專利名稱：自組裝納米TiO₂薄膜紫外光探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電探測器領(lǐng)域，具體涉及一種以帶有官能團(tuán)的石英為襯底、 以納米TiA薄膜為基體材料、以Au為金屬電極的自組裝納米TiO2薄膜紫外光探測器及其制備方法。
背景技術(shù)：
紫外探測技術(shù)是繼激光、紅外、及可見光探測以外的又一門新興探測技術(shù)，在國防、紫外天文學(xué)、燃燒工程、導(dǎo)彈尾焰探測、紫外告警、生物細(xì)胞癌變檢測和渦輪引擎燃燒效率監(jiān)測等方面所表現(xiàn)出來的巨大應(yīng)用前景使其成為近年來光電探測領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前制造紫外探測器的半導(dǎo)體材料主要集中為氮化鎵、金剛石膜、氮化硅和氧化鋅等。由于這些材料的制備工藝難度大，導(dǎo)致器件的制作工藝難度也不小，進(jìn)而造成紫外探測技術(shù)發(fā)展緩慢。為了擺脫這些問題，人們積極展開了解決制作探測器成本高、工藝復(fù)雜的研究工作，并尋找性能優(yōu)越、價(jià)格低廉、工藝簡單的可替代材料，探索新的器件制備工藝。氧化物半導(dǎo)體TW2價(jià)格低廉，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且在納米尺度下顯現(xiàn)出了優(yōu)異的光電特性，因此可用于制作紫外探測器的基體材料。傳統(tǒng)的薄膜生長法是溶膠-凝膠法，但是溶膠-凝膠法存在工藝復(fù)雜，多次涂膜可能會導(dǎo)致膜出現(xiàn)裂縫的缺點(diǎn)。進(jìn)而影響光電性能。自組裝法是一種工藝設(shè)備簡單、反應(yīng)溫和、成本低廉以及能夠適應(yīng)大規(guī)模量產(chǎn)的制備方法，同時還能夠制備出定向生長、缺陷密度較低、結(jié)晶度完好的納米TiO2薄膜。因此在紫外探測器基體材料的制備方面顯示出獨(dú)特的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以自組裝方法制備的納米TW2薄膜為基體材料的金屬-半導(dǎo)體-金屬平面結(jié)構(gòu)自組裝納米TiA薄膜紫外光探測器及該探測器的制備方法。采用自組裝方法將石英襯底官能團(tuán)化，隨后在帶有官能團(tuán)的功能襯底上生長一層納米TW2薄膜，該方法擺脫了溶膠-凝膠法工藝復(fù)雜，多次涂膜可能導(dǎo)致膜裂和生長的納米TiA晶體缺陷較多等缺點(diǎn)，同時為大規(guī)模制備工藝簡單、成本低、結(jié)晶度良好的紫外探測器基體材料提供了新的渠道，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明所述的自組裝納米TiA薄膜紫外光探測器，從下至上依次由帶有官能團(tuán)的石英襯底、在帶有官能團(tuán)的石英襯底上生長的納米TiA薄膜、在納米TiO2薄膜上采用磁控濺射法制備的Au插指電極組成，帶有官能團(tuán)的石英襯底是由[3-(三甲氧硅基)丙基]二乙烯三胺與表面帶有-OH基的石英襯底通過縮合反應(yīng)得到，官能團(tuán)的終端為-NH2基；待探測的紫外光從Au插指電極的上方入射；納米TW2薄膜的厚度為0. 1 0. 3 μ m，Au插指電極的厚度為0. 03 0. 1 μ m、插指電極的寬度為5 25 μ m、插指電極的間距為10 25 μ m ；本發(fā)明所述的自組裝納米TW2薄膜紫外光探測器的制備步驟如下(一)襯底的清洗
將石英襯底依次用丙酮、乙醇、去離子水分別超聲5 15分鐘，然后用氮?dú)獯蹈桑?二)襯底的官能團(tuán)化在20 80°C水浴條件下，將清洗過的石英襯底置于體積比為5 1 12 1的濃硫酸和雙氧水的混合溶液(該溶液需要現(xiàn)配現(xiàn)用)中，浸泡至無氣泡產(chǎn)生，然后將石英襯底用去離子水沖洗，用氮?dú)獯蹈桑话汛蹈傻氖⒁r底放在0. 8 1. 5M的KOH溶液中浸泡5 15分鐘，再用去離子水沖洗干凈；然后將沖洗干凈的石英襯底置于100 150°C的溫度下烘烤下1 2h，冷卻至室溫，從而得到表面帶有-OH基的石英襯底；再將帶有-OH基的石英襯底浸泡在體積濃度為0. 5 % 3. 