CN113066876A - 一种紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于紫外探测器技术领域，尤其涉及一种紫外探测器及其制备方法。本发明提供的紫外探测器包括：衬底；设置于所述衬底表面的像素点阵结构和读出电路，所述像素点阵结构由多个像素单元构成；和生长在每个所述像素单元上的宽禁带氧化物膜层，所述宽禁带氧化物膜层的生长温度为20～450℃。本发明提供的紫外探测器直接在设置好像素点阵结构和读出电路的衬底上低温生长构建宽禁带氧化物半导体膜层；与传统的先生长薄膜，再连接读出电路的方式相比，具有制备简单，易于控制的特点，具有十分广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于紫外探测器技术领域，尤其涉及一种紫外探测器及其制备方法。
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。由于大气层的强烈吸收，使得太阳辐射中波长低于280nm的紫外线在地表几乎不存在，这一紫外波段被形象的称为日盲波段。工作在这一波段的日盲紫外探测器不受太阳辐射的干扰，具有更高的灵敏度，在弱信号探测方面具有突出的优势。
目前，己投入商用的紫外探测器主要有硅基探测器、光电倍增管和半导体探测器。硅基探测器需要附带滤光片，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。相对硅基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。
半导体紫外探测器除了需要半导体薄膜构建的探测单元之外，还需要连接电路读出单元，其传统的制备方式是先在设置有像素点阵结构的衬底上生长半导体薄膜，再连接读出电路；但这种制备方式在进行电路连接时的操作较为复杂，技术门槛高，不易控制。而如果考虑先在衬底上设置像素点阵结构和读出电路，然后再生长半导体薄膜；这样虽然可以降低制备的难度，但存在高温生长条件下电路结构容易被破坏，低温生长条件下生长的薄膜缺陷较多的问题，严重影响器件的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种紫外探测器及其制备方法，本发明提供的紫外探测器制备简单，性能优异。
本发明提供了一种紫外探测器，包括：
衬底；
设置于所述衬底表面的像素点阵结构和读出电路，所述像素点阵结构由多个像素单元构成；
和生长在每个所述像素单元上的宽禁带氧化物膜层，所述宽禁带氧化物膜层的生长温度为20～450℃。
优选的，所述宽禁带氧化物膜层的成分为氧化锌、氧化镁、氧化锌镁、氧化镓、镓酸锌、镓酸镁或锌镓镁氧合金。
本发明提供了一种紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
a)在衬底表面设置像素点阵结构和读出电路，所述像素点阵结构由多个像素单元构成；
b)将设置有像素点阵结构和读出电路的衬底置于宽禁带氧化物膜层生长设备中；用掩模挡住读出电路，在20～450℃条件下进行宽禁带氧化物膜层的生长；
c)完成宽禁带氧化物膜层的生长后，将生长在相邻两个像素单元之间的氧化物膜层刻蚀掉，得到紫外探测器。
优选的，步骤b)中，生长所述宽禁带氧化物膜层的方式为金属有机化学气相沉积或磁控溅射。
优选的，所述金属有机化学气相沉积的真空度为2×102～1×104Pa。
优选的，所述金属有机化学气相沉积的有机源包括锌源有机物、镓源有机物和镁源有机物中的一种或多种；
所述锌源有机物包括二甲基锌和/或二乙基锌；
所述镓源有机物包括三甲基镓和/或三乙基镓；
所述镁源有机物包括二甲基二茂镁和/或二乙基二茂镁。
优选的，所述金属有机化学气相沉积的时间为0.5～5h。
优选的，所述磁控溅射的溅射射频功率为40～200W。
优选的，所述磁控溅射的压强为1×10-2～1×101Pa。
优选的，所述磁控溅射的时间为1～3h。
与现有技术相比，本发明提供了一种紫外探测器及其制备方法。本发明提供的紫外探测器包括：衬底；设置于所述衬底表面的像素点阵结构和读出电路，所述像素点阵结构由多个像素单元构成；和生长在每个所述像素单元上的宽禁带氧化物膜层，所述宽禁带氧化物膜层的生长温度为20～450℃。本发明提供的紫外探测器采用宽禁带氧化物作为半导体膜层材料，相比于传统的III-V族材料，宽禁带氧化物即使在低温生长条件下也不会出现明显的膜层缺陷，仍然可以保持较好的光电性能；因此本发明提供的紫外探测器的半导体膜层的生长可以在低温条件下进行，从而避免读出电路在膜层生长过程中遭到损坏，确保器件性能的优异性。本发明提供的紫外探测器直接在设置好像素点阵结构和读出电路的衬底上低温生长构建宽禁带氧化物半导体膜层；与传统的先生长薄膜，再连接读出电路的方式相比，具有制备简单，易于控制的特点，具有十分广阔的市场前景。
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是本发明实施例1提供的紫外探测器中宽禁带氧化物薄膜的X射线衍射(XRD)谱图；
