基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型具體提供了一種基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器。首先利用濺射方法在n型硅基底上生長二氧化鈦納米點薄膜；然后通過水熱法方法誘導種子層生成二氧化鈦納米棒陣列；最后通過磁控濺射法制備透光金屬層電極薄膜。本實用新型利用二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的放大效應制備的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)紫外光探測器具有工藝簡單，成本低廉，無需加熱器，能在室溫下工作，且具有耗能低，靈敏度高，響應、恢復時間短的特點，對紫外光具有良好的檢測性能，具有重要的應用前景。
【專利說明】
基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于紫外光探測器領(lǐng)域，具體涉及一種基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測技術(shù)是近年來光電探測領(lǐng)域的研究熱門之一。是繼激光、紅外以及可見光探測以外的又一門新興探測技術(shù)。紫外探測在軍民兩用領(lǐng)域有著廣泛的需求背景，可應用于生物與化學分析、工業(yè)檢測、天文科學研究、發(fā)射器校準、火焰探測、光電對抗、紫外通信等多個領(lǐng)域[龍維剛.全固態(tài)高靈敏紫外探測器技術(shù)的研究進展[J].半導體光電，2014，35(5).]。它在軍事、醫(yī)療、科研和其他工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應用。例如，紫外探測技術(shù)在醫(yī)學、生物學方面也有著廣泛的應用，特別是近幾年在皮膚病診斷方面有著獨特的應用效果。利用紫外探測技術(shù)在檢測診斷皮膚病時可直接看到病變細節(jié)。也可用它來檢測癌細胞、微生物、血色素、紅血球、白血球、細胞核等，這種檢測不但迅速、準確，而且直觀、清楚。[光電子技術(shù).2014.24(2): 129-133.]。目前已投入商業(yè)和軍事應用的紫外線探測器件主要以硅基紫外光電管和紫外光電倍增管為主，它雖然有靈敏度高的優(yōu)點，但是同樣存在需附加濾光片、體積大、易受損、需在較高電壓較低溫度下工作等缺點，這就大大制約了其進一步的應用。
[0003]固體紫外探測器又可以分為寬禁帶紫外線探測器以及硅基紫外線探測器兩類。硅基半導體材料擁有比較成熟的制備技術(shù)，制備工藝相對比較完善，因此硅基材料己成為制作紫外探測器最主要的材料。利用硅基半導體材料制造的硅基紫外探測器的體積一般較小，重量較輕，并且無需復雜的電路，大大提高了紫外探測器的適用范圍，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光[Fresenius J Anal Chem.2001.371(8):1070-1075]。與硅基半導體相對應的還有一種寬禁帶紫外探測器，該類傳感器以半導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，這些特點適用于制作高頻、大功率、抗輻射的探測器，使寬禁帶薄膜的紫外探測器也已邁上了產(chǎn)業(yè)化道路。事實上，常規(guī)大小的二氧化鈦薄膜雖然屬于寬禁帶的半導體，但是這種材料在接受紫外線照射時，其吸收紫外線的能力相當?shù)拖?，而處于納米尺度下的二氧化鈦薄膜則完全不同，這種材料會展示出相當高的紫外線吸收能力[Shen H,Shan C X，Li B H,Xuan B,Shen D Z.Appl Phys Lett，2013，103:232112]。除此之外，這種納米尺度的二氧化鈦薄膜耐用性很好、在制作時的工藝流程也相對簡單。以上所列出的幾點優(yōu)勢就使得納米尺度的二氧化鈦薄膜非常有希望成為研制新型的寬禁帶半導體紫外線探測器所急需的一種替換性材料。
[0004]本發(fā)明中，我們利用鈀膜的催化效應和二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的放大效應，開發(fā)出了一種具有紫外光敏感特性的鈀/ 二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)材料，可使二氧化鈦對紫外光敏感性大大提高。例如，二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)從無光向有光轉(zhuǎn)換時，電流變化較大，表現(xiàn)出了良好的紫外光敏感性;反向電壓下，該異質(zhì)結(jié)在不同紫外光功率下光電流變化明顯，且隨著光功率的增大，光電流增大，當反向電壓大于2伏特時，光電流趨于穩(wěn)定；在反向電壓2伏特時，光電流與暗電流之比最大，響應時間和恢復時間均在?
