JP7018235B1 - 微分変換型スペクトル光電検知器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】素子構造が簡単で、昼間で使用可能な微分変換型広域スペクトル光電検知器及びその製造方法を提供する。
【解決手段】微分変換型広域スペクトル光電検知器は、上から下に順次配置された基板１、半導体薄膜２及び電極３を含み、電極３は半導体薄膜２の上表面の両端に配置されている。微分変換型広域スペクトル光電検知器の製造方法は、高周波マグネトロンスパッタリング法を用いて基板の上に半導体薄膜をめっきする工程と、半導体薄膜表面の両端に電極として金属を堆積する工程とを含む。
【選択図】図１
【解決手段】微分変換型広域スペクトル光電検知器は、上から下に順次配置された基板１、半導体薄膜２及び電極３を含み、電極３は半導体薄膜２の上表面の両端に配置されている。微分変換型広域スペクトル光電検知器の製造方法は、高周波マグネトロンスパッタリング法を用いて基板の上に半導体薄膜をめっきする工程と、半導体薄膜表面の両端に電極として金属を堆積する工程とを含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、光学的検出器技術分野に関し、具体的には、微分変換型広域スペクトル光電検知器及びその製造方法に関する。
伝統的な光電検知器は、光信号を電気信号に変換できる光電素子であり、通信、医療、熱画像形成、環境監視及び国防科学技術分野で広く使用されている。無人運転、宇宙配備武器システムなどの発展に伴い、市場は、高応答特性、高検知感度、応答迅速などの伝統的な特性を有する以外、昼間（強いバックグラウンド雑音下）で使用できる広域スペクトル光電検知器を得ることが切望される。
高感度光電検知器は極めて飽和しやすく、即ち、光電流は光強度の増大に従って増大しないため、昼間の使用時に光電検知器の高感度を維持できるために、一般的に、素子は相応なフィルタ片を組み合わせて使用し、信号光とバックグラウンド雑音を分離させ、このように、必然的に検知器の広域スペクトル検知特性の損失を招き、素子の応用シーンを大幅に制限する。また、現在、多くの研究チームは、ドーピング工程、トポロジー構造構築、量子ドット修飾などの形式を介して光電検知材料の感度を向上させ、暗室にて微弱光の励起下で相当な光電流を得るようにしており、このような向上は非常に限られている一方で、昼間での動作を飽和させやすくし、さらに応用シーンを制限する。これに対して、微分演算における脱直流（安定バックグラウンド光）の特性を利用して、微分変換型光電検知素子は昼間でも極めて高感度を保つことが可能になる。また、時間に対する微分特性を利用して、素子が発生する光電流の大きさは信号光強度の影響を受ける以外、信号光変化速度の影響を受け、これは素子性能の向上のために別の一つの次元を提供する。
国内外では、微分変換型光電検知素子を研究するチームが非常に少なく、三明学院の崔積適らは『新規静電容量式光電検知器』（特許出願番号ＣＮ １１１６６８３２７ Ａ）で、電極板を伝統的な光電変換素子の両側に配置する静電容量式光電検知器を提供し、デンマークコペンハーゲン大学Ｐａｔｒｉｃｋ Ｊ Ｗｉｎｄｐａｓｓｉｎｇｅｒらは『測定の科学と技術』（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２００９、２０巻、５５３０１ページ）で微分回路を伝統的な光電検知素子の後段とし、超低ノイズ差分交流結合光電検知器を実現したことを報告した。しかし、上記報告では、依然として以下の問題が存在する：（１）光検知器に電気学演算素子を加える結合方式は、素子の構造が比較的複雑である。（２）強いバックグラウンド光条件下での検知器の飽和特性を本質的に変化させず、依然として昼間使用の欠点から抜け出すことができない。
本発明の目的は、上記従来技術が存在する不足を克服するために、素子構造が簡単で、昼間で使用可能な微分変換型広域スペクトル光電検知器及びその製造方法を提供することである。
本発明の目的は、以下の技術案によって実現される。
微分変換型広域スペクトル光電検知器は、上から下に順次配置された基板、半導体薄膜及び電極を含み、電極は半導体薄膜の上表面の両端に配置されている。
微分変換型広域スペクトル光電検知器は、上から下に順次配置された基板、半導体薄膜及び電極を含み、電極は半導体薄膜の上表面の両端に配置されている。
好ましくは、基板はシリコンであり、半導体薄膜は酸化チタン薄膜、酸化銅薄膜、酸化亜鉛薄膜、酸化スズ薄膜の一種であり、電極は金薄膜である。
