一種自驅動式氧鋅鎂紫外探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自驅動式氧鋅鎂紫外探測器及其制備方法，屬于紫外探測【技術領域】，該制備方法包括：采用金屬有機化學氣相沉積法在襯底上制備氧鋅鎂薄膜層；在步驟一得到的氧鋅鎂薄膜層上通過真空熱蒸發(fā)的方法制備出Au電極層；通過濕法刻蝕所述Au膜層制備出多對叉指電極,即如圖所示連接有至少一個第一叉指電極的第一電極和連接有至少一個第二叉指電極的第二電極；所述第一叉指電極與所述第二叉指電極像張開的雙手一樣相互插在一起。本發(fā)明的自驅動式氧鋅鎂紫外探測器在紫外波段具有很好的光伏特性，可在不需要外加電源的情況工作，極大的節(jié)約了能源,且其0伏響應度高，工作時穩(wěn)定性好，此外，器件制備工藝簡單，可控性好。
【專利說明】一種自驅動式氧鋅鎂紫外探測器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體光電探測【技術領域】，具體涉及一種可廣泛運用于紫外波段的，自驅動式氧鋅鎂紫外探測器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]紫外探測技術是繼激光和紅外探測技術之后發(fā)展起來的又一新型軍民兩用探測技術，目前在導彈制導、導彈預警、空間探測、燃燒工程、火焰探測等諸多領域發(fā)揮著巨大的作用。因此紫外探測技術的開發(fā)研究無論是對現(xiàn)代國防還是人民生活都有著極其重要的意義。雖然其為現(xiàn)代化生活帶來了許多福音，但是通常是需要外加電源才能工作，長此以往會帶來巨大的能源消耗，很不利于國民經濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，一種自驅動式紫外探測器，即可在無需外加電源的情況下(O伏)工作的探測器逐漸成為人們研究的熱點。近年來，基于寬禁帶半導體材料的紫外探測器被認為是可以取代真空光電倍增管和Si光電倍增管的第三代紫外探測器。在眾多寬禁帶半導體材料中，ZnO基材料具有缺陷密度低，抗輻射能力強，環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，且可通過Mg的摻雜使其帶隙大范圍連續(xù)調諧(3.37-7.78eV),因此被認為是制備紫外探測器的最理想材料之一。要想實現(xiàn)自驅動式探測器，通常要制備PN同質結、異質結、或者肖特基結等結構。但是，由于ZnO基材料的P型摻雜的實現(xiàn)目前仍是國際難題，因此高效穩(wěn)定的MgZnO同質PN結二極管的制備在現(xiàn)有的技術下很難實現(xiàn)；而異質結在外延生長中會帶來很大的晶格失配，使有源層晶體的結晶質量大大降低，繼而會使器件的多項性能指標下降；對于單肖特基結來說，無論是平面結構還是垂直結構，都面臨著工藝復雜，[M.Liao, Y.koide, J.Alvarez, Single Schottky-barrierphotodiodewith interdigitated-finger geometry,Application to diamond,Appl.Phys.Lett.90，123507,2007】也就是說，在一個器件上同時實現(xiàn)良好的肖特基接觸和歐姆接觸是也一個非常困難的問題。因此，研究者們迫切需要一種方法簡單、可重復制備、性能優(yōu)良的自驅動式紫外光電探測器的方法。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中存在的技術問題，提供一種可覆蓋UVA-UVC波段的自驅動式氧鋅鎂紫外探測器及其制備方法。
[0004]為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體如下:
[0005]一種自驅動式氧鋅鎂紫外探測器的制備方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一、采用金屬有機化學氣相沉積法在襯底上制備氧鋅鎂薄膜層；
[0007]步驟二、在步驟一得到的氧鋅鎂薄膜層上制備Au薄膜層；通過濕法刻蝕所述Au薄膜層制備出連接有至 一個第一叉指電極的第一電極和連接有至少一個第二叉指電極的第二電極；所述第一叉指電極與所述第二叉指電極像張開的雙手一樣相互插在一起；
[0008]所述第一叉指電極的指寬為2~50 μ m ;
[0009]所述第二叉指電極的指寬為10~10000 μ m ；[0010]所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指間距離為2~150 μ m ;
[0011]所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指寬之比為1:2~1:200。
[0012]上述技術方案中，步驟二中的Au薄膜層的厚度為40nm。
[0013]上述技術方案中，所述第一叉指電極的指寬為5μπι。
