CN111261735A - 一种ZnMgO薄膜、紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了本发明提供了一种ZnMgO薄膜，所述ZnMgO薄膜具有单一六角相晶体结构；所述ZnMgO薄膜中，ZnO和MgO的质量比为(7～11)：1；所述ZnMgO的吸收截止边为350～370nm。本发明得到了一种ZnMgO薄膜材料，该ZnMgO材料具有单一六角相晶体结构，结晶质量高，吸收截止边陡峭等特点，而且本发明制备ZnMgO薄膜材料还具有面积大、表面平整的优点，进而使得本发明制备的ZnMgO紫外探测器具有较低的暗电流和良好的器件稳定性。本发明提供的可控制备方法，步骤简单，条件温和，重复性好，过程可控，有利于规模化推广和应用。

Description

一种ZnMgO薄膜、紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体紫外探测技术领域，涉及一种ZnMgO薄膜、紫外探测器及其制备方法，尤其涉及一种具有陡峭的吸收截止边的单一六角相晶体结构的ZnMgO薄膜、紫外探测器及其制备方法。
背景技术
太阳辐射是维持人类日常活动的能源之一，虽然紫外光在太阳光谱只占到7％的比例，但是在人类生活中占有十分重要的角色。近些年来由于大气中臭氧层的破坏加重，使得地球表面的紫外辐射逐渐增多，过量的紫外辐射可以引起皮肤癌、白内障以及免疫系统功能的降低，还可以使农作物减产，产生一系列环境问题。因此，关于紫外辐射的探测技术引起了广泛的关注。而且紫外探测技术在导弹尾焰探测，火焰传感，空气和水净化以及空对空通信等军事和民用领域有广阔的应用前景。
近年来，伴随着紫外辐照在国防、科学研究和民用领域的广泛应用，半导体紫外探测技术也随之快速发展，以Ⅲ族氮化物和碳化硅为代表的宽禁带半导体材料是国内外重点研究和发展的第三代半导体材料，具有优良的材料性能，是制备紫外探测器的理想材料。基于宽禁带半导体的光电探测器与传统的硅基紫外探测器和真空光电倍增管相比具有明显的优势，和硅基紫外探测器相比，宽禁带半导体紫外探测器具有：量子效率高；带边截止，对可见光无响应；可在高温、强辐射等恶劣环境下工作。同时，真空光电倍增管由于具有体重大、工作电压高、寿命短等固有缺点，限制了其在紫外探测和成像系统方面的应用。因而，宽禁带半导体紫外探测器因其体积小、重量轻、工作时不需滤光片、无需制冷等优点，被认为是可以取代真空光电倍增管和Si光电倍增管的第三代紫外探测器。
在宽禁带半导体材料中，ZnMgO是ZnO和MgO的合金材料，由于其带隙可调节范围大、饱和载流子漂移速率高、抗辐射性能强、工作电压低、制备手段多样、源材料丰富等优势，被认为是制备新一代可见盲及日盲紫外探测器的理想材料。然而当ZnMgO材料中Mg组分较低时，虽然晶体结构接近单一六角相，光学吸收截止边接近近紫外波段，但是材料制备成器件的暗态电流较高，而且器件暴露在空气中不太稳定，放置较长时间后性能变差，成为了其在紫外探测器应用上的重要桎梏。
因此，如何能够找到一种合适的方法，克服ZnMgO合金材料存在的上述缺陷，拓宽其在紫外探测器领域的应用，已成为业内诸多具有前瞻性的研究人员广为关注的焦点之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种ZnMgO薄膜、紫外探测器及其制备方法，特别是一种具有陡峭的吸收截止边的单一六角相晶体结构的ZnMgO薄膜。本发明制备的ZnMgO薄膜具有六边形形貌ZnMgO薄膜层具有结晶质量高，吸收截止边陡峭等特点，使得ZnMgO紫外探测器具有较低的暗电流和良好的器件稳定性。
本发明提供了一种ZnMgO薄膜，所述ZnMgO薄膜具有单一六角相晶体结构；
所述ZnMgO薄膜中，ZnO和MgO的质量比为(7～11)：1；
所述ZnMgO的吸收截止边为350～370nm。
优选的，所述ZnMgO薄膜为具有(002)单一取向的ZnMgO薄膜；
所述吸收截止边为光吸收截止边；
所述ZnMgO具有陡峭的吸收截止边；
所述ZnMgO在吸收截止边位置，5nm波段范围内透射率下降70％～90％；
所述ZnMgO的晶粒尺寸为0.3～1nm。
优选的，所述光吸收截止边包括紫外光和可见光的光吸收截止边；
所述ZnMgO薄膜的长度为1～5cm；
所述ZnMgO薄膜的宽度为1～5cm；
所述ZnMgO薄膜的厚度为100～600nm；
所述ZnMgO薄膜的均方根粗糙度为0.1～2nm。
本发明提供了一种ZnMgO紫外探测器，包括上述技术方案任意一项所述的ZnMgO薄膜层。
