CN116581183A - 一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于紫外光电探测技术领域，具体涉及一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，原点位于探测器中心位置，感光区域位于由x轴和y轴划分的四象限区域呈中心对称分布，且被阻隔沟道隔开，四个光电探测器对应的四组金电极与外部电极相连接。感光区域采用金属金为电极的金属‑半导体‑金属结构叉指电极，金属‑半导体‑金属结构中为制备的氧化锡氧化镉超晶格材料。本发明利用人工设计纳米级结构单元的周期性超晶格结构，完成了材料的尺寸长度小于电子的玻尔半径，实现了电子的量子尺寸效应，一方面实现了电子在紫外波段的能级跃迁方式，另一方面促进了探测器的光电探测效率。
Description
技术领域
本发明属于紫外光电探测技术领域，具体涉及一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器。
背景技术
日盲紫外探测器是针对小于280nm紫外波段的光信号应用，由于大气臭氧层对紫外光的强吸收作用，使得日盲紫外探测具有干扰性小，探测效率高等优点。为了实现日盲探测，需要半导体材料具有较大的带隙宽度。目前报导的日盲紫外探测器主要还是由一些如第三代半导体材料，如Ga2O3，金刚石等宽禁带半导体材料制备而成，尚未有利用量子限域效应，人工设计周期性超晶格结构实现紫外波段跃迁用于日盲紫外探测的报导。由于超晶格材料中的纳米结构单元的尺寸长度远小于电子束缚长度，超晶格材料中具有量子尺寸效应，相较于传统材料，超晶格材料具有更高的光电转化效率。
四象探测器可用于探测光的位置和强度，四个象限的光敏区域可将入射光分为四个象限，通过测试每个象限中的光强信号，通过半导体材料转化为电信号，此信号的幅度与入射光强成正比。四象限探测器可以同时用于测量光的位置和强度，可在激光测距，导弹制导，光电位置控制等方面具有丰富应用。
发明内容
本发明提出了一种用于日盲紫外波段探测的氧化锡氧化镉超晶格四象限探测器，其通过制备氧化锡氧化镉周期排列分布的周期性超晶格结构，利用量子尺寸效应，完成了人工带隙调控，实现了电子在紫外波段的能级跃迁方式。
本发明采用如下技术方案：
一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，原点位于探测器中心位置，感光区域位于由x轴和y轴划分的四象限区域呈中心对称分布，且被阻隔沟道隔开，四个光电探测器对应的四组金电极与外部电极相连接。
进一步地，感光区域采用金属金为电极的金属-半导体-金属结构叉指电极，金属-半导体-金属结构中为制备的氧化锡氧化镉超晶格材料。
进一步地，由公式，计算出σx和σy，其中P1-P4为各个象限对应的光功率，σx和σy为在x方向和y方向在感光区域接受到的相对功率大小关系，通过σx和σy可确定入射光的位置及其强度分布。
进一步地，氧化锡氧化镉超晶格材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一：将醋酸锌，氢氧化钠，五水四氯化锡，四水硝酸镉粉末加入去离子水中混合均匀，将混合物在室温中不断搅拌直至完全溶解，获得所需前驱液；
步骤二：将步骤一制备的前驱液转至反应釜中高温加热，等待反应釜冷却致室温后得到初始白色沉淀产物；
步骤三：将步骤二中所得的初始白色沉淀产物通过酒精和去离子水洗涤离心后干燥得到氧化锡氧化镉纳米结构超晶格前驱物粉末；
步骤四：将氧化锡氧化镉纳米结构超晶格前驱物粉末放置于管式炉中高温煅烧，得到目标产物。
进一步地，步骤一中，加入分析纯的醋酸锌，氢氧化钠，五水四氯化锡，四水硝酸镉的摩尔比为1：53~55：10~12：4~6。
进一步地，步骤四中，在管式炉中通入氮气，使氧化锡氧化镉纳米结构超晶格前驱物粉末在氮气环境下完成高温煅烧。
进一步地，氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器通过如下步骤制备：
步骤Ⅰ：通过光刻的方法，经过涂胶、曝光、显影和刻蚀后在硅片衬底上形成四象限金属-半导体-金属结构叉指电极的光电探测器；
步骤Ⅱ：将所制备的氧化锡氧化镉超晶格材料分散于适量的乙醇溶液中，超声处理直至粘稠状，然后通过旋涂的方式涂抹于步骤Ⅰ中制备的叉指电极上，之后于80°C的环境下老化0.5h，即制得目标探测器。
进一步地，步骤Ⅰ中，感光区域的象限间距为200µm，每个单独的象限区域由15对弧形叉指电极构成，叉指电极的叉指宽度为100µm，叉指电极的间距为50µm。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明利用人工设计纳米级结构单元的周期性超晶格结构，完成了材料的尺寸长度小于电子的玻尔半径，实现了电子的量子尺寸效应，一方面实现了电子在紫外波段的能级跃迁方式，另一方面促进了探测器的光电探测效率。
