄和与梳柄相连的梳齿。
本申请公开的上述技术方案，将肖特基电极设置为梳状结构，其中，该梳状结构包括梳柄和与梳柄相连的梳齿，当光照射到呈梳状结构的肖特基电极上时，一部分光线可以直接通过梳齿之间的间隙到达作为光敏层的ZnMgO层上，因此，则可以减少肖特基电极对光的吸收，相应地，则可以提高肖特基电极对光的透过性，从而可以提高日盲紫外探测器对光的响应速度和灵敏度，缩短该器件对光的响应时间，进而提高该器件的探测性能。
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为本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的呈梳状结构的肖特基电极的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的制备方法的流程图；
图4为日盲紫外探测器响应时间特性图；
图5为日盲紫外探测器的响应度、光电流与紫外光强度之间的关系图。
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。
参见图1和图2，其中，图1示出了本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的结构示意图，图2示出了本发明实施例提供的呈梳状结构的肖特基电极的俯视图。本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器，可以包括衬底1、设置在衬底1表面的欧姆电极层2、设置在欧姆电极层2表面的ZnMgO层3、设置在ZnMgO层3表面的肖特基电极4，其中：
肖特基电极4呈梳状结构，梳状结构可以包括梳柄41和与梳柄41相连的梳齿42。
日盲紫外探测器可以包括衬底1、位于衬底1表面的欧姆电极层2、位于欧姆电极层2表面的ZnMgO层3、及位于ZnMgO层3表面的肖特基电极4。其中，ZnMgO层3作为日盲紫外探测器的光敏层，用于光信号到电信号的转换；欧姆电极层2则用于减少其他电极对日盲紫外探测器的影响，以顺利地导出日盲紫外探测器所产生的电信号。
上述日盲紫外探测器所包含的肖特基电极4呈梳状结构，该梳状结构包括梳柄41、与梳柄41相连的梳齿42。当光通过肖特基电极4时，一部分光会照射到梳柄41和梳齿42上并穿过梳柄41和梳齿42到达ZnMgO层3上，而另一部分光则会直接通过梳齿42之间的间隙到达ZnMgO层3上。相比于现有的肖特基金属薄膜电极，将肖特基电极4设置为梳状结构可以减少肖特基电极4对光的吸收，增加光的透过性，从而可以提高日盲紫外探测器对光的响应速度，缩短对光的响应时间，增加器件的灵敏度，而且由于上述结构可以增加光的透过性，因此，则可以提高器件的外量子效率。除此之外，上述日盲紫外探测器可以实现自供能，以起到减少能源消耗、节约能源的作用。
本申请公开的上述技术方案，将肖特基电极设置为梳状结构，其中，该梳状结构包括梳柄和与梳柄相连的梳齿，当光照射到呈梳状结构的肖特基电极上时，一部分光线可以直接通过梳齿之间的间隙到达作为光敏层的ZnMgO层上，因此，则可以减少肖特基电极对光的吸收，相应地，则可以提高肖特基电极对光的透过性，从而可以提高日盲紫外探测器对光的响应速度和灵敏度，缩短该器件对光的响应时间，进而提高该器件的探测性能。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器，相邻两个梳齿42之间的可以间距小于等于10μm。
在呈梳状结构的肖特基电极4中，相邻两个梳齿42之间的间距小于等于10μm，以在增加光的透过性的同时，保证肖特基电极4可以起到正常的电极作用，从而提高日盲紫外探测器的探测性能。
在实际应用中，间距等于8μm时所制备出的日盲紫外探测器的探测性能要优于间距等于10μm时所制备出的日盲紫外探测器的探测性能，而间距等于5μm时所制备出的日盲紫外探测器的探测性能要优于间距等于8μm时所制备出的日盲紫外探测器的探测性能。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器，肖特基电极4可以为Au电极、Ag电极、Pt电极中的任意一种。
日盲紫外探测器所包含的呈梳状结构的肖特基电极4具体可以为Au电极、Ag电极、Pt电极中的任意一种，以与ZnMgO层3形成较好的肖特基接触。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器，ZnMgO层3的厚度可以为400～800nm。
在实际应用中，可以将作为光敏层的ZnMgO层3的厚度设置在400～800nm之间(包括端点值)，以使ZnMgO层3可以较好地将所接收到的光信号转换为电信号，从而提高日盲紫外探测器的外量子效率，提高日盲紫外探测器的探测性能。
在400～800nm的基础上，为了使ZnMgO层3更好地进行光电转换，则可以将其厚度设置在500～700nm之间，其中，当厚度为600nm时所制备出的日盲紫外探测器具有更加高的外量子效率和更优的探测性能。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器，欧姆电极层2可以为ZnO:Al薄膜。
在上述日盲紫外探测器中，欧姆电极层2具体可以为ZnO:Al薄膜，其中，该ZnO:Al薄膜为低阻导电薄膜，以与ZnMgO层3形成良好的欧姆接触。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器，ZnO:Al薄膜的厚度可以为100～300nm。