优选的，所述ZnMgO紫外探测器还包括衬底；
所述ZnMgO薄膜层复合在所述衬底上；
复合在所述ZnMgO薄膜层上的叉指电极层；
复合在所述叉指电极层的叉指电极表面上的聚合物层；
所述叉指电极层的非叉指电极表面上设置有In颗粒。
优选的，所述衬底包括蓝宝石衬底、石英衬底和氧化镁衬底中的一种或多种；
所述衬底的厚度为100～600nm；
所述叉指电极层的材质包括金、银、铂和铝中的一种或多种；
所述叉指电极层的厚度为20～40nm；
所述聚合物包括PMMA和/或PDMA；
所述聚合物层的厚度为0.1～10μm；
所述In颗粒的直径为1～3mm；
所述In颗粒的高度为0.1～1mm。
本发明提供了一种ZnMgO紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)在过量氧气的条件下，将有机锌源和有机镁源在加热衬底上进行化学气相沉积后，得到生长有ZnMgO薄膜的衬底；
2)在上述步骤得到ZnMgO薄膜上先形成叉指电极掩膜，再形成金属层，然后去除掩膜，形成叉指电极层；
3)在上述步骤得到的叉指电极层的叉指电极上复合聚合物层，非叉指电极处按压In颗粒后，得到ZnMgO紫外探测器。
优选的，所述有机锌源包括二乙基锌和/或二甲基锌；
所述有机镁源包括二甲基二茂镁和/或二茂镁；
所述有机锌源与有机镁源的质量比为(5～20)：1；
所述有机锌源的输送载气包括高纯氮气和/或高纯一氧化氮；
所述有机锌源的输送载气流速为10～30sccm；
所述有机镁源的输送载气包括高纯氮气和/或高纯一氧化氮；
所述有机镁源的输送载气流速为1～5sccm；
所述氧气流速为100～900sccm。
优选的，所述化学气相沉积过程中，氧气的分压为1x102～1x103Pa；
所述加热衬底的温度为400～800℃；
所述化学气相沉积的时间为1～3h；
所述化学气相沉积的温度为400～800℃；
所述形成叉指电极掩膜的方式包括负胶光刻。
优选的，所述形成金属层的方式包括磁控溅射、热蒸发、小离子溅射和ALD中的一种或多种；
所述小离子溅射的溅射电流为5～8mA；
所述去除掩膜的方式包括超声去除；
所述超声的时间为3～5min；
所述复合的方式包括旋涂和/或蒸发；
所述ZnMgO紫外探测器的光响应截止边为380～400nm；
所述ZnMgO紫外探测器具有MSM结构。
本发明提供了一种ZnMgO薄膜，所述ZnMgO薄膜具有单一六角相晶体结构；所述ZnMgO薄膜中，ZnO和MgO的质量比为(7～11)：1；所述ZnMgO的吸收截止边为350～370nm。与现有技术相比，本发明针对现有的ZnMgO材料，制备成器件时，存在暗态电流较高，而且器件暴露在空气中不太稳定，放置较长时间后性能变差的缺陷。
本发明创造性的得到了一种ZnMgO薄膜材料，该ZnMgO材料具有单一六角相晶体结构，具有结晶质量高，吸收截止边陡峭等特点，而且本发明制备ZnMgO薄膜材料还具有面积大、表面平整的优点，进而使得本发明制备的ZnMgO紫外探测器具有较低的暗电流和良好的器件稳定性。而且本发明提供的可控制备方法，步骤简单，条件温和，重复性好，过程可控，有利于规模化推广和应用。
实验结果表明，使用本发明制备的ZnMgO薄膜结晶质量好的单一六角相，制备的ZnMgO紫外探测器的暗电流低，响应度高，具有很好的器件稳定性和重复性，放置长时间后器件仍保持良好的器件性能。
附图说明
图1为本发明提供的ZnMgO紫外探测器的结构示意简图；
图2为本发明实施例1得到的ZnMgO薄膜的粉末X射线衍射图谱；
图3为本发明实施例1得到的ZnMgO薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；
图4为本发明实施例1得到的ZnMgO薄膜的暗态下电流-电压特性曲线图；
图5为本发明实施例1得到的ZnMgO薄膜在365nm光照下的电流-时间特性曲线图；
图6为本发明实施例1得到的ZnMgO紫外探测器的光响应特性曲线图；
图7为本发明实施例2制备的ZnMgO薄膜表面形貌的SEM扫描电镜图；
图8为本发明实施例3制备的ZnMgO薄膜的X射线能谱分析谱图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或紫外探测器领域常规的纯度即可。
本发明提供了一种ZnMgO薄膜，所述ZnMgO薄膜具有单一六角相晶体结构；
所述ZnMgO薄膜中，ZnO和MgO的质量比为(7～11)：1；
所述ZnMgO的吸收截止边为350～370nm。