0 %的3-(三甲氧硅基) 丙基]二乙烯三胺的乙醇溶液中，超聲30 60分鐘，然后在20 80°C水浴條件下浸泡 2 證；隨后用乙醇沖洗襯底，并用氮?dú)獯蹈?，最后?00 150°C溫度下烘烤5 15分鐘， [3_(三甲氧硅基)丙基]二乙烯三胺與石英襯底表面的-OH基通過縮合反應(yīng)，從而在石英襯底上得到終端為-NH2基的官能團(tuán)；(三)自組裝納米TiO2薄膜的制備將0. 05 0. 50M TiCl3、0. 1 1. OmM聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和 0. 01 0. 50MNa2S04 的混合溶液置于反應(yīng)釜中，把帶有官能團(tuán)的功能襯底放入反應(yīng)釜中并嚴(yán)格密閉，然后再把反應(yīng)釜放在電阻爐內(nèi)，將溫度調(diào)節(jié)到130 200°C加熱3 20h ；冷卻至室溫后，先用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈?，從而在石英襯底上得到厚度為0. 1 0. 3 μ m的自組裝納米TW2薄膜；(四)光刻膠插指電極圖形的制備在制備好的納米TW2薄膜上采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備與插指電極形狀互補(bǔ)的光刻膠插指電極圖形，具體制備方法是在納米TW2薄膜上旋涂一層厚度為1 2 μ m的正型光刻膠(正型光刻膠BP212，轉(zhuǎn)速為2500 3500轉(zhuǎn)/分鐘)，在60 100°C條件下前烘10 30分鐘；在光刻機(jī)上，將與插指電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的掩膜板與旋涂的光刻膠層緊密接觸，曝光光刻膠30 50秒，經(jīng)過10 15秒的顯影(顯影液由上述正型光刻膠顯影液與去離子水按體積比2 1配成)，然后在100 130°C下堅(jiān)膜5 35分鐘，從而在納米TiO2薄膜上得到與插指電極形狀互補(bǔ)的光刻膠插指電極圖形；(五)采用磁控濺射技術(shù)制備金屬Au插指電極采用磁控濺射技術(shù)制備金屬電極，將光刻后表面具有光刻膠插指電極圖形的基底置于真空室中，抽真空至1.0X 10_3 5. 0X 10_3Pa ；然后通Ar氣，濺射氣壓為0. 3 1. 2Pa, 濺射功率為40 110W，濺射時間5 30分鐘，濺射鈀為Au鈀，濺射得到的插指電極厚度為0. 03 0. 1 μ m ；最后將基底置于丙酮中超聲5 30秒，未被曝光的光刻膠及覆蓋其上的Au即被剝離，得到Au插指電極，其中插指電極寬度為5 25 μ m，插指電極間距為10 25 μ m。將器件用去離子水沖洗后吹干，即得到Au-TiO2-Au平面結(jié)構(gòu)自組裝納米TW2薄膜紫外光探測器。


圖1 本發(fā)明所制備器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 本發(fā)明所制備器件的I-V特性曲線；
圖3 本發(fā)明所制備器件在5V偏壓下的光響應(yīng)特性曲線。如圖1所示，各部件名稱為帶有終端為-NH2基官能團(tuán)的石英襯底1、納米TW2薄膜2、插指電極3，紫外光4直接照射在插指電極3間的納米TiO2薄膜上，從而產(chǎn)生光電流；如圖2所示，曲線1為沒有光照時的I-V曲線，曲線2為在300nm紫外光照射下的 I-V曲線；5V偏壓下，暗電流在nA量級，光電流相對于暗電流提高了 3個多數(shù)量級；如圖3所示，從420nm到360nm，光響應(yīng)曲線基本水平。從350nm開始，光響應(yīng)迅速增加，在300nm處達(dá)到最大值，說明本發(fā)明在紫外波段有良好的響應(yīng)，可以用作探測紫外光。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 首先采用自組裝方法在干凈的石英襯底上生長一層厚度為0. 2 μ m的納米TW2薄膜。具體步驟是將清洗過的石英襯底置于體積比為9 1的濃硫酸和雙氧水的混合溶液中， 浸泡至無氣泡產(chǎn)生，然后用去離子水清洗，氮?dú)獯蹈?。把處理過的襯底放在1. OM的KOH溶液中浸泡10分鐘，再用去離子水徹底沖洗干凈。