ZnO:Al薄膜的厚度具体可以在100～300nm之间，以使其可以与ZnMgO层3形成良好的欧姆接触。
在实际应用中，为了达到更好的欧姆接触，则可以将ZnO:Al薄膜的厚度设置为150～250nm。其中，厚度为200nm的ZnO:Al薄膜所对应的性能要优于其他厚度的ZnO:Al薄膜所对应的性能。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器，衬底1为c面蓝宝石衬底。
日盲紫外探测器中所用到的衬底1具体可以为c面蓝宝石衬底。当然，也可以选用蓝宝石衬底、石英衬底、氧化锌衬底、氧化镁衬底中的任意一种作为日盲紫外探测器的衬底1。
其中，所用衬底1的厚度可以为400-450μm，在此基础上，可以将其厚度设置为420-440μm，以获得性能较优的日盲紫外探测器。
在420-440μm基础上，为了获得性能更优的日盲紫外探测器，则可以将其厚度设置为430μm。
本发明实施例还提供了一种日盲紫外探测器的制备方法，如图3所示，其示出了本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的制备方法的流程图，可以包括：
S11：在衬底表面制备欧姆电极层，并对欧姆电极层进行退火处理。
将衬底清洗干净，在清洗干净的衬底表面制备欧姆电极层，并对欧姆电极层进行退火处理，以得到能够导电的欧姆电极层。
S12：在退火后的欧姆电极层表面制备ZnMgO层。
在对欧姆电极层进行退火之后，则可以通过等离子体增强分子束外延技术(P-MBE)制备ZnMgO层，以得到性能较优的光敏层。
在利用等离子体增强分子束外延技术制备ZnMgO层时，锌源的温度可以为210～250℃，优选为220～240℃，更优选为230℃；镁源的温度可以为330～370℃，优选为340～360℃，更优选为350℃；射频功率可以为260～340W，优选为280～320W，更优选为300W；衬底温度可以为150～250℃，优选为175～225℃，更优选为200℃。
当然，也可以通过其他方式在退火后的欧姆电极层表面制备ZnMgO层。
S13：在ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极，以得到日盲紫外探测器，其中，梳状结构可以包括梳柄和与梳柄相连的梳齿。
在得到ZnMgO层之后，在ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极，以得到日盲紫外探测器，其中，该梳状结构包括梳柄、与梳柄相连的梳齿。
当光通过呈梳状结构的肖特基电极照射到光敏区时，一部分光会直接通过梳齿之间的间隙到达ZnMgO层上，因此，则可以减少肖特基电极对光的吸收，从而可以提高光在肖特基电极上的透过性，进而可以提高所制备出的日盲紫外探测器的探测性能。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的制备方法，在ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极，可以包括：
通过光刻工艺和溅射工艺在ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极。
可以通过光刻工艺和溅射工艺在ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极，其具体过程如下：
步骤1：在ZnMgO层表面涂覆光刻胶(匀胶)，并依次进行前烘、曝光、中烘、显影、清洗、干燥、坚膜等过程，以在ZnMgO层表面得到被光刻胶覆盖的区域(即为非电极区域)和未被光刻胶覆盖的区域(即为电极区域)。其中，具体可以采用KMP E3130光刻胶作为光刻胶涂覆在ZnMgO层表面；前烘温度可以为85～95℃，优选为90℃，前烘时间可以为2～4min，优选为3min；中烘温度可以为85～95℃，优选为90℃，中烘时间可以为4～6min，优选为5min；在干燥时，具体可以采用氮气进行吹干；坚膜温度可以为110～130℃，优选为120℃，坚膜时间可以为2～4min，优选为3min。
步骤2：在电极区域溅射电极层，形成电极。其中，溅射电流可以为5～7mA，优选为6mA；溅射电极层的时间可以为8～12min，优选为10min。
步骤3：对非电极区域进行剥离处理，以去除ZnMgO层表面所覆盖的光刻胶，最终得到呈梳状结构的肖特基电极。其中，可以选用丙酮作为剥离液来去除光刻胶，并且可以采用超声剥离的方式进行剥离。在采用超声剥离方式进行剥离时，剥离时间可以为10～20min，优选为15min。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的制备方法，在衬底表面制备欧姆电极层，并对欧姆电极层进行退火处理，可以包括：
在衬底表面制备ZnO:Al薄膜，并在450～550℃下对ZnO:Al薄膜进行退火处理。
当利用ZnO:Al薄膜作为欧姆电极层时，可以采用射频磁控溅射法在衬底表面制备ZnO:Al薄膜。在溅射过程中，ZnO靶材及Al靶材的射频功率均可以为80～120W，优选均为90～110W，更优选均为100W；衬底温度可以为200～400℃，优选为250～350℃，更优选为300℃。
在制备完ZnO:Al薄膜之后，则可以对ZnO:Al薄膜进行退火处理，以使所制备出的ZnO:Al薄膜可以导电。在退火处理时，具体可以在保护性气氛下进行退火，如在空气气氛下进行退火，其中，退火温度可以为450～550℃，优选为475～525℃，更优选为500℃，退火处理的时间可以为30～90min，优选为45～75min，更优选为60min，以得到性能较好的欧姆电极层。