图2是本发明实施例1提供的紫外探测器中的宽禁带氧化物薄膜的光电子能谱(EDS)谱图；
图3是本发明实施例1提供的紫外探测器中的宽禁带氧化物薄膜的UV-Vis谱图；
图4是本发明实施例1提供的紫外探测器其中的一个像素单元的光电特性图谱。
具体实施方式
下面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。
本发明提供了一种紫外探测器，包括：
衬底；
设置于所述衬底表面的像素点阵结构和读出电路，所述像素点阵结构由多个像素单元构成；
和生长在每个所述像素单元上的宽禁带氧化物膜层，所述宽禁带氧化物膜层的生长温度为20～450℃。
在本发明提供的紫外探测器包括衬底、像素点阵结构、读出电路和宽禁带氧化物膜层。其中，所述衬底包括但不限于蓝宝石衬底；所述像素点阵结构和读出电路设置于所述衬底表面；所述像素点阵结构由多个像素单元构成，每个所述像素单元由一对电极单元组成，所述电极单元的材料优选为金，所述电极单元的结构优选为叉指结构；所述像素点阵结构的规格具体可为3×3像素点阵；所述读出电路分别与每个所述像素单元相连，所述读出电路有两个接点，每个接点对应连接所述像素单元中的一个电极单元，连接所用材料优选为金丝，所述金丝的直径优选为10～50μm，具体可为25μm。
在本发明提供的紫外探测器中，所述宽禁带氧化物膜层生长在每个所述像素单元上，所述读出电路上以及相邻两个所述像素单元之间没有宽禁带氧化物膜层；所述宽禁带氧化物膜层由低温生长形成，其具体生长温度为20～450℃，优选为50～400℃，更优选为100～350℃，具体可为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃或350℃；所述生长的方式优选为金属有机化学气相沉积(MOCVD)或磁控溅射；所述宽禁带氧化物膜层的成分优选为氧化锌、氧化镁、氧化锌镁、氧化镓、镓酸锌、镓酸镁或锌镓镁氧合金；所述宽禁带氧化物膜层的厚度优选为50～1000nm，具体可为50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。
本发明提供的紫外探测器采用宽禁带氧化物作为半导体膜层材料，相比于传统的III-V族材料，宽禁带氧化物即使在低温生长条件下也不会出现明显的膜层缺陷，仍然可以保持较好的光电性能；因此本发明提供的紫外探测器的半导体膜层的生长可以在低温条件下进行，从而避免读出电路在膜层生长过程中遭到损坏，确保器件性能的优异性。本发明提供的紫外探测器直接在设置好像素点阵结构和读出电路的衬底上低温生长构建宽禁带氧化物半导体膜层；与传统的先生长薄膜，再连接读出电路的方式相比，具有制备简单，易于控制的特点，具有十分广阔的市场前景。
本发明还提供了一种紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
a)在衬底表面设置像素点阵结构和读出电路，所述像素点阵结构由多个像素单元构成；
b)将设置有像素点阵结构和读出电路的衬底置于宽禁带氧化物膜层生长设备中；用掩模挡住读出电路，在20～450℃条件下进行宽禁带氧化物膜层的生长；
c)完成宽禁带氧化物膜层的生长后，将生长在相邻两个像素单元之间的氧化物膜层刻蚀掉，得到紫外探测器。
在本发明提供的制备方法中，首先在衬底表面设置像素点阵结构和读出电路。其中，所述衬底包括但不限于蓝宝石衬底；所述像素点阵结构由多个像素单元构成；本发明对在衬底表面设置像素点阵结构和读出电路的具体方法没有特别限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可。
在本发明提供的制备方法中，完成像素点阵结构和读出电路的设置后，将衬底置于宽禁带氧化物膜层生长设备中，用掩模挡住读出电路，只露出像素点阵的所在区域，在低温条件下进行宽禁带氧化物膜层的生长。其中，所述生长的温度为20～450℃，优选为50～400℃，更优选为100～350℃，具体可为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃或350℃；所述生长设备根据所采用的生长方式进行具体选择；所述生长的方式优选为金属有机化学气相沉积(MOCVD)或磁控溅射。