[0014]上述技術方案中，所述第二叉指電極的指寬為100 μ m。
[0015]上述技術方案中，所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指寬之比為1:20。
[0016]上述技術方案中，所述第一電極連接有12個第一叉指電極；所述第二電極連接有12個第二叉指電極。
[0017]上述技術方案中，步驟一中的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)的條件為:生長溫度為450°C，生長室真空度為2 X IO4Pa,載氣為99.9999%高純氮氣，以二甲基二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅 源，通過流量控制來生長室中的Zn、Mg摩爾濃度，氧氣壓力為3 X IO5Pa,流量為 550ml/min。
[0018]一種自驅動式氧鋅鎂紫外探測器，包括:
[0019]連接有至少一個第一叉指電極的第一電極和連接有至少一個第二叉指電極的第二電極；所述第一叉指電極與所述第二叉指電極像張開的雙手一樣相互插在一起；
[0020]所述第一叉指電極的指寬為2~50 μ m ;
[0021]所述第二叉指電極的指寬為10~10000 μ m ；
[0022]所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指間距離為2~150 μ m ;
[0023]所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指寬之比為1:2~1:200。
[0024]本發(fā)明具有以下的有益效果:
[0025]本發(fā)明提供一種自驅動式氧鋅鎂紫(MgZnO)外探測器的制備方法，具有以下特
占-
^ \\\.[0026]1、本發(fā)明的制備方法通過MOCVD方法可以較為容易的制備組分可調的MgZnO合金薄膜，其吸收波段從~255nm到370nm，具有很好的重復性；不對稱金屬叉指電極采用一次刻蝕即可實現(xiàn)，無需套刻，技術簡單利于推廣。
[0027]2、采用本發(fā)明的自驅動式氧鋅鎂紫外探測器，其紫外可見抑制比為2-3個量級，響應度高，響應速度快，光響應截止邊在~260-380nm范圍內可調，最主要的是可在無外加電源下工作，不但節(jié)約能源，而且對于火焰監(jiān)測，水污染凈化監(jiān)測及外太空等特殊環(huán)境下的長期紫外光點探測具有極高的應用價值。
[0028]3、本發(fā)明的制備方法重復率高，可控性好，無污染且工藝簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0030]圖1為本發(fā)明中非對稱MSM結構自驅動式氧鋅鎂紫外探測器電極單元結構俯視圖。圖中W1為Autn叉指電極寬度，W2為Au#2叉指電極寬度，g為兩叉指電極的指間距離。Au膜厚度為40nm。
[0031]圖2為圖1中虛線框內的電極單元結構的右視圖。
[0032]圖3為實施例1中的Mga 7Zn0.30非對稱MSM結構自驅動式氧鋅鎂紫外探測器的I/V特性圖譜。從圖中可以看出在正反偏壓下，器件的Ι/v特性曲線呈現(xiàn)明顯的非對稱整流效應，說明由于說明Au#l叉指電極寬度和Au#l叉指電極寬度不同，兩端不同寬窄的電極之間形成了非對勢魚高度的Schottky接觸,這樣光生載流子在器件本身內建電場作用下,就可以被收集和檢測得到，即無需外加偏壓的情況下可進行紫外探測工作，節(jié)約能源。
[0033]圖4為實施例1-3:圖譜Mga 7Zn0.30非對稱MSM結構自驅動式氧鋅鎂紫外探測器光譜響應圖譜。說明Autn叉指電極寬度和Au#2叉指電極寬度比例越大探測器的O伏響應度越高，兩叉指間距越小探測器的O伏響應度越高。
【具體實施方式】
[0034]本發(fā)明的發(fā)明思想為:
[0035]本發(fā)明提供一種自驅動式氧鋅鎂(MgZnO)紫外探測器及其制備方法，涉及半導體材料的外延生長和金屬電極的制備工藝，該制備方法包括如下步驟:
[0036]步驟一:采用金屬有機化學氣相沉積法在藍寶石襯底上制備氧鋅鎂薄膜層，其吸收邊可覆蓋大部分紫外波段:生長溫度為450°C，生長室真空度為2X IO4Pa,載氣為99.9999%高純氮氣，以二甲基二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅源，通過流量控制來生長室中的Zn、Mg摩爾濃度，氧氣壓力為3X105Pa、流量為550ml/min。
[0037]步驟二:在步驟一得到的MgZnO膜層上首先采用真空蒸鍍的方法制備Au薄膜層，濕法刻蝕Au薄膜層一次即可制備出不對稱叉指形電極。即得到具有不對稱金屬電極結構的自驅動式紫外探測器。
