PL221724B1 - Struktura detektora UV oraz sposób wykonania struktury detektora UV - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest struktura detektora promieniowania ultrafioletowego (UV) oraz sposób wykonania struktury detektora UV. Ponieważ struktury tego typu podczas oświetlania światłem zmieniają swoje parametry elektryczne (przewodnictwo, opór), a charakter tych zmian zależy od rodzaju światła, to mogą być wykorzystywane w szerokim spektrum detekcji promieniowania ultrafioletowego, a także widzialnego.

W literaturze znajdują się opisy detektorów UV oparte na strukturach z ZnO. Na przykład, w publikacjach: H. Ohta, M. Kamiya, T. Kamiya, M. Hirano, H. Hosono, UV-detector based on pn-heterojunction diode composed of transparent oxide semiconductors, p-NiO/n-ZnO, Thin Solid Films, Vol. 445, Issue 2, 2003 oraz Tae-Hyoung Moon, Min-Chang Jeong, Woong Lee, Jae-Min Myoung, The fabrication and characterization of ZnO UV detector, Applied Surface Science, Vol. 240, Issues 1-4, 2005 znajdują się opisy detektorów opartych na złączu p-n z udziałem tlenku cynku. Tak przygotowane struktury muszą być wykonane z materiałów o bardzo wysokiej jakości, a to z kolei wiąże się ze skomplikowaną technologią, a tym samym dużymi kosztami. Ponadto, detekcja UV odbywa się poprzez pomiar charakterystyk I-V (prądowo- napięciowych), co utrudnia wykorzystanie tych struktur w prostych sensorach.

W publikacji S. Liang, H. Sheng, Y. Liu, Z Huo, Y. Lu, H Shen, ZnO Schottky ultraviolet photodetectors, Journal of Crystal Growth, Vol. 225, Issues 2-4, 2001 znajduje się opis detektora UV przy użyciu złączą Schottky'iego na bazie tlenku cynku. Takie rozwiązanie również wymaga pomiaru zależności I-V, co utrudnia zastosowanie w prostych sensorach. Ponadto, problem możne stanowić odróżnienie światła widzialnego od UV.

Celem wynalazku jest opracowanie taniej struktury detektora UV działającego w temperaturze pokojowej i reagującego selektywnie na światło z zakresu widzialnego i UV oraz prostego i szybkiego sposobu wytwarzania takiej struktury.

Struktura detektora według wynalazku posiada półprzewodnikowe podłoże, na którym znajduje się warstwa aktywna ZnO o grubości co najmniej 50 nm z kontaktami metalicznymi. Warstwa aktywna zawiera nanosłupki ZnO osadzone na warstwie metalicznej, korzystnie na warstwie złota.

Sposób wykonania struktury detektora UV według wynalazku polega na tym, że na półprzewodnikowe podłoże osadza się warstwę aktywną ZnO oraz kontakty metaliczne. W sposobie tym, dla wytworzenia warstwy aktywnej najpierw na podłożu, korzystnie krzemowym osadza się metaliczną warstwę zarodkującą wzrost nanosłupków, korzystnie warstwę złota. Następnie, podłoże wraz z warstwą zarodkującą umieszcza w mieszaninie reakcyjnej o wartości pH 6,5-12, przy czym mieszanina ta zawiera rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu i co najmniej jeden prekursor cynku. Prekursorem tlenu może być woda, a prekursorem cynku azotan cynku lub octan cynku. Zanurzone w mieszaninie reakcyjnej podłoże podgrzewa się do temperatury 50-95°C i przez co najmniej 1 minutę prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO. Tak przygotowaną strukturę płucze się w acetonie lub w ygrzewa w temperaturze wyższej niż 150°C celem pozbycia się z powierzchni nanosłupków ZnO związków chemicznych stanowiących produkty uboczne reakcji. Następnie, do dwóch punktów na powierzchni warstwy aktywnej wykonuje się kontakty elektryczne, umożliwiające pomiar oporności (lub przewodnictwa) struktury.

Otrzymana struktura detektora UV jest strukturą wielokrotnego użytku, to znaczy, że nie wymaga wygrzewania lub traktowania związkami chemicznymi dla regeneracji przed kolejnym użyciem, a koszt jej wytworzenia jest niski. Technologia wykonania struktury detektora, w której warstwa aktywna zawiera nanosłupki ZnO wytwarzanych metodą hydrotermalną jest bardzo prosta, nie wymaga stosowania skomplikowanej aparatury do kontroli przepływu gazów lub cieczy, czy utrzymania wysokiej próżni. Proces wzrostu jest procesem bezpiecznym, ponieważ wzrost odbywa się przy stosunkowo niskiej temperaturze (ok. 50-95°C) i przy ciśnieniu atmosferycznym. Przygotowanie mieszaniny reakcyjnej wymaga jedynie wymieszania prekursorów w wodzie lub w innym rozpuszczalniku.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania detektora UV opartego na nanosłupkach ZnO wytworzonych na podłożu z krzemu. Na rysunku pokazano zmiany rezystywności struktury w funkcji czasu pod wpływem oświetlenia światłem widzialnym (światło czerwone i niebieskie) oraz ultrafioletem.