上記微分変換型広域スペクトル光電検知器に基づく広域スペクトル光電検知システムは、光スペクトル光電検知素子、変調光源、信号発生器及びソースメーを含み、ソースメータの両端はそれぞれ光スペクトル光電検知素子両端の電極に接続されており、変調光源は光スペクトル光電検知素子の半導体薄膜に正対しており、信号発生器は変調光源に接続されている。
好ましくは、変調光源はＬＥＤ、レーザダイオード及びキセノン灯のうちの一種であり、キセノン灯はモノクロメーターに合わせて使用される。
上記微分変換型広域スペクトル光電検知器の製造方法は、
Ｓ１、高周波マグネトロンスパッタリング法を用いて基板の上に半導体薄膜をめっきする工程と、
Ｓ２、半導体薄膜表面の両端に電極として金属を堆積する工程とを含む。
Ｓ１、高周波マグネトロンスパッタリング法を用いて基板の上に半導体薄膜をめっきする工程と、
Ｓ２、半導体薄膜表面の両端に電極として金属を堆積する工程とを含む。
好ましくは、ステップＳ１は、基板を洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れる工程と、金属をターゲット材料とし、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃する工程と、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板に半導体薄膜を堆積成長する工程とを含む。
好ましくは、半導体薄膜が酸化銅薄膜であり、抵抗値が０．００１～０．１Ω・ｃｍであるｐ型Ｓｉを成長基板とする場合、ステップＳ１は、基板をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で３～１０分間洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、洗浄した基板をプラズマ洗浄機に入れて洗浄する工程と、基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が１０-3～１０-6Ｐａとする工程と、金属銅をターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．１～５Ｐａとする工程と、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板に酸化銅薄膜を堆積成長する工程とを含み、堆積温度は３０～１５０℃であり、スパッタリング出力は３０～１５０Ｗであり、薄膜厚さは１０～２００ｎｍである。
好ましくは、半導体薄膜が酸化亜鉛薄膜であり、真性Ｓｉを成長基板とする場合、ステップＳ１は、基板をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で３～１０分間洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、洗浄した基板をプラズマ洗浄機に入れて洗浄する工程と、基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が１０-3～１０-6Ｐａとする工程と、金属亜鉛をターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．１～５Ｐａとする工程と、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板にＺｎＯ2薄膜を堆積成長する工程とを含み、堆積温度は３０～１５０℃であり、スパッタリング出力は３０～１５０Ｗであり、薄膜厚さは１０～５００ｎｍである。
好ましくは、半導体薄膜が酸化スズ薄膜であり、真性Ｓｉを成長基板とする場合、ステップＳ１は、基板をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で３～１０分間洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、洗浄した基板をプラズマ洗浄機に入れて洗浄する工程と、基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が１０-3～１０-6Ｐａとする工程と、金属スズをターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．１～５Ｐａとする工程と、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板に酸化スズ薄膜を堆積成長する工程とを含み、堆積温度は３０～１５０℃であり、スパッタリング出力は３０～１２０Ｗであり、薄膜厚さは１０～２００ｎｍである。
