氧化鋅/硅p-n異質(zhì)結(jié)紫外光探測(cè)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于紫外光探測(cè)器領(lǐng)域，具體涉及一種基于氧化鋅/硅P-n異質(zhì)結(jié)的紫外光探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測(cè)技術(shù)是以紫外光輻射的大氣傳輸與衰減特性和高性能紫外光學(xué)傳感器為基礎(chǔ)的一門(mén)新技術(shù)，是繼激光、紅外以及可見(jiàn)光探測(cè)以外的又一門(mén)新興探測(cè)技術(shù)，并且與傳統(tǒng)的紅外和激光探測(cè)技術(shù)相比，紫外探測(cè)技術(shù)因其在許多方面的特殊優(yōu)勢(shì)使得其在很多場(chǎng)合都有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。它在軍事、醫(yī)療、科研和其他工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如，在軍事上，紫外探測(cè)技術(shù)可用于紫外通信、紫外制導(dǎo)、紫外干擾、紫外告警等[光電子技術(shù).2014.24(2): 129-133.];醫(yī)學(xué)上，利用紫外探測(cè)技術(shù)探測(cè)太陽(yáng)紫外輻射強(qiáng)度，檢測(cè)診斷皮膚病時(shí)可直接看到病變細(xì)節(jié)，還可以用來(lái)檢測(cè)細(xì)胞的病變，如癌細(xì)胞、微生物、血色素、白血球、紅血球、細(xì)胞核等[Nuclear Physics A,2006，563( 1): 27-30.];工業(yè)上可用于氣體的探測(cè)分析;環(huán)保上用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，特別是臭氧層的治理等等，使得更高靈敏度的紫外光探測(cè)器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用更加迫切。
[0003]紫外探測(cè)器獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵在于探測(cè)技術(shù)的不斷提高和制作成本的降低，所制備探測(cè)器的性能也不斷獲得突破。硅材料成熟的工業(yè)技術(shù)和廣泛的材料來(lái)源，使硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)在新型器件領(lǐng)域被廣泛研究。在傳統(tǒng)硅基器件成熟的理論指導(dǎo)下，硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光電領(lǐng)域中得到了進(jìn)一步的豐富和發(fā)展。硅基半導(dǎo)體材料，是以硅材料為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新型材料。包括絕緣層上的硅材料、鍺硅材料、多孔硅、微晶硅以及以硅為基底異質(zhì)外延其他化合物半導(dǎo)體材料等。目前，硅基半導(dǎo)體材料擁有比較成熟的制備技術(shù)，制備工藝相對(duì)比較完善，因此硅基材料己成為制作紫外探測(cè)器最主要的材料。利用硅基半導(dǎo)體材料制造的硅基紫外探測(cè)器的體積一般較小，重量較輕，并且無(wú)需復(fù)雜的電路，大大提高了紫外探測(cè)器的適用范圍，但由于其大部分禁帶寬度較窄，除了吸收紫外光外還吸收可見(jiàn)光[FreseniusJ Anal Chem.2001.371 (8): 1070-1075]。與硅基半導(dǎo)體相比，還有一種單晶薄膜紫外探測(cè)器，該類傳感器以半導(dǎo)體材料作為紫外光敏感材料，主要利用只吸收紫外光的寬禁帶材料的電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、禁帶寬度大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)適用于制作高頻、大功率、抗輻射的探測(cè)器，使單晶薄膜的紫外探測(cè)器也已邁上了產(chǎn)業(yè)化道路。單晶薄膜如碳化硅、氮化鎵、氧化鋅等材料也開(kāi)始投入生產(chǎn)，但由于生長(zhǎng)單晶半導(dǎo)體薄膜所需設(shè)備昂貴，而且就目前的單晶生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)看，其制備工藝難度仍舊很大無(wú)法得到普及和應(yīng)用，尤其氮化鎵與硅之間存在熱失配和晶格適配。綜述所述，研究高靈敏度，低成本的硅基半導(dǎo)體基紫外光探測(cè)器具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]本發(fā)明中，利用氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)的放大效應(yīng)，開(kāi)發(fā)出了一種具有紫外光敏感特性的氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)材料，可使氧化鋅對(duì)紫外光敏感性大大提高。例如，紫外光照射強(qiáng)度為
0.1毫瓦每平方厘米時(shí)開(kāi)關(guān)比為?10000%，該探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間?0.125秒；當(dāng)紫外光強(qiáng)度為1毫瓦每平方厘米時(shí)，該探測(cè)器的開(kāi)關(guān)比達(dá)到?50000%。