本发明所述ZnMgO材料为低Mg的ZnMgO材料，所述ZnMgO薄膜中，ZnO和MgO的质量比为(7～11)：1，优选为(7.5～10.5)：1，更优选为(8～10)：1，更优选为(8.5～9.5)：1。
本发明原则上对所述吸收截止边的具体定义没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类产品的吸收截止边的定义和概念即可，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明所述吸收截止边优选为光吸收截止边，更优选是包括紫外光和可见光的光吸收截止边。
本发明所述本发明所述ZnMgO优选具有陡峭的吸收截止边(光吸收截止边)，本发明所述ZnMgO的吸收截止边为350～370nm，优选为352～368nm，更优选为355～365nm，更优选为357～363nm。本发明原则上对所述ZnMgO材料的参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，更好的利于后续应用，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述ZnMgO在吸收截止边位置(或吸收截止边附近)，5nm波段范围内透射率下降70％～90％，更优选下降72％～88％，更优选下降75％～85％，更优选下降78％～83％。
本发明原则上对所述ZnMgO的晶粒大小没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，更好的利于后续应用，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述ZnMgO的晶粒尺寸优选为0.3～1nm，更优选为0.4～0.9nm，更优选为0.5～0.8nm，更优选为0.6～0.7nm。
本发明原则上对所述ZnMgO的结构没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，更好的利于后续应用，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述ZnMgO薄膜，即ZnMgO具有单一六角相晶体结构，更具体的，所述ZnMgO薄膜优选为具有(002)单一取向的ZnMgO薄膜。
本发明原则上对所述ZnMgO薄膜的参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，更好的利于后续应用，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述ZnMgO薄膜的长度优选为1～5cm，更优选为1.5～4.5cm，更优选为2～4cm，更优选为2.5～3.5cm。所述ZnMgO薄膜的宽度优选为1～5cm，更优选为1.5～4.5cm，更优选为2～4cm，更优选为2.5～3.5cm。所述ZnMgO薄膜的厚度优选为100～600nm，更优选为150～550nm，更优选为200～500nm，更优选为250～450nm，更优选为300～400nm。
本发明原则上对所述ZnMgO薄膜的其他性征没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，更好的利于后续应用，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述ZnMgO薄膜具有平整的表面形貌，所述ZnMgO薄膜的均方根粗糙度优选为0.1～2nm，更优选为0.3～1.8nm，更优选为0.5～1.5nm，更优选为0.8～1.2nm。
本发明提供了一种ZnMgO紫外探测器，包括上述技术方案任意一项所述的ZnMgO薄膜层。
本发明上述ZnMgO紫外探测器中，所述ZnMgO薄膜的各种参数及其优选原则，与前述ZnMgO薄膜层中的各种参数及其优选原则可以一一对应，在此不再一一赘述。
本发明原则上对所述ZnMgO紫外探测器的具体结构没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为进一步提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述ZnMgO紫外探测器优选为具有MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
具体的，本发明所述ZnMgO紫外探测器优选包括衬底。其中，所述ZnMgO薄膜层优选复合在所述衬底上。本发明所述ZnMgO紫外探测器优选还包括叉指电极层。其中，所述叉指电极层优选复合在所述ZnMgO薄膜层上。