本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器的制备方法与本发明实施例提供的一种日盲紫外探测器之间相同或相似的部分可以相互参考，在此不再赘述。
为了进一步理解本申请，下面结合一实施例对本申请优选实施方案进行描述，但应当理解的是，这些描述只是为了进一步说明本申请的特征和优点，而不是对本申请权利要求的限制：
步骤a：选用c面蓝宝石衬底作为制备日盲紫外探测器的衬底，利用射频磁控溅射技术，控制衬底温度为300℃，ZnO靶材及Al靶材的射频功率均为100W，获得厚度为200nm的ZnO:Al薄膜。
步骤b：利用管式退火炉对获得的ZnO:Al薄膜在500℃、空气氛围下退火60min。
步骤c：利用等离子体增强分子束技术，控制衬底温度为200℃，锌源温度为230℃，镁源温度为350℃，氧气流量为1.2sccm，射频功率为300W，获得厚度为600nm的ZnMgO层。
步骤d：将上述ZnMgO层/ZnO:Al薄膜通过匀胶(KMP E3130光刻胶)、前烘(90℃，3min)、曝光、中烘(90℃，5min)、显影、去离子水反复清洗、氮气吹干、坚膜(120℃，3min)，形成电极区域。
步骤e：在电极区域通过溅射工艺溅射Au电极层，溅射电流为6mA，溅射时间为10min，形成呈梳状结构的Au电极。
步骤f：采用丙酮作为剥离液，采用超声剥离15min，然后利用去离子水冲洗，并利用氮气吹干，得到日盲紫外探测器。
利用Agilent B500型半导体分析仪设备对日盲紫外探测器的响应时间性能进行测试。首先，用探针台将待测器件(即日盲紫外探测器)两电极与半导体分析仪连接。连接完毕后，将待测器件与整套系统在暗态下静置30min，然后进行测试，其中，电压输出为0V，取样间隔为100ms，得到如图4所示的日盲紫外探测器响应时间特性图。从图4中可以看出，制备出的日盲紫外探测器具有较好的开关特性和重复性。另外，对待测器件在不同紫外光强度下的响应度和光电流进行测试，得到如图5所示的日盲紫外探测器的响应度、光电流与紫外光强度之间的关系图，由图5可知，日盲紫外探测器对弱信号的紫外光有更好的探测性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本发明实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域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 (10)
1.一种日盲紫外探测器，其特征在于，包括衬底、设置在所述衬底表面的欧姆电极层、设置在所述欧姆电极层表面的ZnMgO层、设置在所述ZnMgO层表面的肖特基电极，其中：
所述肖特基电极呈梳状结构，所述梳状结构包括梳柄和与所述梳柄相连的梳齿。
2.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，相邻两个所述梳齿之间的间距小于等于10μm。
3.根据权利要求2所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述肖特基电极为Au电极、Ag电极、Pt电极中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述ZnMgO层的厚度为400～800nm。
5.根据权利要求1至4任一项所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述欧姆电极层为ZnO:Al薄膜。
6.根据权利要求5所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述ZnO:Al薄膜的厚度为100～300nm。
7.根据权利要求5所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述衬底为c面蓝宝石衬底。
8.一种日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底表面制备欧姆电极层，并对所述欧姆电极层进行退火处理；
在退火后的欧姆电极层表面制备ZnMgO层；
在所述ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极，以得到日盲紫外探测器，其中，所述梳状结构包括梳柄和与所述梳柄相连的梳齿。
9.根据权利要求8所述的日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，在所述ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极，包括：
通过光刻工艺和溅射工艺在所述ZnMgO层表面制备呈梳状结构的肖特基电极。
10.根据权利要求8所述的日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，在衬底表面制备欧姆电极层，并对所述欧姆电极层进行退火处理，包括：
在所述衬底表面制备ZnO:Al薄膜，并在450～550℃下对所述ZnO:Al薄膜进行退火处理。
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