0.0l秒;該異質(zhì)結(jié)在365nm紫外光下，光電流大于在其他波長單色光下的光電流，表現(xiàn)出較好的紫外敏感性;該異質(zhì)結(jié)在紫外光下的開關(guān)比為5700%，大于在其他波長單色光下的開關(guān)比，該器件表現(xiàn)出較好的紫外探測性。
[0005]二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)利用二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的放大效應，提高了器件的響應度，器件性能得到顯著提高。因此，二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在紫外光探測制作方面顯示出獨特的應用前景。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明目的是提供一種基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器。
[0007]本發(fā)明采用有二氧化硅覆蓋的η型硅作為基底，以二氧化鈦納米棒陣列作為基體材料制備紫外光探測器，利用了二氧化鈦納米棒與硅的異質(zhì)結(jié)的放大效應。同時本發(fā)明采用的工藝簡單、室溫條件探測并且與半導體平面工藝兼容、易于集成、適于大批量生產(chǎn)，因而具有重要的應用價值。
[0008]本發(fā)明的紫外光探測器從下到上依次包括保留二氧化硅氧化層的η型硅基底、利用旋涂方法在硅襯底上生長二氧化鈦點薄膜、通過水熱法方法誘導種子層生成二氧化鈦納米棒陣列、通過磁控濺射法制備透光金屬層電極薄膜(可為鈀、銅等)。透光金屬層電極薄膜上的銦點電極和銦電極層分別作為正、負電極，引出電源線，串聯(lián)接通吉時利數(shù)字源表2602Β，電源的電壓為-2伏特;其中覆蓋二氧化硅的硅襯底厚度為0.5?2毫米，二氧化鈦納米棒陣列薄膜的厚度為100-600納米，優(yōu)選600納米，金屬層的厚度為10?30納米，優(yōu)選15nm0
[0009]本發(fā)明所述的基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)紫外光探測器的制備方法，其步驟如下:
[0010](一)η型硅基底的處理
[0011]首先用去離子水在超聲波中清洗η型硅基底10?20分鐘，然后用丙酮在超聲波中清洗η型硅基底10?20分鐘，最后再用無水乙醇清洗η型硅基底10?20分鐘;烘干后，再次重復上清洗過程。
[0012](二) 二氧化鈦納米棒陣列薄膜的制備
[0013]將清洗好的型η硅基底放入旋涂儀，抽真空后在保持持續(xù)通入氮氣的背景下進行旋涂，旋涂時轉(zhuǎn)速為5000?10000轉(zhuǎn)每秒，旋涂時間為40?60秒，得到二氧化鈦薄膜;將制備好的二氧化鈦納米薄膜/硅基片放入管式電阻爐中在溫度為800攝氏度下氮氣氣氛中退火，溫度上升速率為4攝氏度每分鐘，至800攝氏度時保持2小時，得到二氧化鈦納米點薄膜/硅異質(zhì)結(jié)；將退火后的二氧化鈦納米點薄膜/硅基片放入盛有濃鹽酸(質(zhì)量分數(shù)為36.5%-38%)和鈦酸四丁酯溶液(比例為30:1)的聚四氟乙烯反應釜中進行水熱誘導生成二氧化鈦納米棒陣列，背景溫度為120?160攝氏度，水熱時間為0.5?2小時，得到二氧化鈦納米棒陣列/娃異質(zhì)結(jié)。
[0014](三)透光金屬層電極薄膜的制備
[0015]在步驟(二)的基礎上，將制備好的二氧化鈦納米棒陣列/硅η硅基底放入濺射室，利用抽真空系統(tǒng)使濺射室處于真空狀態(tài)，直到背景真空達到目標真空度0.5?2.5 X 10—4帕；在維持3帕壓強的前提下，向濺射室中通入氬氣，待氣壓穩(wěn)定后，開始金屬靶濺射，其鈀靶純度為99.9 % (質(zhì)量分數(shù))，濺射直流電壓、濺射直流電流和濺射時間分別為0.26千伏、0.20安培和I?3分鐘;再次利用抽真空系統(tǒng)使背景真空達到I X 10—4?2X10—4帕，2小時后，取出樣品O
