PL225411B1 - Struktura detektora UV oraz sposób wykonania struktury detektora UV - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest struktura detektora promieniowania ultrafioletowego (UV) oraz sposób wykonania struktury detektora UV. Struktura według wynalazku ma izolujące podłoże, na którym znajduje się warstwa aktywna ZnO z kontaktami elektrycznymi. W strukturze tej warstwą aktywnąjest warstwa o grubości co najmniej 50nm zawierająca nanosłupki ZnO osadzone na warstwie zarodkującej. Sposób wykonania struktury detektora polega na tym, że na izolującym podłożu wytwarza się warstwę aktywną a na niej metaliczne kontakty. Dla wytworzenia warstwy aktywnej, najpierw na podłożu, osadza się metaliczną warstwę lub warstwę ZnO, zarodkującą wzrost, następnie podłoże wraz z warstwą zarodkującą, umieszcza w mieszaninie reakcyjnej o wartości pH 6,5 - 12 i podgrzewa się do temperatury 30 - 95°C i przez co najmniej l sekundę prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO. Po zakończeniu wzrostu usuwa się z podłoża i warstwy aktywnej zanieczyszczenia oraz wykonuje się kontakty metaliczne.

Description

Opis wynalazku

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 wyk orzystywane w szerokim spektrum detekcji promieniowania ultrafioletowego.

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. Opisane 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 na bazie tlenku cynku, opartego na złączu Schottky'ego. Takie rozwiązanie również wymaga pomiaru zależności I-V, a ponadto problem możne stanowić odróżnienie światła widzialnego od UV.

Ze zgłoszenia P.400285 znana jest struktura detektora UV, w której warstwa aktywna zawierająca nanosłupki ZnO osadzona jest na podłożu półprzewodnikowym. Struktura ta reaguje zarówno na światło z zakresu widzialnego jak i UV. Oba zakresy powodują jednak spadek oporności elektrycznej struktury. Różnica pojawia się po zakończeniu naświetlania - dla światła widzialnego po zakończeniu naświetlania oporność od razu wraca do pierwotnej wartości. W przypadku światła UV oporność powoli (minuty) wraca do wartości wyjściowej. Taki sposób detekcji wymaga dłuższego monitorowania oporności w czasie.

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

Struktura według wynalazku ma podłoże oraz aktywną warstwę detekcyjną ZnO z wyprowadzeniami kontaktów elektrycznych. W strukturze tej podłoże jest podłożem elektrycznie izolującym, k orzystnie kwarcowym, szafirowym lub szklanym a leżąca na nim aktywna warstwa detekcyjna zawiera nanosłupki ZnO o wysokości co najmniej 50 nm, wytworzone na warstwie zarodkującej. Warstwą zarodkującą może być warstwa metaliczna, korzystnie warstwa złota lub srebra albo warstwa ZnO. Warstwą zarodkującą mogą być także zarodki metaliczne, korzystnie złote lub srebrne albo zarodki ZnO.

Sposób wykonania struktury według wynalazku polega na tym, że na podłożu osadza się warstwę aktywną ZnO i wykonuje się kontakty metaliczne. W sposobie tym, aktywną warstwę ZnO osadza się na podłożu, elektrycznie izolującym, korzystnie na podłożu kwarcowym, szafirowym lub szklanym, przy czym najpierw podłoże to pokrywa się warstwą zarodkującą, którą może być warstwa metaliczna, korzystnie warstwa złota lub srebra albo zarodki metaliczne otrzymywane w procesie rozpylania katodowego lub warstwa ZnO lub zarodki ZnO, korzystnie otrzymywane w procesie osadzania warstw atomowych (ALD). Następnie podłoże wraz z warstwą, zarodkującą umieszcza się w mieszaninie reakcyjnej o wartości pH 6,5-12, zawierającej rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku. Korzystnie jest gdy prekursorem tlenu w mieszaninie reakcyjnej jest woda, a prekursorem cynku jest octan cynku. Mieszaninę podgrzewa się do temperatury 30-95°C i utrzymuje w tej temperaturze przez co najmniej 1 sekundę. Po zakończeniu tego procesu usuwa się z podłoża i warstwy aktywnej zanieczyszczenia oraz wykonuje się kontakty elektryczne. Zanieczyszczenia z podłoża i warstwy aktywnej zawierającej nanosłupki usuwa się wygrzewając strukturę przez co najmniej 1 sekundę w temperaturze >100°C.

