專利名稱：BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器及制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紫外探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種BeMgZnO基同質(zhì)p-η結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器及制法。
背景技術(shù)：
紫外探測(cè)尤其是日盲波段的探測(cè)技術(shù)無論在軍事上還是在民用上都有很大的應(yīng)用軍事領(lǐng)域日盲探測(cè)可用在軍事通信、導(dǎo)彈尾焰的探測(cè)和制導(dǎo)等方面；民用領(lǐng)域可用于火災(zāi)預(yù)警、海洋石油漏油、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。
目前商用的日盲探測(cè)器有硅探測(cè)器、光電倍增管和半導(dǎo)體探測(cè)器。相對(duì)硅探測(cè)器和光電倍增管來說，由于半導(dǎo)體材料具有攜帶方便、造價(jià)低、響應(yīng)度高等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。 而研究用于日盲探測(cè)的半導(dǎo)體材料主要有II1- V族的合金AlGaN和I1-VI族的合金MgZnO。 目前報(bào)道的GaN通過摻入鋁能把能帶調(diào)寬到日盲區(qū)，并制作成MSM和p-η等結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。 但是AlGaN的生長(zhǎng)溫度高，而且高鋁組份的合金結(jié)晶質(zhì)量差，空間的抗輻射性也不如ZnO。
ZnO作為另外一種寛禁帶半導(dǎo)體通過摻入鎂也能把禁帶調(diào)到日盲區(qū)，目前已有 MgZnO基的日盲探測(cè)器的報(bào)導(dǎo)。但是MgZnO也有缺點(diǎn)氧化鎂和氧化鋅的晶體結(jié)構(gòu)不一樣， 限制了高鎂組份合金的制備。
BeZnO作為一種新型的合金材料，其能帶理論上能從3. 4eV調(diào)到10. 6eV，覆蓋整個(gè)日盲區(qū)。但是由于氧化鈹和氧化鋅的晶格常數(shù)相差太大，重?fù)诫s容易出現(xiàn)組份的相分離，即使在非平衡態(tài)下生長(zhǎng)出單相的合金，晶體質(zhì)量也很差，達(dá)不到器件的要求。
通過理論計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，在BeZnO中摻入鎂或者在MgZnO中摻入鈹，都有利于 解決三元合金遇到的結(jié)構(gòu)相變和組份分離的問題。在這里我們提出制作BeZnMgO基的日盲探測(cè)器，在生長(zhǎng)的過程中通過改變生長(zhǎng)參數(shù)來調(diào)節(jié)鈹、鋅、鎂的原子比例，從而使能帶連續(xù)可調(diào)。
綜上所述，目前來說這種新型的材料還有待研究，相關(guān)的探測(cè)器的制備尚未看到報(bào)導(dǎo)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用ZnO材料制作紫外探測(cè)的技術(shù)不足，提供一種 BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器，以獲得在日盲范圍(200nm到375nm)響應(yīng)的紫外探測(cè)器。
進(jìn)一步的,提供一種BeMgZnO基同質(zhì)p_n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的制法。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為提供一種BeMgZnO基同質(zhì)p-η結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器，包括襯底、襯底上沉積有緩沖層，緩沖層上生長(zhǎng)有η型薄膜層，η型薄膜層上生長(zhǎng)有P型薄膜層；η型薄膜層上制作有金屬電極的負(fù)極，P型薄膜層上生長(zhǎng)有金屬電極的正極；所述η型薄膜層與P型薄膜層均為BeMgZnO四元合金薄膜層，BeMgZnO四元合金薄膜層的厚度為200nm IOOOnm ；BeMgZnO四元合金薄膜層通過調(diào)節(jié)鈹、鎂和鋅三種元素的原子配比來調(diào)節(jié)禁帶寬度，禁帶寬度為3. 37eV 6. 2eV。
優(yōu)選地，所述襯底為單晶氮化鎵、砷化鎵、氧化鎂、單面或雙面拋光的藍(lán)寶石；襯底為藍(lán)寶石時(shí)，藍(lán)寶石的取向可以是C、R、M和a取向。
優(yōu)選地，緩沖層由氧化鈹、金屬鎂、氧化鎂和氧化鋅中的一種或一種以上材料形成，緩沖層的厚度為10nm-100nm。
優(yōu)選地，所述金屬電極由鈦、鋁、鎳、金、鉬、銀、銥、鑰、鉭、鈮、鈷、鋯和鎢中的一種或一種以上形成，金屬電極的沉積厚度為IOnm 500nm。
優(yōu)選地,金屬電極上沉積有金層或銀層,該金層或銀層的厚度IOnm lOOOnm。