最后將襯底置于120°C下烘烤下Ih ；冷卻至室溫，得到帶有-OH的功能襯底；將帶有-OH基的功能襯底浸泡在1.0% (體積比)[3-(三甲氧硅基)丙基]二乙烯三胺的乙醇溶液中，超聲40分鐘，然后在50°C水浴條件下浸泡3 小時；隨后用乙醇沖洗襯底，并用氮?dú)獯蹈桑詈笤?20°C下烘烤10分鐘，得到終端為-NH2 的功能襯底；將0. 30M TiCl3、0. 30mM 聚乙烯吡咯烷酮(PVP, Mw = 55000)和 0. 50MNa2S04 的混合溶液置于反應(yīng)釜中，再把帶有-NH2官能團(tuán)的功能襯底放入反應(yīng)釜中嚴(yán)格密閉，將反應(yīng)釜放在150°C的電阻爐內(nèi)加熱6小時。冷卻至室溫后，先用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈?，即在石英襯底上得到所需的自組裝納米TW2薄膜，薄膜厚度為0. 2 μ m。在制備好的納米TiO2薄膜上采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備出與插指電極形狀互補(bǔ)的光刻膠插指電極圖形在納米TiO2薄膜上旋涂一層厚度為1 μ m的光刻膠(正性光刻膠 BP212，轉(zhuǎn)速為3200轉(zhuǎn)/分鐘，)，在80°C條件下前烘20分鐘；在光刻機(jī)上，將與插指電極形狀互補(bǔ)的掩膜板與襯底的光刻膠層緊密接觸，曝光光刻膠45秒，經(jīng)過10秒的顯影(顯影液由上述正型光刻膠顯影液與去離子水按體積比2 1配成)，最后在120°C下堅(jiān)膜5分鐘， 得到所需要的光刻膠插指電極圖形；采用磁控濺射技術(shù)在光刻膠插指圖形上濺射一層金屬Au 將光刻后表面有光刻膠插指電極圖形的石英襯底置于真空室中，抽真空至3. OXKT3Pa ；然后通Ar氣，濺射氣壓為0. 8Pa，濺射功率為80W，濺射時間為5分鐘，濺射鈀為Au鈀；最后將石英襯底置于丙酮中超聲10秒，未被曝光的光刻膠及覆蓋其上的Au即被剝離，得到Au插指電極，其中插指電極的厚度為120nm，插指電極寬度為20 μ m,插指電極間距為20 μ m。將器件用去離子水沖洗后吹干，得到Au-TiO2-Au平面結(jié)構(gòu)自組裝納米TW2薄膜紫外光探測器如圖1所示；制作好器件之后，對其光電特性進(jìn)行了測試。由圖2所示，器件的暗電流在nA量級，當(dāng)紫外光照在器件上時，器件電流大幅度提高，即出現(xiàn)一定程度的光響應(yīng)。在5V偏壓下，300nm紫外光照射下光電流可以達(dá)到16. 7 μ A，光、暗電流相差3個數(shù)量級。圖3為器件的光響應(yīng)特性曲線。光源為氙燈，外加電壓為5V，以IOnm為一個量度，使用單色儀連續(xù)改變光波長，在420nm到230nm范圍內(nèi)測量器件的光響應(yīng)。由圖3可知，當(dāng)入射波長為420nm到 360nm時，光響應(yīng)曲線基本水平，從350nm開始，器件的光響應(yīng)迅速增加，并在300nm處達(dá)到最大值，響應(yīng)度約為63.8A/W。說明本發(fā)明在紫外波段有較高的響應(yīng)，可用作探測紫外光。
權(quán)利要求
1.一種自組裝納米TiO2薄膜紫外光探測器，其特征在于從下至上依次由帶有官能團(tuán)的石英襯底(1)、在帶有官能團(tuán)的石英襯底上生長的納米TiO2薄膜O)、在納米TiO2薄膜上采用磁控濺射法制備的金屬Au插指電極(3)組成，帶有官能團(tuán)的石英襯底是由[3-(三甲氧硅基)丙基]二乙烯三胺與表面帶有-OH基的石英襯底通過縮合反應(yīng)得到，官能團(tuán)的終端為-NH2基；待探測的紫外光⑷從Au插指電極(3)的上方入射。
2.如權(quán)利要求1所述的一種自組裝納米T^2薄膜紫外光探測器，其特征在于納米 TiO2薄膜O)的厚度為0. 1 0.3 μ m，金屬Au插指電極(3)的厚度為0. 03 0. 1 μ m，插指電極寬度為5 25 μ m，插指電極間距為10 25 μ m。