Otrzymana struktura nie zmienia swoich właściwości elektrycznych pod wpływem światła z zakresu widzialnego i podczerwieni, natomiast jej przewodnictwo rośnie pod wpływem oświetlania światłem z zakresu UV. Technologia wykonania struktury detektora według wynalazku jest tania i prosta, a struktura jest strukturą wielokrotnego użytku, to znaczy, że nie wymaga wygrzewania lub traktowania związkami chemicznymi dla regeneracji przed kolejnym użyciem.

PL 225 411 B1

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na 3 przykładach wykonania detektora UV, który na kwarcowym podłożu ma warstwę aktywną zawierającą nanosłupki ZnO. W pierwszym przykładowym sposobie jako podłoża użyto płytki z kwarcu o grubości 0,5 mm i powierzchni 50 mm . W pierwszym etapie, na powierzchnię podłoża, metodą rozpylania katodowego, napylono 2 nm warstwę złota. W drugim etapie przygotowano mieszaninę reakcyjną o pH równym 7,8. W tym celu do naczynia wlano wodę dejonizowaną, która spełnia rolę rozpuszczalnika i prekursora tlenu, (ale może to być także rozpuszczalnik alkoholowy) i rozpuszczono w niej prekursor cynku, w postaci bezwodnego octanu cynku. Odpowiednie pH mieszaniny uzyskano po dokładnym wymieszaniu, poprzez strącanie wodorotlenku metalu jakim jest wodorotlenek sodu (lub potasu). W trzecim etapie, w przygotowanej mieszaninie umieszczono wcześniej przygotowane podłoża z warstwą złota na powierzchni i prowadzono proces wzrostu nanosłupków ZnO. Proces wzrostu prowadzono przez 6 minut, przy ciśnieniu atmosferycznym, w temperaturze ~70°C. W wyniku tak prowadzonego procesu, warstwa złota na powierzchni zarodkowała wzrost nanosłupków ZnO, które wyrosły bezpośrednio na tej warstwie osiągając wysokość ok. 1 μm.

Otrzymane nanosłupki mają kształt graniastosłupów prawidłowych sześciokątnych, są związane są z podłożem i w przykładowym sposobie na powierzchni 1 μm jest ich około 30. W czwartym etapie, dla usunięcia ze ścianek słupków produktów ubocznych reakcji, podłoże wraz z słupkami wygrzano w powietrzu, w temperaturze 200°C przez 5 minut.

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

W drugim przykładowym sposobie jako podłoża użyto szklanej płytki o grubości 1 mm i po₂ wierzchni 60 mm . W pierwszym etapie na powierzchnię tego podłoża, nałożono cienką warstwę tlenku cynku (ZnO) stanowiącą warstwę zarodkującą. Warstwa ta została nałożona metodą osadzania warstw atomowych (ALD), wykonano ją w 10 cyklach ALD, w temperaturze 150°C. Jako prekursora tlenu użyto wody dejonizowanej, a jako prekursora cynku - dietylocynku. W drugim etapie przygotowano mieszaninę reakcyjną o pH równym 7,5. W tym celu do naczynia wlano wodę dejonizowaną, która spełnia rolę rozpuszczalnika i prekursora tlenu, (ale może to być także rozpuszczalnik alkoholowy) i rozpuszczono w niej prekursor cynku, w postaci bezwodnego octanu cynku. Odpowiednie pH mieszaniny uzyskano po dokładnym wymieszaniu, poprzez strącanie wodorotlenku metalu jakim jest wodorotlenek sodu (lub potasu). W trzecim etapie, w przygotowanej mieszaninie umieszczono wcześniej przygotowane podłoże z warstwą tlenku cynku na powierzchni. Proces wzrostu nanostruktur prowadzono przez 6 minut, przy ciśnieniu atmosferycznym, w temperaturze 50°C.