[0038]本發(fā)明的自驅動式氧鋅鎂紫外探測器性能主要是指器件的光電轉化能力，即O伏響應度的大小。從實驗設計角度講主要有四個因素:(1)有源層半導體材料的結晶質量，我們采用的是MOCVD方法在晶格失配小的藍寶石襯底上外延的高質量的MgZnO薄膜。(2) Au膜的厚度，如果厚度太薄金屬薄膜，會因其不連續(xù)而使金電極導電性能不好，如果厚度太薄金屬薄膜太厚度，不利于紫外光在樣品表面的吸收，會降低器件的光電轉化效率，本發(fā)明優(yōu)選的厚度是40nm。(3)電極Au#l和Au#2的寬度比例(W1:w2)。理論上W1:w2比值越大，非對稱Schottky勢魚差越大,本發(fā)明中W1:w2=l: 2-1:200范圍內均可進行O伏探測,但是考慮實際樣品的尺寸以及光刻技術的極限，此外Au電極面積過大也會影響光子吸收，使器件的量子效率大大降低。因此，實驗設計中優(yōu)選的是Au#l=5 μ m, Au#2=100 μ m, W1:w2=l:20,插值對數為12，即電極Au#l和Au#2分別連接有12個叉指電極。(4)理論上近鄰叉指電極Autn和Au#2之間的距離(g)越小，器件的響應度越高，但是考慮實際樣品的尺寸以及光刻技術的極限，優(yōu)選的是g=5 μ m，插值對數為12。
[0039]本發(fā)明所述的MOCVD及金屬制備設備為本領域技術人員常用的設備，沒有特殊限制。
[0040]下面結合附圖通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0041]實施例1
[0042]在MOCVD設備上，采用C面藍寶石為襯底，以二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅源，載氣為99.9999%高純氮氣，按以下工藝條件制備單一六角相相MgZnO薄膜:
[0043]襯底溫度為450°C，生長室真空度為2 X IO4Pa,氧氣流量為550ml/min(3X IO5Pa),通過流量控制使生長室中的Zn、Mg摩爾濃度獲得結構式為Mga2Zna8O的合金薄膜。
[0044]在該合金薄膜上采用熱蒸發(fā)法蒸鍍Au薄膜層，以濕法刻蝕工藝刻蝕Au薄膜層制備出不對稱叉指形電極，Au#l和AuSl1指寬W1和W2分別為5 μ m和50 μ m,指間距為10 μ m,即制得Mga2Zna8O非對稱MSM結構自驅動紫外探測器，其響應截止邊為345nm，位于UVC波段。
[0045]實施例2
[0046]在MOCVD設備上，采用C面藍寶石為襯底，以二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅源，載氣為99.9999%高純氮氣，按以下工藝條件制備單一六角相相MgZnO薄膜:
[0047]襯底溫度為450°C，生長室真空度為2 X IO4Pa,氧氣流量為550ml/min(3X IO5Pa),通過流量控制使生長室中的Zn、Mg摩爾濃度獲得結構式為Mga2Zna8O的合金薄膜。
[0048]在該合金薄膜上采用熱蒸發(fā)法蒸鍍Au薄膜層，以濕法刻蝕工藝刻蝕Au薄膜層制備出不對稱叉指形電極，Au#l和AuSl1指寬W1和W2分別為5 μ m和100 μ m,指間距g為10 μ m,即制得Mga2Zna8O非對稱MSM結構自驅動紫外探測器，其響應截止邊為345nm，位于UVC波段。
[0049]實施例3
[0050]在MOCVD設備上，采用C面藍寶石為襯底，以二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅源，載氣為99.9999%高純氮氣，按以下工藝條件制備單一六角相相MgZnO薄膜:
[0051 ] 襯底溫度為450°C，生長室真空度為2 X IO4Pa,氧氣流量為550ml/min(3 X IO5Pa),通過流量控制使生長室中的Zn、Mg摩爾濃度獲得結構式為Mga2Zna8O的合金薄膜。
[0052]在該合金薄膜上采用熱蒸發(fā)法蒸鍍Au薄膜層，以濕法刻蝕工藝刻蝕Au薄膜層制備出不對稱叉指形電極，Au#l和Auiil1指寬W1和％分別為5 μ m和100 μ m,指間距g為5 μ m,即制得Mga2Zna8O非對稱MSM結構自驅動紫外探測器，其響應截止邊為345nm，位于UVC波段。
[0053]實施例4
[0054]在MOCVD設備上，采用C面藍寶石為襯底，以二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅源，載氣為99.9999%高純氮氣，按以下工藝條件制備單一六角相相MgZnO薄膜:
[0055]襯底溫度為450°C，生長室真空度為2 X IO4Pa,氧氣流量為550ml/min(3X IO5Pa),通過流量控制使生長室中的Zn、Mg摩爾濃度獲得結構式為Mgai7Zna83O的合金薄膜。
[0056]在該合金薄膜上采用熱蒸發(fā)法蒸鍍Au薄膜層，以濕法刻蝕工藝刻蝕Au薄膜層制備出不對稱叉指形電極，Au#l和Auiil1指寬W1和％分別為5 μ m和100 μ m,指間距g為2 μ m,即制得Mga2Zna8O非對稱MSM結構自驅動紫外探測器，其響應截止邊為343nm，位于UVC波段。
[0057]實施例5