2、此发明制备的氧化锡氧化镉超晶格材料中在生长方向形成周期性量子阱，而在垂直成长方向电子具有自由电子气特性，使得电子具有更好的迁移率，所制备的日盲紫外探测器具有更高的响应速度。
3、本发明制备方法工艺简单，原材料易得，成本低廉。
附图说明
图1为本发明制备的四象限探测器的三维结构示意图；
图2为本发明制备的四象限探测器的侧视结构示意图；
图3为本发明制备的金属-半导体-金属结构叉指电极示意图；
图4为本发明制备的金属-半导体-金属结构叉指电极部分放大图；
图5为本发明制备的氧化锡氧化镉超晶格材料的透射电子显微镜图；
图6本发明制备的氧化锡氧化镉超晶格材料的透射电子显微镜电子衍射图；
图7为本发明制备的氧化锡氧化镉超晶格材料的紫外-可见波段的吸收谱线；
图8为本发明制备的氧化锡氧化镉超晶格四象限探测器在紫外光照射下的响应曲线。
附图标记说明：
1-阻隔沟道；2-氧化锡氧化镉超晶格材料薄膜；3-金属-半导体-金属结构叉指电极；31-四象限叉指电极；32-外部信号传输电极；4-黏附层；5-衬底；d1-叉指宽度；d2-叉指间距。
具体实施方式
一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，采用如下步骤制备而成：
S1、使用气相沉积法在硅片上生长一层二氧化硅薄膜作为光刻的底层。
S2、将聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶旋涂在二氧化硅薄膜上，旋转速度为2000±200rpm，时间为30±1秒，热板在160度下前烘10min，后将硅片放于紫外光刻机进行曝光形成叉指电极光刻胶图案。
S3、将曝光后的硅片放入显影液中，显影后可看出所设计四象限金属-半导体-金属结构电极的轮廓如图3所示，四个象限间距为200µm，每个象限均包括15对弧形叉指电极，每对叉指电极的宽度为d1为100µm，叉指间距d2为50µm。
S4、将硅片放入电子束蒸发镀膜设备中，在硅片表面沉积一层金电极层。
S5、使用金属剥离工艺，通过丙酮等有机溶剂，将光刻胶及光刻胶上的金去掉，得到所需的四象限金属-半导体-金属结构叉指电极。
S6、将已制备好的四象限金属-半导体-金属结构叉指电极用丙酮、异丙醇、乙醇以及去离子水清洗干净，后于氮气环境中干燥。
S7、将已制备的氧化锡氧化镉超晶格材料放置于乙醇溶液中，配置浓度为40mg/ml的乙醇溶液。
S8、在步骤S5制备的四象限金属-半导体-金属结构叉指电极上旋涂氧化锡氧化镉超晶格薄膜，旋涂分两段进行，第一段转速设置为1000rmp，旋涂时间为10秒，第二段设置转速为3000rpm，旋涂时间为30秒。
S9、将所制备的涂有氧化锡氧化镉超晶格材料的叉指电极放置于80°的环境下退化0.5h，即可制备目标探测器。
上述步骤中的氧化锡氧化镉超晶格由如下步骤制备而成：
步骤一、前驱液制备：
在量筒中称取去离子水，使用电子天平称取分析纯的醋酸锌，加入至去离子水中，室温下磁力搅拌至充分溶解。
使用电子天平称取分析纯氢氧化钠固体，加入至上述溶液，室温磁力搅拌至其完全溶解。
使用电子天平称取分析纯五水四氯化锡，加入至上述溶液，室温磁力搅拌至充分溶解。
使用电子天平称取分析纯四水硝酸镉，加入至上述溶液，室温下充分磁力搅拌至充分溶解。
称取的分析纯的醋酸锌，氢氧化钠，五水四氯化锡，四水硝酸镉的摩尔比为1：53~55：10~12：4~6。
将上述所得溶液超声10分钟，使得溶液分散均匀，得到反应所需的前驱液。
步骤二、自组装氧化锡氧化镉纳米结构超晶格前驱物粉末制备：
将步骤一所制备的前驱液转移到100ml的聚四氟乙烯反应釜中，将反应釜放置于马弗炉中，之后设置马弗炉的升温速率为2℃/min至180℃下加热16h，等待水热反应釜冷却致室温后得到白色沉淀产物。
将上述所得的白色沉淀产物先通过去离子水洗涤离心三次，而后通过乙醇离心三次，离心时需在6000-9000rpm/min的速度下保持5-10min，后转移至烘箱中干燥2h，保持干燥的温度为60℃，得到自组装氧化锡氧化镉纳米结构超晶格前驱物粉末。
步骤三、自组装氧化锡氧化镉纳米结构超晶格制备：
将前驱物粉末研磨后放置于坩埚中，将坩埚转移至管式炉中，向管式炉中通入氮气，设置管式炉升温速率为2℃/min至400℃后高温煅烧1h，后自然降温冷却至室温，得到自组装氧化锡氧化镉纳米结构超晶格。
如图1-2所示，衬底5上设置黏附层4，黏附层4上依次设置金属-半导体-金属结构叉指电极3、氧化锡氧化镉超晶格材料薄膜2。氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器的原点位于探测器中心位置，感光区域位于由x轴和y轴划分的四象限区域呈中心对称分布，且被阻隔沟道1隔开。如图3所示，四个光电探测器对应的四组四象限叉指电极31与外部信号传输电极32相连接。感光区域采用金属金为电极的金属-半导体-金属结构叉指电极3和氧化锡氧化镉超晶格材料薄膜2。