本发明所述ZnMgO紫外探测器优选还包括聚合物层。其中，所述聚合物层优选复合在所述叉指电极层的叉指电极表面上。
本发明所述ZnMgO紫外探测器优选还包括In粒。其中，所述In颗粒优选复合在所述叉指电极层的非叉指电极表面上。即，在叉指电极层表面上同时设置有聚合物层和In粒，叉指电极的表面上设置了聚合物层，而其他表面上(非叉指电极的表面)，则设置有In颗粒。
本发明原则上对所述衬底的具体选择和参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为进一步提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述衬底优选包括蓝宝石衬底、石英衬底和氧化镁衬底中的一种或多种，更优选为蓝宝石衬底、石英衬底或氧化镁衬底。本发明所述衬底的厚度优选为100～600nm，更优选为200～500nm，更优选为300～400nm。
本发明原则上对所述叉指电极层的具体选择和参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为进一步提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述叉指电极层的材质优选包括金、银、铂和铝中的一种或多种，更优选为金、银、铂或铝。本发明所述叉指电极层的厚度优选为20～40nm，更优选为23～38nm，更优选为25～35nm，更优选为27～32nm。
本发明特别采用In粒和金(叉指电极层)形成欧姆接触，主要起防止测试时，金薄膜表面被划坏，起更好的接触的作用。
本发明原则上对所述聚合物层的具体选择和参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为进一步提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述聚合物优选包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和/或PDMA(聚N,N-二甲基丙烯酰胺)，更优选为PMMA或PDMA。具体可以为聚甲基丙烯酸甲酯，即有机玻璃，其对波长大于300nm的紫外光和可见光具有很好的透光性，而且可以有效隔绝空气。本发明所述聚合物层的厚度优选为0.1～10μm，更优选为0.5～8μm，更优选为1～6μm，更优选为3～4μm。
本发明原则上对所述In颗粒的具体参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为进一步提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述In颗粒的直径优选为1～3mm，更优选为1.2～2.8mm，更优选为1.5～2.5mm，更优选为1.8～2.3mm。所述In颗粒的高度优选为0.1～1mm，更优选为0.3～0.8mm，更优选为0.5～0.6mm。
本发明原则上对所述ZnMgO紫外探测器的性能参数没有特别限制，参照本发明提供的结构和制备方法，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为进一步保证ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述ZnMgO紫外探测器的光响应截止边优选为380～400nm，优选为382～398nm，更优选为385～395nm，更优选为387～393nm。
参见图1，图1为本发明提供的ZnMgO紫外探测器的结构示意简图。
本发明还提供了一种ZnMgO紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)在过量氧气的条件下，将有机锌源和有机镁源在加热衬底上进行化学气相沉积后，得到生长有ZnMgO薄膜的衬底；
2)在上述步骤得到ZnMgO薄膜上先形成叉指电极掩膜，再形成金属层，然后去除掩膜，形成叉指电极层；
3)在上述步骤得到的叉指电极层的叉指电极上复合聚合物层，非叉指电极处按压In颗粒后，得到ZnMgO紫外探测器。
本发明上述制备方法中，所述ZnMgO紫外探测器的结构、组成、参数及其优选原则，与前述ZnMgO紫外探测器中的结构、组成、参数及其优选原则均可以一一对应，在此不再一一赘述。
本发明首先在过量氧气的条件下，将有机锌源和有机镁源在加热衬底上进行化学气相沉积后，得到生长有ZnMgO薄膜的衬底。