W wyniku tak prowadzonego procesu, warstwa tlenku cynku na powierzchni zarodkowała wzrost nanosłupków ZnO, które wyrastają bezpośrednio na tej warstwie osiągając wysokość ok. 1 μm.

Otrzymane nanosłupki mają kształt graniastosłupów prawidłowych sześciokątnych, są związane ₂ są z podłożem i w przykładowym sposobie na powierzchni 1 μm jest ich około 20. W czwartym etapie, dla usunięcia ze ścianek słupków produktów ubocznych reakcji, podłoże wraz z słupkami wygrzewa się w powietrzu, w temperaturze 300°C przez 1 minutę.

Następnie na oczyszczonej strukturze wykonuje się kontakty elektryczne. Wytworzona sposobem według wynalazku struktura umieszczona w ciemności w ciągu kilku minut uzyskuje stabilny opór elektryczny. Krótkotrwałe (kilka sekund) naświetlenie struktury światłem z zakresu widzialnego lub podczerwieni nie powoduje zmian oporności. W przypadku naświetlania struktury promieniowaniem UV występuje spadek oporności struktury, który jest proporcjonalny do intensywności światła. Po zakończeniu naświetlania, oporność wraca w ciągu kilku minut do swojej wyjściowej wartości. Trzeci przykładowy sposób jest identyczny jak sposób drugi z tym, że jako podłoża struktury użyto płytki ₂ z tlenku glinu (szafir) o grubości 0.5 mm i powierzchni 40 mm .

Claims (9)

1. Struktura detektora UV, posiadająca podłoże oraz aktywną warstwę detekcyjną ZnO z wyprowadzeniami kontaktów elektrycznych, znamienna tym, że podłoże jest podłożem elektrycznie izolującym, korzystnie kwarcowym, szafirowym lub szklanym a leżąca na nim aktywna warstwa detekcyjna zawiera nanosłupki ZnO o wysokości co najmniej 50 nm, wytworzone na warstwie zarodkującej.

PL 225 411 B1

2. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że warstwa zarodkująca jest warstwą metaliczną, korzystnie warstwą złota lub srebra lub warstwą ZnO.

3. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że warstwą zarodkującą są zarodki metaliczne, korzystnie złote lub srebrne lub zarodki ZnO.

4. Sposób wykonania struktury detektora UV, w którym na podłożu osadza się warstwę aktywną ZnO do której wykonuje się kontakty metaliczne, znamienny tym, że aktywną warstwę ZnO osadza się na podłożu, elektrycznie izolującym, korzystnie na podłożu kwarcowym, przy czym najpierw podł oże to pokrywa się warstwą zarodkującą, następnie podłoże wraz z warstwą zarodkującą, umieszcza w mieszaninie reakcyjnej o wartości pH 6,5-12, zawierającej rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku, podgrzewa się do temperatury 30-95°C i utrzymuje w tej temperaturze przez co najmniej 1 sekundę, po zakończeniu tego procesu usuwa się z podłoża i warstwy aktywnej zanieczyszczenia oraz wykonuje się kontakty elektryczne.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że warstwą zarodkującą jest warstwa metaliczna, korzystnie warstwa złota lub srebra albo zarodki metaliczne otrzymywane w procesie rozpylania katodowego.

6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że warstwą zarodkującą jest warstwa ZnO lub zarodki ZnO, korzystnie otrzymywane w procesie osadzania warstw atomowych (ALD).

7. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że zanieczyszczenia podłoża i warstwy aktywnej zawierającej nanosłupki prowadzi się poprzez wygrzewanie przez co najmniej 1 sekundę w temperaturze >100°C.

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

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