由公式，计算出σx和σy，其中P1-P4为各个象限对应的光功率，σx和σy为在x方向和y方向在感光区域接受到的相对功率大小关系，通过σx和σy可确定入射光的位置及其强度分布。
本发明提供了一种用于日盲紫外波段探测的氧化锡氧化镉超晶格四象限探测器，通过水热自组装方法制备了氧化锡氧化镉超晶格纳米材料，通过在衬底上依次形成黏附层，金属金为电极的金属-半导体-金属结构的四象限叉指电极，氧化锡氧化铬超晶格薄膜层，从而制备得到具有日盲紫外波段探测的四象限探测器。由于超晶格在自组装下形成的晶格适配调节，在倒空间实现隙调节作用，完成紫外波段的跃迁方式。在外界紫外光照射下，通过金属-半导体-金属结构叉指电极实现电信号产生，并通过传输电极将电信号传播到外部接受装置，从而实现光信号到电信号的转变，此外，通过各个象限产生的电信号差异，即可完成对外界紫外光照射的定位。
从图5、图6中可以看出，所制备的氧化锡氧化镉具有周期分布的超晶格结构，且具有较小的尺寸厚度。
从图7中可以看出，所制备的氧化锡氧化镉超晶格材料具有在紫外波段的吸收特性，其原因在于通过利用量子尺寸效应，所制备的氧化锡氧化镉超晶格材料具有很小的尺寸厚度，使得电子能级出现了紫外波段的跃迁行为。
从图8可以看出，所制备的氧化锡氧化镉超晶格四象限探测器，在紫外光的照射下具有较好的响应速度。
以上仅为本发明的实施方式而已,并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原理之内的，所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包括在本发明的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，其特征在于，所述氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器的原点位于探测器中心位置，感光区域位于由x轴和y轴划分的四象限区域呈中心对称分布，且被阻隔沟道（1）隔开，四个光电探测器对应的四组金电极与外部电极相连接；
氧化锡氧化镉超晶格材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一：将醋酸锌，氢氧化钠，五水四氯化锡，四水硝酸镉粉末加入去离子水中混合均匀，将混合物在室温中不断搅拌直至完全溶解，获得所需前驱液；
步骤二：将步骤一制备的前驱液转至反应釜中高温加热，等待反应釜冷却致室温后得到初始白色沉淀产物；
步骤三：将步骤二中所得的初始白色沉淀产物通过酒精和去离子水洗涤离心后干燥得到氧化锡氧化镉纳米结构超晶格前驱物粉末；
步骤四：将氧化锡氧化镉纳米结构超晶格前驱物粉末放置于管式炉中高温煅烧，得到目标产物。
2.根据权利要求1所述的一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，其特征在于，所述的感光区域采用金属金为电极的金属-半导体-金属结构叉指电极，金属-半导体-金属结构中为制备的氧化锡氧化镉超晶格材料。
3.根据权利要求1所述的一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，其特征在于，由公式，/>计算出σx和σy，其中P1-P4为各个象限对应的光功率，σx和σy为在x方向和y方向在感光区域接受到的相对功率大小关系，通过σx和σy可确定入射光的位置及其强度分布。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，其特征在于，所述步骤一中，加入分析纯的醋酸锌，氢氧化钠，五水四氯化锡，四水硝酸镉的摩尔比为1：53~55：10~12：4~6。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，其特征在于，所述步骤四中，在管式炉中通入氮气，使氧化锡氧化镉纳米结构超晶格前驱物粉末在氮气环境下完成高温煅烧。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，其特征在于，所述氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器通过如下步骤制备：
步骤Ⅰ：通过光刻的方法，经过涂胶、曝光、显影和刻蚀后在硅片衬底上形成四象限金属-半导体-金属结构叉指电极的光电探测器；
步骤Ⅱ：将所制备的氧化锡氧化镉超晶格材料分散于适量的乙醇溶液中，超声处理直至粘稠状，然后通过旋涂的方式涂抹于步骤Ⅰ中制备的叉指电极上，之后于80°C的环境下老化0.5h，即制得目标探测器。
7.根据权利要求6所述的一种氧化锡氧化镉超晶格日盲四象限探测器，其特征在于，所述步骤Ⅰ中，感光区域的象限间距为200µm，每个单独的象限区域由15对弧形叉指电极构成，叉指电极的叉指宽度为100µm，叉指电极的间距为50µm。
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