本发明原则上对所述过量氧气的具体参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述氧气流速优选为100～900sccm，更优选为200～800sccm，更优选为300～700sccm，更优选为400～600sccm。本发明所述化学气相沉积过程中，氧气的分压优选为1x102～1x103Pa，更优选为3x102～8x102Pa，更优选为5x102～6x102Pa。
本发明原则上对所述有机锌源的具体选择没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述有机锌源优选包括二乙基锌和/或二甲基锌，更优选为二乙基锌或二甲基锌。
本发明原则上对所述有机锌源的输送载气及其参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述有机锌源的输送载气优选包括高纯氮气和/或高纯一氧化氮，更优选为高纯氮气或高纯一氧化氮。本发明所述有机锌源的输送载气流速优选为10～30sccm，更优选为12～28sccm，更优选为15～25sccm，更优选为18～22sccm。
本发明原则上对所述有机镁源的具体选择和用量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述有机镁源优选包括二甲基二茂镁和/或二茂镁，更优选为二甲基二茂镁或二茂镁。所述有机锌源与有机镁源的质量比优选为(5～20)：1，更优选为(8～17)：1，更优选为(10～15)：1。
本发明原则上对所述有机镁源的输送载气及其参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述有机镁源的输送载气优选包括高纯氮气和/或高纯一氧化氮，更优选为高纯氮气或高纯一氧化氮。本发明所述有机镁源的输送载气流速优选为1～5sccm，更优选为1.5～4.5sccm，更优选为2～4sccm，更优选为2.5～3.5sccm。
本发明原则上对所述加热衬底的具体温度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述加热衬底的温度优选为400～800℃，更优选为450～750℃，更优选为500～700℃，更优选为550～650℃。
本发明原则上对所述化学气相沉积的过程参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述化学气相沉积的时间优选为1～3h，更优选为1.2～2.8h，更优选为1.5～2.5h，更优选为1.7～2.3h。所述化学气相沉积的温度优选为400～800℃，更优选为450～750℃，更优选为500～700℃，更优选为550～650℃。
本发明随后在上述步骤得到ZnMgO薄膜上先形成叉指电极掩膜，再形成金属层，然后去除掩膜，形成叉指电极层。
本发明原则上对所述形成叉指电极掩膜的方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述形成叉指电极掩膜的方式优选包括负胶光刻。
本发明原则上对所述形成金属层的方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述形成金属层的方式优选包括磁控溅射、热蒸发、小离子溅射和ALD中的一种或多种，更优选为磁控溅射、热蒸发、小离子溅射或ALD。具体可以为小离子溅射，如采用镀膜机溅射。其中，具体的，小离子溅射(小型镀膜机溅射)的溅射电流优选为5～8mA，更优选为5.5～7.5mA，更优选为6～7mA。
本发明原则上对所述去除掩膜的方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述去除掩膜的方式优选包括超声去除。具体的，所述超声的时间优选为3～5min，更优选为3.2～4.8min，更优选为3.5～4.5min，更优选为3.7～4.2min。
本发明最后在上述步骤得到的叉指电极层的叉指电极上复合聚合物层，非叉指电极处按压In颗粒后，得到ZnMgO紫外探测器。
本发明原则上对所述复合的方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况、原料情况以及产品要求进行选择和调整，本发明为提高ZnMgO的性能参数，提高ZnMgO紫外探测器的性能，降低ZnMgO紫外探测器的暗电流，提高稳定性，所述复合的方式优选包括旋涂和/或蒸发，更优选为旋涂或蒸发。具体的，所述旋涂的转速优选为1000～6000r/min，更优选为2000～5000r/min，更优选为3000～4000r/min。所述旋涂的时间为30～90s，更优选为40～80s，更优选为50～70s。