好ましくは、半導体薄膜が酸化チタン薄膜であり、真性Ｓｉを成長基板とする場合、ステップＳ１は、基板をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で３～１０分間洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、洗浄した基板をプラズマ洗浄機に入れて洗浄する工程と、基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が１０-3～１０-6Ｐａとする工程と、金属チタンをターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃してから、酸素を注入し、酸素とアルゴンガスとの比例を１：５～１：３０に調整し、圧力強度が０．１～５Ｐａとする工程と、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板に酸化チタン薄膜を堆積成長する工程とを含み、堆積温度は３０～１５０℃であり、スパッタリング出力は３０～１５０Ｗであり、薄膜厚さは１０～１００ｎｍである。
本発明は、従来技術に対して、以下の利点を有する。
本発明は、Ｓｉ／ＴｉＯx、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ、Ｓｉ／ＺｎＯ、Ｓｉ／ＳｎＯ2、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2ヘテロ接合微分変換型光検知素子を製造し、そのうち、Ｐ型ＳｉとＰ型ＣｕＯ薄膜はヘテロ接合を形成し、真性型Ｓｉとｎ型ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＴｉＯx,x=0.5～2薄膜はヘテロ接合を形成する。得られたＳｉ／ＴｉＯx、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ、Ｓｉ／ＺｎＯ、Ｓｉ／ＳｎＯ2、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2ヘテロ接合（電圧－電流曲線が非線形から得られる可能）微分変換型光検知素子は、２８０～１１５０ｎｍ、特に６５０～９４０ｎｍ波長範囲に対して、高感度、迅速検知を実現することができ、感度高い特性を有するほか、紫外線、可視光線及び赤外線波長広域スペクトル範囲内でも応答でき、光強度信号の微分形式を電流信号の方式で出力することを実現する。この素子の制作が簡単で、コストが安価で、性能に優れており、光学通信、昼間レーザレーダ、動き検出、振動監視などの分野への応用が期待される。
本出願の一部を構成する添付図面は、本発明を更なる理解するために提供するものであり、本発明の例示的な実施例及びその説明は、本発明を解釈するためのものであり、本発明の不適切な限定を構成しない。図中：
以下、図面と実施例を結び付けながら、本発明をさらに説明する。
実施例１：
図１を参照して、微分変換型広域スペクトル光電検知器は、上から下に順次配置された基板１、半導体薄膜２及び電極３を含み、電極３は半導体薄膜２の上表面の両端に配置されている。
図１を参照して、微分変換型広域スペクトル光電検知器は、上から下に順次配置された基板１、半導体薄膜２及び電極３を含み、電極３は半導体薄膜２の上表面の両端に配置されている。
そのうち、、基板１は商用シリコンであり、電極３は金薄膜であり、本発明の微分変換型広域スペクトル光電検知器は、強いバックグラウンド光状況下で、紫外線－可視光－近赤外光に対する敏感検出を実現することができ、且つ光強度信号の微分形式を電流信号として出力する自己作動型シリコン系金属酸化物薄膜微分変換型広域スペクトル光電検知器である。
本実施例では、半導体薄膜２は酸化銅（ＣｕＯ）薄膜であり、抵抗値が０．００１～０．１Ω・ｃｍであるｐ型Ｓｉを成長基板１とする場合、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ微分変換型光電検知器の製造方法は、以下に示すとおりである。
基板１をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で５分間洗浄し、基板１表面の有機汚染物を除去する。洗浄した基板１をプラズマ洗浄機（出力１２０Ｗ、２分間）に入れて洗浄し、基板１をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が２×１０-4Ｐａとし、金属銅をターゲット材料とし、アルゴンガスでターゲット面を清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．４Ｐａとし、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、ＣｕＯ薄膜を堆積成長する。堆積温度は９５℃であり、スパッタリング出力は７５Ｗであり、薄膜平均厚さは３４．３ｎｍである。ＣｕＯ薄膜を成長させた後、素子を真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が３×１０-3Ｐａとし、熱蒸発技法を用いて、マスク版を補助する方法で、ＣｕＯ薄膜表面に電極３としての二つの厚さ５０ｎｍの金（Ａｕ）を堆積させる。０Ｖバイアス電圧時、素子の暗電流は４．４４ｎＡであり、入射光出力密度は１６．４μＷ／ｃｍ2であり、光照射面積は０．１２ｃｍ2であり、光電流ピーク値は２６．５５ｕＡである。