[0058]在MOCVD設備上，采用C面藍寶石為襯底，以二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅源，載氣為99.9999%高純氮氣，按以下工藝條件制備單一六角相ZnO薄膜:
[0059]襯底溫度為450°C，生長室真空度為2 X IO4Pa,氧氣流量為550ml/min(3X IO5Pa),通過流量控制使生長室中的Zn、Mg摩爾濃度(1: O)獲得ZnO薄膜。
[0060]在該合金薄膜上再用熱蒸發(fā)法蒸鍍Au薄膜層，以濕法刻蝕工藝刻蝕Au薄膜層制備出不對稱叉指形電極，Au#l和AuSl1指寬W1和W2分別為5 μ m和10 μ m,指間距g為150 μ m,即制得ZnO非對稱MSM結構自驅動紫外探測器，其光譜響應截止邊為375nm，位于UVC波段。[0061]實施例6
[0062]在MOCVD設備上，采用C面藍寶石為襯底，以二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅源，載氣為99.9999%高純氮氣，按以下工藝條件制備混合相MgZnO薄膜:
[0063]襯底溫度為450°C，生長室真空度為2 X IO4Pa,氧氣流量為550ml/min(3X IO5Pa),通過流量控制使生長室中的Zn、Mg摩爾濃度獲得結構式為Mga6Zna4O的合金薄膜。
[0064]在該合金薄膜上再用熱蒸發(fā)法蒸鍍Au薄膜層，以濕法刻蝕工藝刻蝕Au薄膜層制備出不對稱叉指形電極，Au#l和AuSl1指寬W1和W2分別為5 μ m和100 μ m,指間距g為5 μ m，即制得Mga6Zna4O非對稱MSM結構自驅動紫外探測器，其光響應截止邊為280nm，位于UVA波段。
[0065]本發(fā)明中以上實施例中非對稱MSM結構插值對數為12對。
[0066]表1:Zn/Mg組分比例變化對自驅動紫外探測器響應截止邊的影響。
[0067]
【權利要求】
1.一種自驅動式氧鋅鎂紫外探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、采用金屬有機化學氣相沉積法在襯底上制備氧鋅鎂薄膜層； 步驟二、在步驟一得到的氧鋅鎂薄膜層上制備Au薄膜層；通過濕法刻蝕所述Au薄膜層制備出連接有至少一個第一叉指電極的第一電極和連接有至少一個第二叉指電極的第二電極；所述第一叉指電極與所述第二叉指電極像張開的雙手一樣相互插在一起； 所述第一叉指電極的指寬為2?50 μ m ; 所述第二叉指電極的指寬為10?10000 μ m ； 所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指間距離為2?150 μ m ; 所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指寬之比為1:2?1:200。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟二中的Au薄膜層的厚度為40nmo
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一叉指電極的指寬為5μ m。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第二叉指電極的指寬為100μ m。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指寬之比為1:20。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第一電極連接有12個第一叉指電極；所述第二電極連接有12個第二叉指電極。
7.根據權利要求1-6中的任意一項所述的制備方法，其特征在于， 步驟一中的金屬有機化學氣相沉積的條件為:生長溫度為450°C，生長室真空度為2 X IO4Pa,載氣為99.9999%高純氮氣，以二甲基二茂鎂作為鎂源，二乙基鋅作為鋅源，通過流量控制來生長室中的Zn、Mg摩爾濃度，氧氣壓力為3X IO5Pa,流量為550ml/min。
8.一種自驅動式氧鋅鎂紫外探測器，其特征在于，包括: 連接有至少一個第一叉指電極的第一電極和連接有至少一個第二叉指電極的第二電極；所述第一叉指電極與所述第二叉指電極像張開的雙手一樣相互插在一起； 所述第一叉指電極的指寬為2?50 μ m ; 所述第二叉指電極的指寬為10?10000 μ m ； 所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指間距離為2?150 μ m ; 所述第一叉指電極與所述第二叉指電極的指寬之比為1:2?1:200。
【文檔編號】H01L31/0224GK103943720SQ201410120262
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權日:2014年3月27日
【發(fā)明者】陳洪宇, 劉可為, 張振中, 姜明明, 謝修華, 申德振 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所