本发明上述步骤提供了一种具有陡峭的吸收截止边的单一六角相晶体结构的ZnMgO薄膜、紫外探测器及其制备方法。本发明以有机锌化合物作为锌源，有机镁化合物作为镁源，在通入过量氧气的条件下，金属有机化合物在化学气相沉积设备中生长ZnMgO薄膜层。本发明使用金属有机化合物化学气相沉积法制备ZnMgO薄膜，通过增加氧气流量，增加氧分压，减少内部氧缺陷，使制备得到的ZnMgO薄膜层具有结晶质量高，吸收截止边陡峭等特点，得到了这特定的优异结构性征和结晶质量的ZnMgO薄膜，在制备的器件表面再结合旋涂的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，使得ZnMgO紫外探测器具有更低的暗电流和更好的器件稳定性。
本发明得到的ZnMgO材料具有单一六角相晶体结构，具有结晶质量高，吸收截止边陡峭等特点，而且本发明制备ZnMgO薄膜材料还具有面积大、表面平整的优点，而且本发明提供的可控制备方法，步骤简单，条件温和，重复性好，过程可控，能够在制备过程和产品形貌上的全程可控，有利于规模化推广和应用。
实验结果表明，使用本发明制备的ZnMgO薄膜结晶质量好的单一六角相，制备的ZnMgO紫外探测器的暗电流低，响应度高，具有很好的器件稳定性和重复性，放置长时间后器件仍保持良好的器件性能。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种ZnMgO薄膜、紫外探测器及其制备方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD生长腔内，调节生长温度到500℃，压强为2x103Pa。使用二乙基锌作为锌源，二甲基二茂镁作为镁源，锌源的载气流速为10sccm，镁源的载气流速为1sccm。氧气的流速为200sccm，远大于锌源和镁源的流速。生长2h，关闭有机源和氧气，以0.2℃/s降低衬底温度到室温，得到ZnMgO薄膜。
在ZnMgO薄膜材料上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为4Pa的条件下，电流为8mA，溅射金属金。然后通过超声去除胶体掩膜。在叉指电极上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，匀胶机转速为2000r/min，旋转30s。在叉指电极层上除叉指电极以外的位置上按压In粒，最后得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
参见图1，图1为本发明提供的ZnMgO紫外探测器的结构示意简图。
对本发明实施例1中得到的ZnMgO薄膜进行粉末X射线衍射(XRD)测试。
参见图2，图2为本发明实施例1得到的ZnMgO薄膜的粉末X射线衍射图谱。
从图2中的图谱可以看出，在蓝宝石衬底上制备的ZnMgO薄膜的晶体结构为单一六角相结构。ZnMgO(002)的吸收峰比较尖锐，说明结晶质量较高。
对实施例1中得到的ZnMgO薄膜进行紫外-可见光吸收光谱测试。
参见图3，图3为本发明实施例1得到的ZnMgO薄膜的紫外-可见光吸收光谱图。
从图3中的谱图可以看出，制备的ZnMgO薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在365nm左右。
对实施例1中得到的ZnMgO薄膜进行暗态下的电流-电压特性曲线测试。
参见图4，图4为本发明实施例1得到的ZnMgO薄膜的暗态下电流-电压特性曲线图。
从图4的曲线中可以看出，制备的ZnMgO紫外探测器在10V下的暗电流为0.3μA，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有低的暗电流。
对实施例1中得到的ZnMgO紫外探测器进行365nm光照下的电流-时间特性曲线测试。
参见图5，图5为本发明实施例1得到的ZnMgO薄膜在365nm光照下的电流-时间特性曲线图。
从图5的曲线中可以看出，制备的ZnMgO紫外探测器具有很好的器件稳定性和重复性，放置长时间后器件仍保持良好的器件性能。
对实施例1中得到的ZnMgO紫外探测器进行光响应特性测试。
参见图6，图6为本发明实施例1得到的ZnMgO紫外探测器的光响应特性曲线图。