図２を参照して、上記微分変換型広域スペクトル光電検知器の広域スペクトル光電検知システムは、光スペクトル光電検知素子、変調光源４、信号発生器及びソースメータ５を含み、ソースメータ５の両端はそれぞれ光スペクトル光電検知素子両端の電極３に接続されており、変調光源４は光スペクトル光電検知素子の半導体薄膜２に正対しており、信号発生器は変調光源４に接続されている。波形変調の光源によって出力される光強度信号照射を決定する下で、素子によって光電流が出力することは、すべて光強度微分形式（例えば、酸化銅を用いて半導体薄膜２とする場合、素子の相関係数が０．９５より大きい）に従う。ビームスイッチ変調方式を用いて、光照射がオンにする瞬間に、素子は正方向パルス形式光電流を発生することができ、光照射がオフする瞬間に、素子は負方向パルス形式電流を発生することができる。特定設計された電極３では、光照射がオン・オフする瞬間に、同一方向パルス形式電流を発生することができる。
本実施例では、発光ＬＥＤを光源とし、中心波長はファイバ光学分光器（Ｏｃｅａｎ－２００～８５０ｎｍ）によって標定される。光出力はレーザパワーメータ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ－ＰＭ１００Ａ）によって標定される。光源は上記ステップで得られた光検知器上に照射される。キーサイト・テクノロジー（ＫｅｙＳｉｇｈｔ－Ｂ２９０２Ａ）デジタルソースメータ５を用いて素子が発生する電流を記録し、素子のバイアス電圧は０Ｖとする。信号発生器を用いて発光ＬＥＤを駆動し、入射光の周期的オン／オフ及び波形変調を実現する。
実験データ：
ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯヘテロ接合微分変換型広域スペクトル光電検知器の電流－電圧曲線は図３ａに示すとおりである。
ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯヘテロ接合微分変換型広域スペクトル光電検知器の電流－電圧曲線は図３ａに示すとおりである。
８５０ｎｍ近赤外光に対するｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ微分変換型光電検知器の応答度は１．３４ｍＡ／Ｗであった。
広域スペクトル光電検知システムでは、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ微分変換型光電検知器のオン／オフ変調ＬＥＤ光源に対する応答：中心波長が４５３ｎｍであり、半値全幅が２４ｎｍであるＬＥＤ光源を用いて、スイッチング変調のＬＥＤ（４５３ｎｍ）を用いて照射し、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯヘテロ接合微分変換型光検知素子（０Ｖバイアス電圧）から発生する両極性パルス式光電流は図４に示すとおりであり、光照射がオンにする瞬間（０ｍＷ／ｃｍ2から７ｍＷ／ｃｍ2まで、オン時間６９ｍｓ）０Ｖバイアス電圧下で、検知器から０．２ｕＡパルス式光電流を発生した。同じ動作環境下で、光照射がオンにする瞬間（０ｍＷ／ｃｍ2から２８ｎＷ／ｃｍ2まで、オン時間３０ｍｓ）に、検知器から１．５ｕＡパルス式光電流を発生した。
異なる周波数の正弦波変調のＬＥＤ（４５３ｎｍ）を用いて照射し、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯヘテロ接合微分変換型光検知素子（０Ｖバイアス電圧）から発生する電流ピーク値と周波数との線形関係は図１０に示すとおりである。
