專利名稱：一種具有光電導(dǎo)效應(yīng)的鈀摻雜碳膜/氧化物/半導(dǎo)體材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有光電導(dǎo)效應(yīng)的鈀摻雜碳膜/氧化物/半導(dǎo)體材料。
背景技術(shù)：
光敏傳感器是能夠快速地將接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的傳感器，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件則稱光敏器件。光敏器件包括光敏電阻、光敏二極管及光敏三極管等。光敏器件可以用來(lái)以可見(jiàn)光或紅外光的形式控制報(bào)警器、測(cè)試儀、 自動(dòng)開(kāi)關(guān)、繼電器等多種裝置或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，光敏器件廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路、 家用電器及各種測(cè)量?jī)x器中。在光線作用下，光敏材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，電阻值減小。目前廣泛應(yīng)用的是硅基光敏材料(公開(kāi)號(hào)CN2356356)，然而在有些硅基光電導(dǎo)材料生產(chǎn)過(guò)程中使用磷烷等有毒氣體。此外，有些氧化物材料也具有很好的光敏感性。利用SiO的光敏感性，制備出具有半絕緣性ZnO半導(dǎo)體薄膜與硅的異質(zhì)結(jié)的光敏二極管(公開(kāi)號(hào)CN101111944)。目前廣泛應(yīng)用的硅基光敏材料和SiO/硅異質(zhì)結(jié)材料的成本還比較高。最近碳材料的光敏感特性引起了人們的關(guān)注。文獻(xiàn)Appl. Phys. Lett. 1994， 64(17) =2297-2299中報(bào)道了氮摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料的光電二極管，在模擬太陽(yáng)AMl的白光照射下反向光電導(dǎo)率變化了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在文獻(xiàn)Diamond and Related Materials2008,17 :676-679中提到用化學(xué)氣相沉積的方法制備出具有光敏感性的非晶碳膜，模擬太陽(yáng)AMI. 5的條件下發(fā)現(xiàn)光電流是暗電流的20倍。一個(gè)數(shù)量級(jí)的低光電導(dǎo)率變化顯然不利于實(shí)際的應(yīng)用。通過(guò)光敏材料，能靈敏、快速地將接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事、科學(xué)技術(shù)等各個(gè)部門和社會(huì)生活的方方面面，特別是現(xiàn)代高新技術(shù)之中。隨著經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域的高科技的發(fā)展，社會(huì)對(duì)光電子技術(shù)和產(chǎn)品的需求也不斷增長(zhǎng)，光電子產(chǎn)業(yè)也漸漸成為當(dāng)今發(fā)展速度最快和最有前途的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)之一。碳材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)人體無(wú)毒害，禁帶寬度可調(diào)節(jié)，在光敏感材料方面有很好的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有光電導(dǎo)效應(yīng)的鈀摻雜碳膜/氧化物/半導(dǎo)體材料， 用于構(gòu)成半導(dǎo)體-氧化物-半導(dǎo)體(SIS)結(jié)構(gòu)的光電傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，它是一種以厚度為0.5 1.0毫米的半導(dǎo)體(硅、 鍺、硒、氮化鎵、碳化硅等)為襯底，用磁控濺射的方法將氧化物(二氧化硅、氧化鋁、氧化鋅、氧化銅等)沉積到半導(dǎo)體基片表面，然后再用磁控濺射的方法將摻雜原子數(shù)含量為0 5%鈀的石墨復(fù)合靶濺射到拋光的氧化物薄膜表面表面上，形成厚度為20 200納米的薄膜，制成鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導(dǎo)體(SIQ結(jié)構(gòu)。該材料具有大的光電導(dǎo)變化值，可用于制造光電傳感器件。以硅襯底為例，該材料的制備是通過(guò)以下步驟實(shí)施(1)將純度為99. 9%的鈀粉和純度為99. 9%石墨粉按照原子比為0 5%的比例混合、冷壓獲得含有0 5% (原子數(shù)含量)的鈀元素的鈀-石墨復(fù)合靶。(2)依次用去離子水、丙酮、乙醇在超聲波中清洗實(shí)驗(yàn)所需的厚度為0. 5 1. 0毫米的單晶硅基片5分鐘(保留硅片的自然氧化層，或者用測(cè)控濺射方法沉寂氧化硅薄膜)。(3)將清洗好的硅基片放入濺射室，開(kāi)啟抽真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空。(4)當(dāng)背景真空為2X10—4帕?xí)r，通入氬氣，并維持3帕的壓強(qiáng)，待氣壓穩(wěn)定后，開(kāi)始用石墨靶濺射，或者用摻鈀的石墨復(fù)合靶濺射，濺射功率為48瓦(濺射直流電壓0. 40千伏，濺射直流電流0. 12安培)，濺射時(shí)間為5至120分鐘，濺射溫度為室溫至600°C。(5)濺射完畢后，停止通氬氣，抽真空系統(tǒng)繼續(xù)工作，使樣品在真空度較高的環(huán)境下自然冷卻，待樣品溫度降至室溫，取出樣品。由上述過(guò)程制備的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料的薄膜厚度為20 200納米，具有高的光敏感效應(yīng)，即鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料在1毫瓦/厘米2的白光照射下光電流與暗電流相比增大了 140多倍(正向0.5伏特下光電流為0. 0795毫安，暗電流為0. 000557毫安)。此外，該材料在20毫瓦/厘米2的白光照射下表現(xiàn)出了一個(gè)高達(dá)2000 倍的光電導(dǎo)變化(正向0.5伏特下光電流為1. 1毫安，暗電流為0.000557毫安)。而且，這種光敏材料光電流與光照輻射強(qiáng)度之間具有很好的線性關(guān)系。本發(fā)明的有益效果是所提供的鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導(dǎo)體材料，具有光電導(dǎo)效應(yīng)，光電流與光照輻射強(qiáng)度具有很好的線性關(guān)系，可用于制造輻照計(jì)、照度計(jì)等光電傳感器件。而且碳材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)人體無(wú)毒害，禁帶寬度可調(diào)節(jié)，在光敏感材料方面有很好的應(yīng)用價(jià)值。