在本发明提供的制备方法中，当采用金属有机化学气相沉积的方式生长宽禁带氧化物膜层时，所述金属有机化学气相沉积的真空度优选为2×102～1×104Pa，具体可为2×102Pa、5×102Pa、7×102Pa、1×103Pa、1.2×103Pa、1.5×103Pa、1.7×103Pa、2×103Pa、5×103Pa、7×103Pa或1×104Pa；所述金属有机化学气相沉积的有机源优选包括锌源有机物、镓源有机物和镁源有机物中的一种或多种，所述锌源有机物优选包括二甲基锌和/或二乙基锌，所述镓源有机物优选包括三甲基镓和/或三乙基镓，所述镁源有机物优选包括二甲基二茂镁和/或二乙基二茂镁；所述有机源的载气优选氮气；膜层生长过程中输送所述锌源有机物的载气流速优选为5～20mL/min，具体可为5mL/min、10mL/min、15mL/min或20mL/min；膜层生长过程中输送所述镓源有机物的载气流速优选为5～40mL/min，具体可为5mL/min、10mL/min、15mL/min、20mL/min、25mL/min、30mL/min、35mL/min或40mL/min；膜层生长过程中输送所述镁源有机物的载气流速优选为1～40mL/min，具体可为1mL/min、5mL/min、10mL/min、15mL/min、20mL/min、25mL/min、30mL/min、35mL/min或40mL/min；膜层生长过程中氧气的流速优选为100～1000mL/min，具体可为100mL/min、150mL/min、200mL/min、230mL/min、250mL/min、300mL/min、350mL/min、400mL/min、450mL/min、500mL/min、600mL/min、700mL/min、800mL/min、900mL/min或1000mL/min；所述金属有机化学气相沉积的时间优选为0.5～5h，具体可为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h。金属有机化学气相沉积结束后，关闭有机源，将完成膜层生长的衬底材料逐渐将至室温，降温的速率优选为0.1～50℃/min，更优选为1～20℃/min，具体可为1℃/min、5℃/min、10℃/min、15℃/min或20℃/min。
在本发明提供的制备方法中，当采用磁控溅射的方式生长宽禁带氧化物膜层时，所述磁控溅射的溅射射频功率优选为40～200W，具体可为40W、50W、60W、70W、80W、90W、100W、120W、150W、170W或200W；所述磁控溅射的压强优选为1×10-2～1×101Pa，具体可为1×10-2Pa、2×10-2Pa、5×10-2Pa、7×10-2Pa、1×10-1Pa、2×10-1Pa、5×10-1Pa、7×10-1Pa、1Pa、2Pa、5Pa、7Pa、1×101Pa；所述磁控溅射的时间优选为1～3h，具体可为1h、1.5h、2h、2.5h或3h。磁控溅射结束后，将完成膜层生长的衬底材料逐渐将至室温，降温的方式优选为自然冷却。
在本发明提供的制备方法中，完成宽禁带氧化物膜层的低温生长后，将生长在相邻两个像素单元之间的氧化物膜层刻蚀掉，得到紫外探测器。其中，所述刻蚀的方式优选为光刻。
本发明提供的制备方法采用宽禁带氧化物作为半导体膜层材料，相比于传统的III-V族材料，宽禁带氧化物即使在低温生长条件下也不会出现明显的膜层缺陷，仍然可以保持较好的光电性能；因此本发明提供的制备方法的半导体膜层的生长可以在低温条件下进行，从而避免读出电路在膜层生长过程中遭到损坏，确保制得器件性能的优异性。本发明提供的制备方法直接在设置好像素点阵结构和读出电路的衬底上低温生长构建宽禁带氧化物半导体膜层；与传统的先生长薄膜，再连接读出电路的方式相比，具有制备简单，易于控制的特点，具有十分广阔的市场前景。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
制备紫外探测器，具体步骤如下：
1)在蓝宝石衬底上作出3×3的像素点阵结构和读出电路；其中，所述像素点阵结构中的每个像素单元由两个独立的电极单元组成，所述电极单元由金构成，为叉指结构，叉指的指长为0.5mm，指宽和指间距为10μm，叉指对数为50对；所述读出电路分别与每个所述像素单元相连(所述读出电路有两个接点，每个接点对应连接所述像素单元中的一个电极单元)，连接所用材料为直径为25μm的金丝；
2)将表面具有像素点阵结构和读出电路的衬底材料置放入MOCVD生长设备中，用掩模挡住读出电路，只露出像素点阵的所在区域，调节生长温度350℃，生长室真空度1.2×103Pa，使用三甲基镓作为镓源，通入氧气流速为230mL/min，三甲基镓管路的载气流速为30mL/min；
3)生长3小时后，关闭有机源，以5℃/min的速率降低温度，最终降低到室温；取出衬底，衬底上的Ga2O3薄膜生长厚度为300nm；
4)通过光刻将相邻像素单元之间生长的Ga2O3薄膜刻蚀掉，得到紫外探测器。
对本实施例中得到的Ga2O3薄膜进行X射线衍射(XRD)测试，得到其图谱如图1所示，从图1中可以看出，只有Ga2O3的衍射峰，XRD的吸收峰比较尖锐，说明结晶质量较高。
对本实施例中得到的Ga2O3薄膜进行EDS测试，得到其图谱如图2所示，从图2中可以看出，制备的Ga2O3薄膜中只能观察到Ga，Al，O元素。
对本实施例中得到的Ga2O3薄膜进行紫外-可见光吸收光谱测试，得到其图谱如图3所示，从图3中可以看出，制备的Ga2O3薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在250nm左右。