[0016]這樣由上述過程即可獲得二氧化鈦納米棒陣列/娃異質(zhì)結(jié)材料，該材料對365nm紫外具有敏感效應。例如，二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)從無光向有光轉(zhuǎn)換時，電流變化較大，表現(xiàn)出了良好的紫外光敏感性;反向電壓下，該異質(zhì)結(jié)在不同紫外光功率下光電流變化明顯，且隨著光功率的增大，光電流增大，當反向電壓大于2伏特時，光電流趨于穩(wěn)定;在反向電壓2伏特時，光電流與暗電流之比最大，響應時間和恢復時間均在?0.01秒;該異質(zhì)結(jié)在365nm紫外光下，光電流大于在其他波長單色光下的光電流，表現(xiàn)出較好的紫外敏感性；該異質(zhì)結(jié)在紫外光下的開關(guān)比為5700%，大于在其他波長單色光下的開關(guān)比，該器件表現(xiàn)出較好的紫外探測性。
[0017]本發(fā)明所提供的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)材料，可以用其開發(fā)紫外光敏感器件，該器件無需加熱器，能在室溫下工作，耗能低，工藝簡單，靈敏度高，響應、恢復時間短。
【附圖說明】
[0018]圖1本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫以及不同紫外光功率下的伏安特性曲線。
[0020]圖3以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫、365nm紫外光光功率為0.1毫瓦每平方厘米時電流隨著時間的變化曲線。
[0021]圖4以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫以及不同波長單色光(光功率為0.1毫瓦每平方厘米)下的伏安特性曲線。
[0022]圖5以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫下、不同波長單色光(光功率為0.1毫瓦每平方厘米)的光電流和暗電流之比(開關(guān)比)隨波長的變化曲線。
[0023]如圖1所示，各部件名稱為:銦點電極1、透光金屬層電極薄膜2、二氧化鈦納米棒陣列薄膜3、二氧化硅層4、η型硅基底5、銦電極層6和吉時利數(shù)字源表2602Β7;
【具體實施方式】
[0024]實施例1:
[0025]我們選取了厚度為0.5毫米的η型單晶硅片作為基底，保留其自然氧化層。用去離子水在超聲波中清洗硅片15分鐘，然后用丙酮在超聲波中清洗硅片20小時，最后再用無水乙醇清洗硅片20分鐘。烘干后，再次重復上述清洗過程。
[0026]將清洗好的η型硅基底吹干放入旋涂室中，在持續(xù)通入氮氣的背景下進行二氧化鈦種子層的旋涂，旋涂完畢后放入60攝氏度的干燥箱中靜置20分鐘。將經(jīng)旋涂法制備好的二氧化鈦納米薄膜/硅基片放入管式電阻爐中在溫度為800攝氏度下氮氣氣氛中進行退火，升溫速率為4攝氏度每分鐘，在800攝氏度下保持2h。將經(jīng)退火后的二氧化鈦納米薄膜/硅基片放入盛有濃鹽酸(質(zhì)量分數(shù)為36.5%-38%)和鈦酸四丁酯的混合溶液(比例為30:1)的聚四氟乙烯反應釜中進行水熱誘導生成二氧化鈦納米棒陣列，背景溫度為160攝氏度，水熱時間為2小時。
[0027]利用掩膜和直流磁控濺射法制備鈀金屬層:當背景真空為0.5?2.5X 10—4帕時，通入氬氣，并維持3帕的壓強，待氣壓穩(wěn)定后，開始用純度為(質(zhì)量分數(shù))99.9%鈀靶濺射，派射直流電壓為0.26千伏，濺射直流電流為0.20安培，濺射時間為2分鐘，基底溫度為室溫。濺射完畢后，停止通氬氣，抽真空系統(tǒng)繼續(xù)工作，使樣品在真空度為1.5X10—4帕的環(huán)境下保持2小時，然后取出樣品。鈀金屬層薄膜5的厚度15納米;硅片和二氧化鈦納米棒陣列薄膜的面積均為I厘米X I厘米，鈀薄膜的面積為0.5厘米X 0.5厘米。
[0028]透光金屬層電極薄膜2上的銦點電極I和銦電極層6分別作為正、負電極，串聯(lián)接通吉時利數(shù)字源表2602B7，電源的電壓為-2伏。這樣，一種具有二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器制備完畢，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0029]圖2以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫以及不同紫外光功率下的伏安特性曲線。結(jié)果表明反向電壓下，該異質(zhì)結(jié)在不同紫外光功率下光電流變化明顯，且隨著光功率的增大，光電流增大;當反向電壓大于2伏特時，光電流趨于穩(wěn)定。