広域スペクトル光電検知システムでは、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ微分変換型光電検知器の正弦波変調ＬＥＤ光源に対する応答：中心波長が４５３ｎｍであり、半値全幅が２４ｎｍであるＬＥＤ光源を用いて、図９ａを参照して、１Ｈｚ正弦波信号を用いて変調し、ピーク値光出力密度が１．２ｍＷ／ｃｍ2であり、０Ｖバイアス電圧下で、検知器から出力する光電流形式とレーザパワーメータにより取得された光強度信号の微分形式との相関係数が０．９６４であった。２Ｈｚ正弦波信号を用いて変調し、ピーク値光出力密度が１．２ｍＷ／ｃｍ2であり、検知器から出力する光電流形式とレーザパワーメータにより取得された光強度信号の微分形式との相関係数が０．９８５であった。
広域スペクトル光電検知システムでは、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ微分変換型光電検知器の三角波変調ＬＥＤ光源に対する応答：中心波長が４５３ｎｍであり、半値全幅が２４ｎｍであるＬＥＤ光源を用いて、図９ｂを参照して、１Ｈｚ三角波信号を用いて変調し、ピーク値光出力密度が１．２ｍＷ／ｃｍ2であり、０Ｖバイアス電圧下で、検知器から出力する光電流形式とレーザパワーメータにより取得された光強度信号の微分形式との相関係数が０．９８２であった。
広域スペクトル光電検知システムでは、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ微分変換型光電検知器の準正弦波変調ＬＥＤ光源に対する応答：中心波長が４５３ｎｍであり、半値全幅が２４ｎｍであるＬＥＤ光源を用いて、図９ｃを参照して、１Ｈｚ準正弦波信号を用いて変調し、ピーク値光出力密度が１．２ｍＷ／ｃｍ2であり、０Ｖバイアス電圧下で、検知器から出力する光電流形式とレーザパワーメータにより取得された光強度信号の微分形式との相関係数が０．９６９であった。
実施例２：
実施例２は、半導体薄膜２が酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜であるという点で、実施例１とは異なる
実施例２は、半導体薄膜２が酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜であるという点で、実施例１とは異なる
この場合、Ｓｉ／ＺｎＯ微分変換型光電検知器の製造方法は、以下に示すとおりである。
電気抵抗が３０００Ω・ｃｍより大きい真性Ｓｉを成長基板１とし、洗浄処理ステップは実施例１と同じである。基板１をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が２×１０-4Ｐａとし、金属亜鉛をターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．７Ｐａとし、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、ＺｎＯ薄膜を堆積成長した。堆積温度は９５℃であり、スパッタリング出力は７０Ｗであり、薄膜平均厚さは３０．４ｎｍであった。ＺｎＯ薄膜を成長した後、素子を真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が３×１０-3Ｐａとし、熱蒸発技法を用いて、マスク版を補助する方法で、ＺｎＯ薄膜表面に電極３としての二つの厚さ５０ｎｍの金（Ａｕ）を堆積させた。０Ｖバイアス電圧時、素子の暗電流は０．１８ｎＡであり、入射光出力密度は１６．４μＷ／ｃｍ2であり、光照射面積は０．１２ｃｍ2であり、光電流ピーク値は１．３２ｎＡであった。
実験データ：
Ｓｉ／ＺｎＯヘテロ接合微分変換型広域スペクトル光電検知器の電流－電圧曲線は図３ｂに示すとおりである。
Ｓｉ／ＺｎＯヘテロ接合微分変換型広域スペクトル光電検知器の電流－電圧曲線は図３ｂに示すとおりである。
８５０ｎｍ近赤外光に対するＳｉ／ＺｎＯ微分変換型光電検知器の応答度は０．０７ｍＡ／Ｗであった。
広域スペクトル光電検知システムでは、Ｓｉ／ＺｎＯ微分変換型光電検知器のオン／オフ変調ＬＥＤ光源に対する応答：中心波長が４５３ｎｍであり、半値全幅が２４ｎｍであるＬＥＤ光源を用いて、スイッチング変調のＬＥＤ（４５３ｎｍ）を用いて照射し、Ｓｉ／ＺｎＯヘテロ接合微分変換型光検知素子（０Ｖバイアス電圧）から発生する両極性パルス式光電流は図５に示すとおりであり、光照射がオンにする瞬間（０ｍＷ／ｃｍ2から７ｍＷ／ｃｍ2まで、オン時間７０ｍｓ）０Ｖバイアス電圧下で、検知器から２．７ｎＡパルス式光電流を発生した。
実施例３：
実施例３は、半導体薄膜２が酸化スズ（ＳｎＯ）薄膜であるという点で、実施例１とは異なる
実施例３は、半導体薄膜２が酸化スズ（ＳｎＯ）薄膜であるという点で、実施例１とは異なる
この場合、Ｓｉ／ＳｎＯ微分変換型光電検知器の製造方法は、以下に示すとおりである。
