專(zhuān)利名稱(chēng)：一種異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種日盲紫外探測(cè)器，屬于半導(dǎo)體光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，紫外光探測(cè)器在 環(huán)境保護(hù)、紫外通訊、生物醫(yī)學(xué)研究
以及天文學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增長(zhǎng)，新型高性能低成本紫外光探測(cè)器的研究 受到普遍關(guān)注。其中日盲型紫外探測(cè)器是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。由于大氣臭氧 層的強(qiáng)烈吸收，220nm-280nm波段的太陽(yáng)輻射光無(wú)法到達(dá)地球表面，被稱(chēng)為 日盲區(qū)。因此，工作于這一波段的日盲型紫外探測(cè)器不受太陽(yáng)輻射背景的干 擾，虛警率低，精確度高，在實(shí)際應(yīng)用中具有極大優(yōu)勢(shì)。
與曰盲波段對(duì)應(yīng)的材料禁帶寬度為4.4eV-5.4eV，因此寬禁帶半導(dǎo)體材料 GaN等成為最近十幾年來(lái)紫外探測(cè)器研究的重點(diǎn)。但是GaN基材料存在組 分復(fù)雜、制備困難、難以與硅集成等問(wèn)題。
鋅鈹鎂氧薄膜作為一種新型寬禁帶半導(dǎo)體光電材料，可在保持單一六方纖 鋅礦結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)控制薄膜中鋅、鈹及鎂的含量實(shí)現(xiàn)禁帶寬度在 3.7~4.9eV之間連續(xù)可調(diào)。當(dāng)其禁帶寬度調(diào)節(jié)至4.4eV時(shí)，對(duì)應(yīng)的光吸收截 止邊約為280nm，有望用作日盲紫外探測(cè)器中的光電響應(yīng)材料。
本發(fā)明擬提供一種日盲紫外探測(cè)器，采用鋅鈹鎂氧薄膜與p-Si形成異質(zhì) pn結(jié)實(shí)現(xiàn)日盲區(qū)的光電轉(zhuǎn)換。其優(yōu)點(diǎn)在于不受太陽(yáng)光背景干擾，成本低，無(wú) 需外加工作電壓，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于與Si集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器，工作波段為 220nm-280nm的日盲區(qū)。
本發(fā)明的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器，其特征是自上而下依次由頂電極， 鋅鈹鎂氧薄膜，p-Si襯底和底電極疊置而成。上述的鋅鈹鎂氧薄膜作為光電響應(yīng)材料，分子通式為Zni.x.yBexMgyO，其 中x、 y為摩爾分?jǐn)?shù)，且(Kx〈1， 0<y<l， 0<x+y<l。該材料易于與Si集成， 具有優(yōu)異的結(jié)晶性能，可在保持單一六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)薄 膜中Be和Mg的含量調(diào)節(jié)禁帶寬度至4.4eV，從而控制探測(cè)器工作波段至日 盲區(qū)(220~280nm)。薄膜厚度大于lOOnm以保證光電響應(yīng)量子效率。
上述的頂電極和底電極為金屬(如Pt， Au， Ag， Al， Ti和Cu等)可與 鋅鈹鎂氧薄膜，p-Si形成良好的歐姆接觸，同時(shí)保護(hù)良好的透光性?；蛘邽?透明導(dǎo)電化合物(如ITO或Al、 Ga和Ag中任一種摻雜的ZnO)，它們可與 鋅鈹鎂氧薄膜及P-Si襯底形成良好的歐姆接觸的同時(shí)保持良好的透光性。其 中，ITO為In摻雜的氧化銦。頂電極和底電極厚度分別為20 30nrn，當(dāng)電 極厚度為20 30nm時(shí)，其電極層也為透明薄膜，具有良好的透光性。本發(fā) 明有限推薦的透明導(dǎo)電化合物為金屬Al摻雜的ZnO。
本發(fā)明的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器，其工作過(guò)程是鋅鈹鎂氧薄膜與 p-Si形成異質(zhì)pn結(jié)，入射光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)可在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分開(kāi)， 導(dǎo)致載流子漂移出耗盡層形成外部電路電流，從而獲得響應(yīng)信號(hào)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于不受太陽(yáng)光背景干擾，成本低，無(wú)需外加工作電壓，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單且易于與Si集成。有望在 環(huán)境保護(hù)、紫外通訊、生物醫(yī)學(xué)
以及天文學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是鋅鈹鎂氧薄膜的X射線(xiàn)衍射圖譜(XRD)。 圖3是鋅鈹鎂氧薄膜的光學(xué)透過(guò)譜。
圖4是本發(fā)明的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器的光電響應(yīng)譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。 參照附圖l，本發(fā)明的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器，自上而下依次由頂 電極l，鋅鈹鎂氧薄膜2， p-Si襯底3和底電極4疊置而成。
本實(shí)例中，鋅鈹鎂氧薄膜采用脈沖激光沉積法制備，具體工藝步驟如下a) 襯底清洗采用p-Si〈0O襯底，用丙酮、乙醇、HF酸和去離子水標(biāo) 準(zhǔn)超聲清洗，放入成膜室中。本底真空度為10'4Pa，保持襯底溫度為60(TC。
b) 鋅鈹鎂氧薄膜制備選擇Zn。.7Be(uMg。.20陶瓷片作為靶材，在襯底上 獲得鋅鈹鎂氧薄膜。激光能量為200mJ，脈沖頻率為5Hz，靶-襯底間距為6cm。