W przykładowym sposobie jako podłoża użyto płytki z krzemu o grubości 0,5 mm. W pierwszym etapie na powierzchnię tego podłoża, metodą rozpylania katodowego, napyla się cienką 2 nm warstwę złota. W drugim etapie przygotowuje się mieszaninę reakcyjną o pH równym 8. W tym celu do naczyPL 221 724 B1 nia wlewa się wodę dejonizowaną która spełnia rolę rozpuszczalnika i prekursora tlenu (ale może to być także rozpuszczalnik alkoholowy) i rozpuszcza się w niej prekursor cynku, w postaci bezwodnego octanu cynku. Odpowiednie pH mieszaniny uzyskuje się po dokładnym wymieszaniu, poprzez strącanie wodorotlenku metalu, jakim jest wodorotlenek sodu (lub potasu). W trzecim etapie, w przygotowanej mieszaninie umieszcza się wcześniej przygotowane podłoża z warstwą złota na powierzchni. Proces wzrostu nanostruktur prowadzi się przez 11 minut, przy ciśnieniu atmosferycznym, w temperaturze ~ 80°C.

W wyniku tak prowadzonego procesu, warstwa złota na powierzchni zarodkuje wzrost nanosłupków ZnO, które wyrastają bezpośrednio na tej warstwie osiągając wysokość ok. 1 pm.

Otrzymane nanosłupki mają kształt graniastosłupów prawidłowych sześciokątnych, są związane są z podłożem i w przykładowym sposobie na powierzchni 1 pm jest ich około 25. W czwartym etapie, dla usunięcia ze ścianek słupków produktów ubocznych reakcji, podłoże wraz z słupkami wygrzewa się w powietrzu, w temperaturze 300°C przez 10 minut.

Następnie, w dwóch punktach na powierzchni warstwy aktywnej, przy pomocy pasty srebrnej, wykonuje się kontakty elektryczne, aby umożliwić pomiar oporności i przewodnictwa s truktury. W ten sposób przygotowana struktura detektora jest gotowa do montażu i użycia.

Sposób według wynalazku nie wymaga stosowania wysokiej próżni, może być prowadzony na podłożach o dużych rozmiarach, jest szybki i prosty, przez co jest sposobem tanim, wydajnym i doskonale nadaje się do zastosowań na skalę przemysłową.

Wytworzona sposobem według wynalazku struktura umieszczona w ciemności na kilka minut uzyskuje stabilny opór elektryczny. Krótkotrwałe (kilka sekund) naświetlenie struktury światłem białym (lub dowolnym kolorem z zakresu widzialnego) powoduje drastyczny spadek oporności, która wraca do wartości wyjściowej od razu po zakończeniu naświetlania. W przypadku naświetlania struktury promieniowaniem UV również spada jej oporność, lecz po zakończeniu naświetlania, oporność nie wraca od razu do swojej wyjściowej wartości, lecz powoli rośnie (powrót do wyjściowej wartości trwa na ogół kilka minut). Analizując zmiany oporności struktury, można uzyskać na przykład informację, czy światło padające na próbkę zawierało również promieniowanie UV.

Claims (7)

1. Struktura detektora UV, w której na półprzewodnikowym podłożu znajduje się warstwa aktywna ZnO z kontaktami metalicznymi, znamienna tym, że warstwą aktywną jest warstwa o grubości co najmniej 50 nm zawierająca nanosłupki ZnO osadzone na warstwie metalicznej, korzystnie na warstwie złota.

2. Sposób wykonania struktury detektora UV, w którym na półprzewodnikowe podłoże osadza się warstwę aktywną ZnO oraz kontakty metaliczne, znamienny tym, że dla wytworzenia warstwy aktywnej najpierw na podłożu, korzystnie krzemowym osadza się metaliczną warstwę zarodkującą wzrost, korzystnie warstwę złota, następnie podłoże wraz z warstwą zarodkującą, umieszcza w mieszaninie reakcyjnej o wartości pH 6,5-12, przy czym mieszanina ta zawiera rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu i co najmniej jeden prekursor cynku, później zanurzone w mieszaninie reakcyjnej podłoże podgrzewa się do temperatury 50-95°C i przez co najmniej 1 minutę prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO, a po zakończeniu wzrostu usuwa się z podłoża i warstwy aktywnej zanieczyszczenia oraz wykonuje się kontakty elektryczne do dwóch punktów na powierzchni warstwy aktywnej.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że zanieczyszczenia podłoża i warstwy aktywnej zawierającej nanosłupki prowadzi się poprzez płukanie w acetonie.

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że zanieczyszczenia podłoża i warstwy aktywnej zawierającej nanosłupki prowadzi się poprzez wygrzewanie przez co najmniej 5 minut w temperaturze < 150°C.

5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że prekursorem tlenu w mieszaninie reakcyjnej jest woda.

6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że prekursorem cynku w mieszaninie reakcyjnej jest azotan cynku.

7. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że prekursorem cynku w mieszaninie reakcyjnej jest octan cynku.