3.—種權(quán)利要求1所述的自組裝納米TW2薄膜紫外光探測器的制備方法，其步驟如下(1)襯底的清洗將石英襯底依次用丙酮、乙醇、去離子水分別超聲5 15分鐘，然后用氮?dú)獯蹈桑?2)襯底的官能團(tuán)化在20 80°C水浴條件下，將清洗過的石英襯底置于體積比為5 1 12 1的濃硫酸和雙氧水的混合溶液中，浸泡至無氣泡產(chǎn)生，然后將石英襯底用去離子水沖洗，用氮?dú)獯蹈?；把吹干的石英襯底放在0. 8 1. 5M的KOH溶液中浸泡5 15分鐘，再用去離子水沖洗干凈；然后將沖洗干凈的石英襯底置于100 150°C的溫度下烘烤下1 池，冷卻至室溫， 從而得到表面帶有-OH基的石英襯底；再將帶有-OH基的石英襯底浸泡在體積濃度為0. 5% 3. 0%的3-(三甲氧硅基)丙基]二乙烯三胺的乙醇溶液中，超聲30 60分鐘，然后在20 80°C水浴條件下浸泡2 5h ；隨后用乙醇沖洗襯底，并用氮?dú)獯蹈?，最后?00 150°C溫度下烘烤5 15分鐘， [3_(三甲氧硅基)丙基]二乙烯三胺與石英襯底表面的-OH基通過縮合反應(yīng)，從而在石英襯底上得到終端為-NH2基的官能團(tuán)；(3)自組裝納米TiO2薄膜的制備將0. 05 0. 50M TiCl3、0. 1 1. OmM聚乙烯吡咯烷酮和0. 01 0. 50M Na2SO4的混合溶液置于反應(yīng)釜中，把帶有官能團(tuán)的功能襯底放入反應(yīng)釜中并嚴(yán)格密閉，然后再把反應(yīng)釜放在電阻爐內(nèi)，將溫度調(diào)節(jié)到130 200°C加熱3 20h ；冷卻至室溫后，先用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈?，從而在石英襯底上得到厚度為0. 1 0. 3 μ m的自組裝納米TW2薄膜；(4)光刻膠插指電極圖形的制備在制備好的納米TW2薄膜上采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備與插指電極形狀互補(bǔ)的光刻膠插指電極圖形，具體制備方法是在納米TW2薄膜上旋涂一層厚度為1 2 μ m的正型光刻膠， 在60 100°C條件下前烘10 30分鐘；在光刻機(jī)上，將與插指電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的掩膜板與旋涂的光刻膠層緊密接觸，曝光光刻膠30 50秒，經(jīng)過10 15秒的顯影，然后在100 130°C下堅(jiān)膜5 35分鐘，從而在納米TW2薄膜上得到與插指電極形狀互補(bǔ)的光刻膠插指電極圖形；(5)采用磁控濺射技術(shù)制備金屬Au插指電極采用磁控濺射技術(shù)制備金屬電極，將光刻后表面具有光刻膠插指電極圖形的基底置于真空室中，抽真空至1. OX Γ3 5. OX KT3Pa ；然后通Ar氣，濺射氣壓為0. 3 ·1. 2Pa,濺射功率為40 110W，濺射時間5 30分鐘，濺射鈀為Au鈀，濺射得到的插指電極厚度為 0. 03 0. 1 μ m ；最后將基底置于丙酮中超聲5 30秒，未被曝光的光刻膠及覆蓋其上的Au 即被剝離，得到Au插指電極，其中插指電極寬度為5 25 μ m，插指電極間距為10 25 μ m。 將器件用去離子水沖洗后吹干，即得到Au-TiO2-Au平面結(jié)構(gòu)自組裝納米TiO2薄膜紫外光探測器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以帶有官能團(tuán)的石英為襯底、以納米TiO2薄膜為基體材料、以Au為金屬電極的自組裝納米TiO2薄膜紫外光探測器及其制備方法。其是先將石英襯底官能團(tuán)化，再在帶有官能團(tuán)的石英襯底上生長一層納米TiO2薄膜，進(jìn)而通過磁控濺射技術(shù)在生長好的納米TiO2薄膜上濺射一層金屬Au，采用光刻技術(shù)形成Au插指狀電極；帶有官能團(tuán)的石英襯底是由[3-(三甲氧硅基)丙基]二乙烯三胺與表面帶有-OH基的石英襯底通過縮合反應(yīng)得到，官能團(tuán)的終端為-NH2基；本發(fā)明制備的自組裝納米TiO2薄膜紫外光探測器具有制備方法簡單，成本低廉，有望大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)，對波長230nm-350nm的紫外線具有良好的檢測性能。
文檔編號H01L31/09GK102194915SQ201110070898
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者馮彩慧, 劉彩霞, 周敬然, 張海峰, 李偉, 沈亮, 董瑋, 阮圣平, 陳麗華, 陳維友 申請人:吉林大學(xué)