圖1為依據(jù)本發(fā)明所提供的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料制造的光電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為在室溫下依據(jù)本發(fā)明所制造的光電傳感器的電流-電壓特性對(duì)白光光照的敏感性測(cè)試結(jié)果示意圖。該材料的制備參數(shù)沉積溫度為350°C，濺射時(shí)間為90分鐘，薄膜厚度約為100納米。圖3為室溫下依據(jù)本發(fā)明所制造的光電傳感器在IV的正向偏壓下，光電流與白光光照輻射強(qiáng)度的關(guān)系示意圖。該異質(zhì)結(jié)材料的制備參數(shù)沉積溫度為350°C，濺射時(shí)間為90 分鐘，薄膜厚度約為100納米。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明。實(shí)施例，取純度為99. 9 %的石墨粉，摻入純度為99. 9 %的鈀粉，用冷壓法制成鈀的原子數(shù)含量為的鈀-碳復(fù)合靶。用磁控濺射的方法將鈀-碳復(fù)合靶濺射到一塊厚度為ι. O毫米的保留自然氧化層2的硅晶片1上，二氧化硅2的厚度約為1. 2納米，在硅晶片上形成一層厚度為100納米的摻鈀碳薄膜3，在摻鈀碳薄膜3上濺射一層半透明銅薄膜4， 銅薄膜4作為上電極，為了防止銅薄膜直接導(dǎo)通設(shè)計(jì)了間隔區(qū)7 (間隔區(qū)7將銅薄膜和碳薄膜分成了兩部分)。在半導(dǎo)體-氧化物-半導(dǎo)體(SIQ結(jié)構(gòu)材料上接通直流電源6，5為電流表，成為電導(dǎo)型光敏傳感器，如圖1所示。濺射直流電壓為0.40千伏，濺射直流電流為 0. 12安培，濺射沉積溫度為350°C，濺射時(shí)間為90分鐘。對(duì)樣品在室溫下的電流-電壓特性曲線對(duì)光的敏感性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明在1毫瓦/厘米2的白光照射下，測(cè)得光電流與暗電流相比增大了 140多倍(正向0.5伏特下光電流為0. 0795毫安，暗電流為0. 000557毫安)；在20毫瓦/厘米2的白光照射下，光電流與暗電流相比增大了 3個(gè)數(shù)量級(jí)(正向0. 5伏特下光電流為1. 1毫安，暗電流為0. 000557毫安)；而且，這種光敏材料光電流與光照輻射強(qiáng)度具有很好的線性關(guān)系，如圖3所示。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導(dǎo)體材料所制成的光電傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)①對(duì)白光具有非常高的敏感性，具有大的光電導(dǎo)變化值，而且光電流與光照輻射強(qiáng)度具有很好的線性關(guān)系。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在室溫下工作，易實(shí)現(xiàn)器件的微型化、集成化。③具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、可重復(fù)的特點(diǎn)。④生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成品率高。⑤碳材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)人體無(wú)毒害，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種具有光電導(dǎo)效應(yīng)的鈀摻雜碳膜/氧化物/半導(dǎo)體材料，具有半導(dǎo)體-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征是，厚度為0. 5 1. 0毫米的帶氧化層的半導(dǎo)體片上，形成一層厚度為 20 200納米的薄膜，該薄膜為摻雜原子數(shù)含量為0 5%鈀的石墨復(fù)合靶濺射形成，制成鈀摻雜碳膜/氧化物/半導(dǎo)體材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的鈀摻雜碳膜/氧化物/半導(dǎo)體材料，其特征是氧化層可以是二氧化硅、氧化鋁、氧化鋅、氧化銅等氧化物，半導(dǎo)體襯底可以選用硅、 鍺、硒、氮化鎵、碳化硅等半導(dǎo)體材料
3.按照權(quán)利要求1或2所述的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的鈀摻雜碳膜/氧化物/半導(dǎo)體材料， 其特征是利用該材料的光電導(dǎo)效應(yīng)，用于制造光電傳感器件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有光電導(dǎo)效應(yīng)的鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導(dǎo)體材料，是將摻雜原子數(shù)含量為0～5％鈀的石墨復(fù)合靶濺射到厚度為0.5～1.0毫米的帶有氧化物的半導(dǎo)體襯底上，形成一層厚度為20～200納米的薄膜，制成鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導(dǎo)體材料。該鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導(dǎo)體材料具有光電導(dǎo)效應(yīng)，而且光電流與光照輻射強(qiáng)度具有很好的線性關(guān)系，可以用于制備光電傳感器件，在室溫下工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成品率高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L31/08GK102214722SQ20111009582
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者李建鵬, 王盛, 甄玉花, 薛慶忠, 馬明 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)