[0005]氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)利用氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)的放大效應(yīng)，提高了器件的響應(yīng)度，器件性能得到顯著提高。因此，氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)在紫外光探測(cè)制作方面顯示出獨(dú)特的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是提供一種基于氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)紫外光探測(cè)器及該探測(cè)器的制備方法。
[0007]本發(fā)明采用硅作為襯底，以氧化鋅作為基體材料制備紫外光探測(cè)器，利用了氧化鋅與硅的異質(zhì)結(jié)的放大效應(yīng)。同時(shí)本發(fā)明采用的工藝簡(jiǎn)單、室溫條件探測(cè)并且與半導(dǎo)體平面工藝兼容、易于集成、適于大批量生產(chǎn)，因而具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0008]本發(fā)明的紫外光探測(cè)器從下到上依次包括二氧化硅覆蓋的硅襯底、采用直流磁控濺射法在襯底上生長(zhǎng)的納米氧化鋅薄膜、在氧化鋅薄膜層上利用掩膜和直流磁控濺射方法制備可透光的金屬電極層；薄膜上的銦點(diǎn)電極和硅上的銦金屬層上的銦點(diǎn)電極分別作為負(fù)、正電極，引出電源線，將吉時(shí)利數(shù)字源表2602B串聯(lián)接通，電源的電壓為_(kāi)2伏特;其中硅襯底厚度為0.3?2米，納米氧化鋅薄膜的厚度為25-65納米，優(yōu)選25納米。
[0009]本發(fā)明所述的基于氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)紫外光探測(cè)器的制備方法，其步驟如下:
[0010](一)襯底的處理
[0011]首先用去離子水在超聲波中清洗硅片10?30分鐘，然后用丙酮在超聲波中清洗硅片10?30分鐘，最后再用無(wú)水乙醇清洗娃片10?30分鐘。
[0012](二)氧化鋅薄膜的制備
[0013]將清洗好的p型硅襯底吹干后放入濺射室，p型硅襯底的電阻率是0.1-1歐姆厘米，利用抽真空系統(tǒng)使濺射室處于真空狀態(tài)，直到背景真空達(dá)到目標(biāo)真空度(0.1?5.0X10—4帕)；在維持5帕壓強(qiáng)的前提下，以體積比1: 2至2:1，優(yōu)選1:1左右的比例向?yàn)R射室中通入氬氣/氧氣混合氣體，待氣壓穩(wěn)定后，利用氧化鋅靶開(kāi)始濺射，其中所用氧化鋅靶純度為99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，濺射功率和濺射時(shí)間分別選為141mA*64Kv和1-2.5分鐘；濺射完畢后，保持通氣狀態(tài)15-40分鐘，之后繼續(xù)抽真空使濺射室處于真空狀態(tài)，真空度0.2?3.0 X 10—4帕。
[0014](三)鈀金屬電極層的制備
[0015]在步驟(二)的基礎(chǔ)上，當(dāng)真空度達(dá)到0.2?3X10—4帕后，在維持5帕壓強(qiáng)的前提下，向?yàn)R射室中通入氬氣，待氣壓穩(wěn)定后，開(kāi)始透光金屬電極層的濺射，其中所用金屬靶純度為99.9% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，濺射直流電壓、濺射直流電流和濺射時(shí)間分別為0.26千伏、0.20安培和1?5分鐘;抽真空使得系統(tǒng)真空度達(dá)到1 X 10—4?2.5 X 10—4帕，2小時(shí)后，取出樣品。
[0016]這樣由上述過(guò)程即可獲得氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)材料，利用硅/氧化鋅異質(zhì)結(jié)的放大效應(yīng)，開(kāi)發(fā)出了一種具有紫外光敏感特性的硅/氧化鋅異質(zhì)結(jié)材料，可使氧化鋅對(duì)紫外光敏感性大大提高。例如，紫外光照射強(qiáng)度為0.1毫瓦每平方厘米時(shí)開(kāi)關(guān)比為?10000%，該探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間?0.125秒；當(dāng)紫外光強(qiáng)度為1毫瓦每平方厘米時(shí)，該探測(cè)器的開(kāi)關(guān)比達(dá)到?50000 %。
[0017]本發(fā)明所提供的氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)材料，可以用其開(kāi)發(fā)紫外光敏感器件，該器件無(wú)需加熱器，能在室溫下工作，耗能低，工藝簡(jiǎn)單，靈敏度高，響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間短。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2以p型硅片為基底的氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)在室溫、黑暗條件下以及不同紫外光功率下的伏安特性曲線。
[0020]圖3以p型硅片為基底的氧化鋅/硅異質(zhì)結(jié)在室溫、黑暗條件下以及不同紫外線光功率下的開(kāi)關(guān)比-電壓曲線。