[0030]圖3以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫、365nm紫外光光功率為0.1毫瓦每平方厘米時電流隨著時間的變化曲線。結(jié)果表明在反向電壓2伏特時，光電流與暗電流之比最大。響應時間和恢復時間均在?0.0I秒。
[0031]圖4以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫以及不同波長單色光(光功率為0.1毫瓦每平方厘米)下的伏安特性曲線。結(jié)果表明該異質(zhì)結(jié)在365nm紫外光下，光電流大于在其他波長單色光下的光電流，表現(xiàn)出較好的紫外敏感性。
[0032]圖5以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫下、不同波長單色光(光功率為0.1毫瓦每平方厘米)的光電流和暗電流之比(開關(guān)比)隨波長的變化曲線。結(jié)果表明該異質(zhì)結(jié)在紫外光下的開關(guān)比為5700%，大于在其他波長單色光下的開關(guān)比，該器件表現(xiàn)出較好的紫外探測性。
【主權(quán)項】
1.一種基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器，其特征是采用具有紫外敏感性的二氧化鈦/硅異質(zhì)結(jié)材料，主體結(jié)構(gòu)是二氧化鈦納米棒陣列薄膜(3)和η型硅基底(5)形成的η-η同型異質(zhì)結(jié)；其中，η型硅基底(5)上保留自然氧化的二氧化硅層(4)，二氧化鈦納米棒陣列表面鍍有透光金屬層電極薄膜(2);透光金屬層電極薄膜(2)上制備銦點電極(I)，在η型硅基底(5)上與二氧化硅層(4)相對的一側(cè)表面上形成銦金屬層(6)作為另一電極； 連接正電極銦點電極(I)和負電極銦金屬層(6)，并串聯(lián)吉時利數(shù)字源表2602Β(7);電壓為-2伏特； 二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)從無光向有光轉(zhuǎn)換時，電流變化較大，表現(xiàn)出了良好的紫外光敏感性;反向電壓下，該異質(zhì)結(jié)在不同紫外光功率下光電流變化明顯，且隨著光功率的增大，光電流增大，當反向電壓大于2伏特時，光電流趨于穩(wěn)定;在反向電壓2伏特時，光電流與暗電流之比最大，響應時間和恢復時間均在?0.0l秒;該異質(zhì)結(jié)在365nm紫外光下，光電流大于在其他波長單色光下的光電流，表現(xiàn)出較好的紫外敏感性;該異質(zhì)結(jié)在紫外光下的開關(guān)比為5700%，大于在其他波長單色光下的開關(guān)比，所述的基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器表現(xiàn)出較好的紫外探測性。2.如權(quán)利要求1所述的基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器， 其特征在于:二氧化鈦納米棒陣列薄膜(3)的厚度為100-600納米，透光金屬層電極薄膜(2)的厚度為10?30納米，η型硅基底(5)的厚度為0.5-2毫米，η型硅基底(5)的電阻率為1-3歐姆厘米。3.如權(quán)利要求1所述的基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測器， 其特征在于:透光金屬電極層可以是鈀或銅；銦電極可以是鋁或錫；銦點電極是正極，銦金屬層是負極。
【文檔編號】H01L31/109GK205542846SQ201620031129
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月14日
【發(fā)明人】韓雪, 郭天超, 郭天飛, 高瑜, 李聰, 凌翠翠, 韓治德
【申請人】中國石油大學(華東)