通过衬底上的读出电路测试本实施例制备的紫外探测器的光电特性，具体为：使用紫外灯开关，进行电流-时间特性测试；一共测试3×3＝9个像素单元。其中一个像素单元的电流-时间特性图谱如图4所示，从图4中可以看出，本实施例制备的紫外探测器的像素单元的暗电流约为11pA，在紫外光照射时具有较高的光电流，可达28μA以上；当紫外光停止照射时又可以很快的恢复到暗电流状态，90～10％响应时间为120ms，说明Ga2O3薄膜同时具有高的紫外光响应度和很短的响应时间。
所有9个像素单元的光电流和响应时间如表1所示：
表1实施例1中的紫外探测器各个像素单元的光电特性参数
| 单元 | 暗电流pA | 光电流μA | 响应时间ms |
| 1 | 11 | 28 | 120 |
| 2 | 10 | 30 | 120 |
| 3 | 11 | 27 | 120 |
| 4 | 9 | 28 | 120 |
| 5 | 12 | 28 | 120 |
| 6 | 11 | 26 | 120 |
| 7 | 11 | 33 | 120 |
| 8 | 11 | 29 | 120 |
| 9 | 9 | 31 | 120 |
从表1中可以看出，所有9个像素单元的光电特性性能接近，说明本实施例制备的薄膜以及器件工艺的均匀性较好，当探测器的像素点数目增多后，有望用于紫外成像器件。
实施例2
参见实施例1的制备步骤，去区别仅在于，将Ga2O3薄膜的生长方式由MOCVD替换为磁控溅射，具体的磁控溅射条件为：溅射射频功率为100W，溅射压强为1×10-1Pa，溅射时间为2h；将完成膜层生长的衬底材料逐渐将至室温，降温的方式优选为自然冷却。
参照实施例1的测试方法，通过衬底上的读出电路测试本实施例制备的紫外探测器的光电特性，所有9个像素单元的光电流和响应时间如表2所示：
表2实施例2中的紫外探测器各个像素单元的光电特性参数
从表2中可以看出，所有9个像素单元的光电特性性能接近，说明本实施例制备的薄膜以及器件工艺的均匀性较好，当探测器的像素点数目增多后，有望用于紫外成像器件。
对比例1
参见实施例1的制备步骤，去区别仅在于，将Ga2O3薄膜的生长温度由350℃上调至650℃。
参照实施例1的测试方法，通过衬底上的读出电路测试本对比例制备的紫外探测器的光电特性，结果显示：所有像素点的暗电流均为小于10pA(检测线以下)，光照无变化仍为10pA，说明电路连接发生破坏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种紫外探测器，包括：
衬底；
设置于所述衬底表面的像素点阵结构和读出电路，所述像素点阵结构由多个像素单元构成；
和生长在每个所述像素单元上的宽禁带氧化物膜层，所述宽禁带氧化物膜层的生长温度为20～450℃。
2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述宽禁带氧化物膜层的成分为氧化锌、氧化镁、氧化锌镁、氧化镓、镓酸锌、镓酸镁或锌镓镁氧合金。
3.一种紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
a)在衬底表面设置像素点阵结构和读出电路，所述像素点阵结构由多个像素单元构成；
b)将设置有像素点阵结构和读出电路的衬底置于宽禁带氧化物膜层生长设备中；用掩模挡住读出电路，在20～450℃条件下进行宽禁带氧化物膜层的生长；
c)完成宽禁带氧化物膜层的生长后，将生长在相邻两个像素单元之间的氧化物膜层刻蚀掉，得到紫外探测器。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，生长所述宽禁带氧化物膜层的方式为金属有机化学气相沉积或磁控溅射。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属有机化学气相沉积的真空度为2×102～1×104Pa。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属有机化学气相沉积的有机源包括锌源有机物、镓源有机物和镁源有机物中的一种或多种；
所述锌源有机物包括二甲基锌和/或二乙基锌；
所述镓源有机物包括三甲基镓和/或三乙基镓；
所述镁源有机物包括二甲基二茂镁和/或二乙基二茂镁。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属有机化学气相沉积的时间为0.5～5h。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的溅射射频功率为40～200W。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的压强为1×10-2～1×101Pa。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的时间为1～3h。
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