从图6的曲线中可以看出，制备的ZnMgO紫外探测器在10V下的峰值响应度位于365nm，峰值响应度为4.3A/W，-3dB截止边为382nm，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有高的光响应度。
实施例2
将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD生长腔内，调节生长温度到700℃，压强为2x103Pa。使用二乙基锌作为锌源，二甲基二茂镁作为镁源，锌源的载气流速为10sccm，镁源的载气流速为1sccm。氧气的流速为200sccm，远大于锌源和镁源的流速。生长2h，关闭有机源和氧气，以0.2℃/s降低衬底温度到室温，得到ZnMgO薄膜。
对本发明实施例2制备的ZnMgO薄膜进行表征。
参见图7，图7为本发明实施例2制备的ZnMgO薄膜表面形貌的SEM扫描电镜图。
由图7可知，本发明制备的ZnMgO薄膜由均匀的六角形结构的晶粒构成，表明薄膜为六角纤锌矿结构。
在ZnMgO薄膜材料上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为4Pa的条件下，电流为8mA，溅射金属金。然后通过超声去除胶体掩膜。在叉指电极上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，匀胶机转速为2000r/min，旋转30s。在叉指电极层上除叉指电极以外的位置上按压In粒，最后得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
对本发明实施例2制备的ZnMgO薄膜和器件进行测试。
在蓝宝石衬底上制备的ZnMgO薄膜的晶体结构为单一六角相结构。制备的ZnMgO薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在367nm左右。
制备的ZnMgO紫外探测器在10V下的暗电流为0.8μA，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有低的暗电流。制备的ZnMgO紫外探测器具有很好的器件稳定性和重复性，放置长时间后器件仍保持良好的器件性能。
制备的ZnMgO紫外探测器在10V下的峰值响应度位于367nm，峰值响应度为2.1A/W，-3dB截止边为385nm，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有高的光响应度。
实施例3
将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD生长腔内，调节生长温度到500℃，压强为2x103Pa。使用二乙基锌作为锌源，二甲基二茂镁作为镁源，锌源的载气流速为10sccm，镁源的载气流速为1sccm。氧气的流速为200sccm，远大于锌源和镁源的流速。生长2h，关闭有机源和氧气，以0.2℃/s降低衬底温度到室温，得到ZnMgO薄膜。
对本发明实施例3制备的ZnMgO薄膜进行表征。
参见图8，图8为本发明实施例3制备的ZnMgO薄膜的X射线能谱分析谱图。
由图8可知，本发明制备的ZnMgO薄膜中锌元素和镁元素的比例大约为17：3。
在ZnMgO薄膜材料上使用负胶光刻形成20对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为4Pa的条件下，电流为6mA，溅射金属金。然后通过超声去除胶体掩膜。在叉指电极上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，匀胶机转速为2000r/min，旋转30s。在叉指电极层上除叉指电极以外的位置上按压In粒，最后得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
对本发明实施例3制备的ZnMgO薄膜和器件进行测试。
对ZnMgO薄膜和器件进行测试，在蓝宝石衬底上制备的ZnMgO薄膜的晶体结构为单一六角相结构。制备的ZnMgO薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在361nm左右。
制备的ZnMgO紫外探测器在10V下的暗电流为0.3μA，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有低的暗电流。制备的ZnMgO紫外探测器具有很好的器件稳定性和重复性，放置长时间后器件仍保持良好的器件性能。