c) 頂電極制備采用孔洞直徑O.l mm的掩膜板；采用高純Ti靶，本底 真空下沉積厚度為5 nm的Ti;采用高純Pt靶，本底真空下沉積厚度為20 nm 的Pt電極。
d) 底電極制備將Si襯底背面朝上放置；采用高純Ti靶，本底真空下 沉積厚度為5 nm的Ti;采用高純Pt靶，本底真空下沉積厚度為20 nm的 Pt電極。
X射線(xiàn)衍射(XRD)分析表明，上述方法制備的鋅鈹鎂氧薄膜具有六方 纖鋅礦結(jié)構(gòu)，沒(méi)有分相產(chǎn)生，結(jié)晶質(zhì)量良好(參見(jiàn)圖2)。由圖3光學(xué)透過(guò)譜 所示，光吸收截止邊為280nm波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)禁帶寬度為4.4eV。
圖4是本實(shí)施例的日盲紫外探測(cè)器的光電響應(yīng)譜。從圖可以看出，該探 測(cè)器僅在226 280nm波段范圍具有顯著的光電響應(yīng)，表明這種探測(cè)器具有明 顯的日盲特點(diǎn)。只要符合0〈x〈1， 0<y< 1且0〈x+y〈 1條件通過(guò)調(diào)節(jié)Be 和Mg的含量，調(diào)節(jié)禁帶寬度的鋅鈹鎂氧薄膜(厚度大于100nm)配以本發(fā) 明所提供的頂電極材料或底電極材料只要形成異質(zhì)pn結(jié)型均具有如實(shí)施例l 相仿的日盲特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、一種異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器，其特征是自上而下依次由頂電極，鋅鈹鎂氧薄膜，p-Si襯底和底電極疊置而成，所述的鋅鈹鎂氧薄膜與p-Si構(gòu)成異質(zhì)pn結(jié)結(jié)構(gòu)。
2、 按權(quán)利要求l所述的異質(zhì)pn結(jié)型日育紫外線(xiàn)探測(cè)器，其特征在于所 述的鋅鈹鎂氧薄膜的組成通式為Zni.x.yBexMgyO，其中x、 y為摩爾分?jǐn)?shù)，且 0<x<l， 0<y<l， 0<x+y<l。
3、 按權(quán)利要求l或2所述的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外線(xiàn)探測(cè)器，其特征在 于所述的鋅鈹鎂薄膜為單一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜中Be和Mg 的含量調(diào)節(jié)禁帶寬度，從而控制探測(cè)器工作波段至220~280nm日盲區(qū)。
4、 按權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外線(xiàn)探測(cè)器，其 特征在于所述的鋅鈹鎂氧薄膜的厚度大于100nm。
5、 按權(quán)利要求l所述的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外線(xiàn)探測(cè)器，其特征在于所 述的頂電極和底電極為Pt， Au， Ag， Al， Ti或Cu;或者為透明導(dǎo)電化合物 ITO或Al、 Ga和Ag中任一種摻雜的ZnO，且與鋅鈹鎂氧薄膜或p-Si襯底 形成歐姆接觸。
6、 按權(quán)利要求l或5所述的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外線(xiàn)探測(cè)器，其特征在 于頂電極和底電極的厚度各為20 30nm。
7、 按權(quán)利要求5所述的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外線(xiàn)探測(cè)器，其特征在于所 述的頂電極為透明的Al摻雜的ZnO。
8、 權(quán)利要求l所述的異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外線(xiàn)探測(cè)器的應(yīng)用，其特征在 于應(yīng)用在導(dǎo)彈預(yù)警、紫外通訊或生物醫(yī)學(xué)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種異質(zhì)pn結(jié)型日盲紫外探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)自上而下依次由頂電極，鋅鈹鎂氧薄膜，p-Si襯底和底電極疊置而成。鋅鈹鎂氧薄膜作為光電響應(yīng)材料，其分子式為Zn_1-x-yBe_xMg_yO，式中x、y為摩爾分?jǐn)?shù)，且0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1?？稍诒３謫我涣嚼w鋅礦結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜中Be和Mg的含量控制探測(cè)器工作波段至日盲區(qū)(220～280nm)。鋅鈹鎂氧薄膜與p-Si形成異質(zhì)pn結(jié)結(jié)構(gòu)，入射光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)可在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分開(kāi)，導(dǎo)致載流子漂移出耗盡層形成外部電路電流。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于不受太陽(yáng)光背景干擾，成本低，無(wú)需外加工作電壓，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于與Si集成，在環(huán)境保護(hù)、紫外通訊、生物醫(yī)學(xué)研究以及天文學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L31/103GK101533868SQ20091004882
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者張亦文, 遜 曹, 李效民, 長(zhǎng) 楊, 高相東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所