電気抵抗が３０００Ω・ｃｍより大きい真性Ｓｉを成長基板１とし、洗浄処理ステップは実施例１と同じである。基板１をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が２×１０-4Ｐａとし、金属スズをターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．３Ｐａとし、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、ＳｎＯ2薄膜を堆積成長した。堆積温度は９５℃であり、スパッタリング出力は４２Ｗであり、薄膜平均厚さは２０．２ｎｍであった。ＳｎＯ2薄膜を成長した後、素子を真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が３×１０-3Ｐａとし、熱蒸発技法を用いて、マスク版を補助する方法で、ＳｎＯ2薄膜表面に電極３としての二つの厚さ５０ｎｍの金（Ａｕ）を堆積させた。０Ｖバイアス電圧時、素子の暗電流は０．０９ｎＡであり、入射光出力密度は１６．４μＷ／ｃｍ2であり、光照射面積は０．１２ｃｍ2であり、光電流ピーク値は３．８８ｎＡであった。
実験データ：
Ｓｉ／ＳｎＯヘテロ接合微分変換型広域スペクトル光電検知器の電流－電圧曲線は図３ｃに示すとおりである。
Ｓｉ／ＳｎＯヘテロ接合微分変換型広域スペクトル光電検知器の電流－電圧曲線は図３ｃに示すとおりである。
８５０ｎｍ近赤外光に対するＳｉ／ＳｎＯ微分変換型光電検知器の応答度は０．２３ｍＡ／Ｗであった。
広域スペクトル光電検知システムでは、Ｓｉ／ＳｎＯ微分変換型光電検知器の正弦波変調ＬＥＤ光源に対する応答：中心波長が４５３ｎｍであり、半値全幅が２４ｎｍであるＬＥＤ光源を用いて、Ｓｉ／ＳｎＯヘテロ接合微分変換型光検知素子（０Ｖバイアス電圧）から発生する両極性パルス式光電流は図６に示すとおりであり、光照射がオンにする瞬間（０ｍＷ／ｃｍ2から７ｍＷ／ｃｍ2まで、オン時間６７ｍｓ）０Ｖバイアス電圧下で、検知器から０．１９ｕＡパルス式光電流を発生した。
実施例４：
実施例４は、半導体薄膜２が酸化チタン（ＴｉＯ）薄膜であるという点で、実施例１とは異なる
実施例４は、半導体薄膜２が酸化チタン（ＴｉＯ）薄膜であるという点で、実施例１とは異なる
この場合、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2微分変換型光電検知器の製造方法は、以下に示すとおりである。
電気抵抗が３０００Ω・ｃｍより大きい真性Ｓｉを成長基板１とし、洗浄処理ステップは実施例１と同じである。基板１をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が２×１０-4Ｐａとし、金属チタンをターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を清掃してから、酸素を注入し、酸素とアルゴンガスとの比例を１：１５に調整し、圧力強度が０．３Ｐａとし、中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2薄膜を堆積成長した。堆積温度は９３℃であり、スパッタリング出力は７５Ｗであり、薄膜平均厚さは２０．４ｎｍであった。Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2薄膜を成長した後、素子を真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が３×１０-3Ｐａとし、熱蒸発技法を用いて、マスク版を補助する方法で、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2薄膜表面に電極３としての二つの厚さ５０ｎｍの金（Ａｕ）を堆積させた。０Ｖバイアス電圧時、素子の暗電流は０．０６ｎＡであり、入射光出力密度は１０３μＷ／ｃｍ2であり、光照射面積は０．２ｃｍ2であり、光電流ピーク値は０．９５ｎＡであった。
実験データ：
Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2ヘテロ接合微分変換型広域スペクトル光電検知器の電流－電圧曲線は図３ｄに示すとおりである。
Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2ヘテロ接合微分変換型広域スペクトル光電検知器の電流－電圧曲線は図３ｄに示すとおりである。
８５０ｎｍ近赤外光に対するＳｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2微分変換型光電検知器の応答度は０．４３ｍＡ／Ｗであった。