制备的ZnMgO紫外探测器在10V下的峰值响应度位于361nm，峰值响应度为4.2A/W，-3dB截止边为380nm，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有高的光响应度。
以上对本发明提供的一种具有陡峭的吸收截止边的单一六角相晶体结构的ZnMgO薄膜、紫外探测器及其制备方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种ZnMgO薄膜，其特征在于，所述ZnMgO薄膜具有单一六角相晶体结构；
所述ZnMgO薄膜中，ZnO和MgO的质量比为(7～11)：1；
所述ZnMgO的吸收截止边为350～370nm。
2.根据权利要求1所述的ZnMgO薄膜，其特征在于，所述ZnMgO薄膜为具有(002)单一取向的ZnMgO薄膜；
所述吸收截止边为光吸收截止边；
所述ZnMgO具有陡峭的吸收截止边；
所述ZnMgO在吸收截止边位置，5nm波段范围内透射率下降70％～90％；
所述ZnMgO的晶粒尺寸为0.3～1nm。
3.根据权利要求2所述的ZnMgO薄膜，其特征在于，所述光吸收截止边包括紫外光和可见光的光吸收截止边；
所述ZnMgO薄膜的长度为1～5cm；
所述ZnMgO薄膜的宽度为1～5cm；
所述ZnMgO薄膜的厚度为100～600nm；
所述ZnMgO薄膜的均方根粗糙度为0.1～2nm。
4.一种ZnMgO紫外探测器，其特征在于，包括权利要求1～3任意一项所述的ZnMgO薄膜层。
5.根据权利要求4所述的ZnMgO紫外探测器，其特征在于，所述ZnMgO紫外探测器还包括衬底；
所述ZnMgO薄膜层复合在所述衬底上；
复合在所述ZnMgO薄膜层上的叉指电极层；
复合在所述叉指电极层的叉指电极表面上的聚合物层；
所述叉指电极层的非叉指电极表面上设置有In颗粒。
6.根据权利要求5所述的ZnMgO紫外探测器，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底、石英衬底和氧化镁衬底中的一种或多种；
所述衬底的厚度为100～600nm；
所述叉指电极层的材质包括金、银、铂和铝中的一种或多种；
所述叉指电极层的厚度为20～40nm；
所述聚合物包括PMMA和/或PDMA；
所述聚合物层的厚度为0.1～10μm；
所述In颗粒的直径为1～3mm；
所述In颗粒的高度为0.1～1mm。
7.一种ZnMgO紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在过量氧气的条件下，将有机锌源和有机镁源在加热衬底上进行化学气相沉积后，得到生长有ZnMgO薄膜的衬底；
2)在上述步骤得到ZnMgO薄膜上先形成叉指电极掩膜，再形成金属层，然后去除掩膜，形成叉指电极层；
3)在上述步骤得到的叉指电极层的叉指电极上复合聚合物层，非叉指电极处按压In颗粒后，得到ZnMgO紫外探测器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述有机锌源包括二乙基锌和/或二甲基锌；
所述有机镁源包括二甲基二茂镁和/或二茂镁；
所述有机锌源与有机镁源的质量比为(5～20)：1；
所述有机锌源的输送载气包括高纯氮气和/或高纯一氧化氮；
所述有机锌源的输送载气流速为10～30sccm；
所述有机镁源的输送载气包括高纯氮气和/或高纯一氧化氮；
所述有机镁源的输送载气流速为1～5sccm；
所述氧气流速为100～900sccm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积过程中，氧气的分压为1x102～1x103 Pa；
所述加热衬底的温度为400～800℃；
所述化学气相沉积的时间为1～3h；
所述化学气相沉积的温度为400～800℃；
所述形成叉指电极掩膜的方式包括负胶光刻。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述形成金属层的方式包括磁控溅射、热蒸发、小离子溅射和ALD中的一种或多种；
所述小离子溅射的溅射电流为5～8mA；
所述去除掩膜的方式包括超声去除；
所述超声的时间为3～5min；
所述复合的方式包括旋涂和/或蒸发；
所述ZnMgO紫外探测器的光响应截止边为380～400nm；
所述ZnMgO紫外探测器具有MSM结构。
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