広域スペクトル光電検知システムでは、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2微分変換型光電検知器のオン／オフ変調ＬＥＤ光源に対する応答：中心波長が４５３ｎｍであり、半値全幅が２４ｎｍであるＬＥＤ光源を用いて、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2ヘテロ接合微分変換型光検知素子（０Ｖバイアス電圧）から発生する両極性パルス式光電流は図７に示すとおりであり、光照射がオンにする瞬間（０ｍＷ／ｃｍ2から６．８ｍＷ／ｃｍ2まで、オン時間７１ｍｓ）０Ｖバイアス電圧下で、検知器から０．２６ｎＡパルス式光電流を発生した。
同じ起動速度下で、異なる波長ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ、Ｓｉ／ＺｎＯ、Ｓｉ／ＳｎＯ2、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2ヘテロ接合微分変換型光検知素子の応答度（キセノン照射、０Ｖバイアス電圧、パルス電流はピーク値特徴付けを取る）は図８に示すとおりである。
得られたＳｉ／ＴｉＯx、ｐ－Ｓｉ／ＣｕＯ、Ｓｉ／ＺｎＯ、Ｓｉ／ＳｎＯ2、Ｓｉ／ＴｉＯx,x=0.5～2ヘテロ接合（電圧－電流曲線が非線形から得られる可能）微分変換型光検知素子は、２８０～１１５０ｎｍ、特に６５０～９４０ｎｍ波長範囲に対して、高感度、迅速検知を実現することができる。この素子は、光に対して一定の応答を有する半導体シリコン及び電気容量特性を有する金属酸化物を組み合わせてヘテロ接合を形成するため、図８に示すように、素子のスペクトル応答はシリコン素子と類似しており、また、コンデンサ端はそれぞれコンデンサ容量、電圧の時間に対する微分と正比例になるため、素子は光強度信号を時間に対する微分の電流形式に変換して出力することができ、且つ光強度変化が速いほど、電圧の時間に対する微分量が大きいほど、素子が出力する光電流も大きくなり、それにより高感度、迅速検知などの機能を実現する。したがって、本技術案による微分変換型広域スペクトル光電検知器は、感度高い特性を有するほか、紫外線、可視光線及び赤外線波長広域スペクトル範囲内でも応答でき、光強度信号の微分形式を電流信号の方式で出力することを実現する。この素子の制作が簡単で、コストが安価で、性能に優れており、光学通信、昼間レーザレーダ、動き検出、振動監視などの分野への応用が期待される。
上記具体的な実施形態は、本発明の好適な実施例にすぎないが、本発明を限定するものではない。本発明の技術案を逸脱しない任意の変更又は他の同等代替、いずれも本発明の保護範囲内に含まれる。
Claims (9)
- 上から下に順次配置された基板、半導体薄膜及び電極を含み、電極は半導体薄膜の下表面の両端に配置されている、
基板はシリコンであり、半導体薄膜は酸化チタン薄膜、酸化銅薄膜、酸化亜鉛薄膜、酸化スズ薄膜の一種であり、電極は金薄膜である、ことを特徴とする微分変換型スペクトル光電検知器。 - 請求項１に記載の微分変換型スペクトル光電検知器に基づくスペクトル光電検知システムであって、光スペクトル光電検知素子、変調光源、信号発生器及びソースメータを含み、
ソースメータの両端はそれぞれ光スペクトル光電検知素子両端の電極に接続されており、変調光源は光スペクトル光電検知素子の半導体薄膜に正対しており、信号発生器は変調光源に接続されている、ことを特徴とするスペクトル光電検知システム。 - 変調光源はＬＥＤ、レーザダイオード及びキセノン灯のうちの一種である、ことを特徴とする請求項２に記載のスペクトル光電検知システム。
- 請求項１に記載の微分変換型スペクトル光電検知器の製造方法は、
Ｓ１、高周波マグネトロンスパッタリング法を用いて基板の上に半導体薄膜をめっきする工程と、
Ｓ２、半導体薄膜表面の両端に電極として金属を堆積する工程とを含む、ことを特徴とする製造方法。 - ステップＳ１は、基板を洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、
基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れる工程と、
金属をターゲット材料とし、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃する工程と、
中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板に半導体薄膜を堆積成長する工程とを含む、ことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。 - 半導体薄膜が酸化銅薄膜であり、抵抗値が０．００１～０．１Ω・ｃｍであるｐ型Ｓｉを成長基板とする場合、ステップＳ１は、
基板をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で３～１０分間洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、
洗浄した基板をプラズマ洗浄機に入れて洗浄する工程と、
基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が１０-3～１０-6Ｐａとする工程と、
金属銅をターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．１～５Ｐａとする工程と、
中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板に酸化銅薄膜を堆積成長する工程とを含み、
堆積温度は３０～１５０℃であり、スパッタリング出力は３０～１５０Ｗであり、薄膜厚さは１０～２００ｎｍである、ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。 - 半導体薄膜が酸化亜鉛薄膜であり、真性Ｓｉを成長基板とする場合、ステップＳ１は、
基板をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で３～１０分間洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、
洗浄した基板をプラズマ洗浄機に入れて洗浄する工程と、
基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が１０-3～１０-6Ｐａとする工程と、
金属亜鉛をターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．１～５Ｐａとする工程と、
中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板にＺｎＯ2薄膜を堆積成長する工程とを含み、
堆積温度は３０～１５０℃であり、スパッタリング出力は３０～１５０Ｗであり、薄膜厚さは１０～５００ｎｍである、ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。 - 半導体薄膜が酸化スズ薄膜であり、真性Ｓｉを成長基板とする場合、ステップＳ１は、
基板をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で３～１０分間洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、
洗浄した基板をプラズマ洗浄機に入れて洗浄する工程と、
基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が１０-3～１０-6Ｐａとする工程と、
金属スズをターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃してから、酸素に切り替え、圧力強度が０．１～５Ｐａとする工程と、
中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板に酸化スズ薄膜を堆積成長する工程とを含み、
堆積温度は３０～１５０℃であり、スパッタリング出力は３０～１２０Ｗであり、薄膜厚さは１０～２００ｎｍである、ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。 - 半導体薄膜が酸化チタン薄膜であり、真性Ｓｉを成長基板とする場合、ステップＳ１は、
基板をそれぞれエタノール、アセント溶媒に入れ、超音波で３～１０分間洗浄し、基板表面の有機汚染物を除去する工程と、
洗浄した基板をプラズマ洗浄機に入れて洗浄する工程と、
基板をマグネトロンスパッタリング装置の真空キャビティに入れ、バックグラウンド真空が１０-3～１０-6Ｐａとする工程と、
金属チタンをターゲット材料とし、まず、アルゴンガスでターゲット面を予備清掃してから、酸素を注入し、酸素とアルゴンガスとの比例を１：５～１：３０に調整し、圧力強度が０．１～５Ｐａとする工程と、
中間周波数マグネトロンスパッタリング方法を用いて、基板に酸化チタン薄膜を堆積成長する工程とを含み、
堆積温度は３０～１５０℃であり、スパッタリング出力は３０～１５０Ｗであり、薄膜厚さは１０～１００ｎｍである、ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
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