優(yōu)選地，P型薄膜層通過摻元素鋰、鈉、氮或磷來實(shí)現(xiàn)；n型薄膜層通過摻元素鋁或鎵來實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)一步地,提供一種BeMgZnO基同質(zhì)p_n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的制法,包括如下步驟 O清洗襯底在硫酸鹽酸體積比為3:1的酸中加熱15min 30min，之后經(jīng)過丙酮、異丙醇清洗，然后用去離子水沖干凈，最后用氮?dú)鈽尨蹈桑辉谘b入生長(zhǎng)腔之后，用500°C 900°C的高溫處理15min 60min，去除襯底表面的水蒸汽和殘留的有機(jī)物；2)生長(zhǎng)緩沖層在高溫處理襯底后，在襯底上生長(zhǎng)緩沖層；3)生長(zhǎng)薄膜層先在緩沖層上生長(zhǎng)η型薄膜層，所摻的元素可為鋁和鎵；然后在η型層上生長(zhǎng)P型薄膜層，所摻元素可為鋰、鈉、氮或磷，薄膜層為BeMgZnO四元合金薄膜層， BeMgZnO四元合金薄膜層的厚度為200nm IOOOnm ；BeMgZnO四元合金薄膜層通過調(diào)節(jié)鈹、 鎂和鋅三種元素的原子配比來調(diào)節(jié)禁帶寬度，禁帶寬度為3. 37eV 6. 2eV ； 4)刻蝕在制作該層之前必須先用丙酮或異丙醇IPA化學(xué)試劑對(duì)步驟3)中的產(chǎn)物進(jìn)行表面清洗，以得到干凈平整的表面；然后用光學(xué)掩膜和顯影技術(shù)的方法用光刻膠覆蓋部分P型薄膜層；接著采用ICP刻蝕的方法刻蝕掉未經(jīng)光刻膠覆蓋部分的P型薄膜層，使η型薄膜層對(duì)應(yīng)部分裸露出來；5)制作金屬電極再次把步驟4)中刻蝕完的樣品用丙酮、異丙醇(IPA)和去離子水清洗干凈；然后貼上掩膜并采用電子束蒸鍍，在η型薄膜層上鍍上金屬電極的負(fù)極，在P型薄膜層上鍍上金屬電極的負(fù)極。
優(yōu)選地，步驟I)中，在襯底上通過分子束外延、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射)或脈沖激光沉積生長(zhǎng)緩沖層。
優(yōu)選地，步驟2)中，在緩沖層上通過分子束外延、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射或脈沖激光沉積生長(zhǎng)薄膜層。
優(yōu)選地，步驟5)中，在金屬電極上繼續(xù)沉積金層或銀層，該金層或銀層的厚度 IOnm lOOOnm。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果本發(fā)明在生長(zhǎng)的過程中通過調(diào)節(jié)鈹、鎂、鋅在四元合金中的原子比例，一方面克服了三元合金MgZnO中存在的高鎂濃度下的結(jié)構(gòu)相變問題，將光譜響應(yīng)范圍繼續(xù)往短波段調(diào)節(jié)； 另一方面也解決了三元合金B(yǎng)eZnO中高鈹濃度的晶體質(zhì)量差，鈹易處于間隙位置的問題。 四元合金B(yǎng)eMgZnO薄膜層作為吸收層，可獲得在200nm到375nm波長(zhǎng)范圍響應(yīng)的紫外探測(cè)器，覆蓋了整個(gè)日盲區(qū)；而且這種探測(cè)器的成本相對(duì)現(xiàn)有的探測(cè)技術(shù)，譬如硅探測(cè)器等要低的多，而且體積較小，不用外加濾光片和放大元件，易于攜帶和應(yīng)用。另外，同質(zhì)P-n結(jié)構(gòu)探測(cè)器具有工作電壓低，輸入阻抗高，工作頻率大，飽和電流小等優(yōu)點(diǎn)，另外其制作工藝與半導(dǎo)體平面工藝相容，方面了大規(guī)模化的集成。


圖1是本發(fā)明BeMgZnO基同質(zhì)p_n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器生長(zhǎng)BeMgZnO四元合金薄膜層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明P型薄膜層經(jīng)ICP刻蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明制備金屬電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的發(fā)明目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。除非特別說明，本發(fā)明采用的材料和加工方法為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)材料和加工方法。
實(shí)施例1如圖1、2和3所示，一種BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器，包括襯底1、襯底I上沉積有緩沖層2，緩沖層2上生長(zhǎng)有η型薄膜層3，η型薄膜層3上生長(zhǎng)有ρ型薄膜層4 ；η型薄膜層3上制作有金屬電極5的負(fù)極，ρ型薄膜層4上生長(zhǎng)有金屬電極5的正極。
η型薄膜層3和ρ型薄膜層4均為BeMgZnO四元合金薄膜層,BeMgZnO四元合金薄膜層的厚度為200nm lOOOnm ；BeMgZnO四元合金薄膜層通過調(diào)節(jié)鈹、鎂和鋅三種元素的原子配比來調(diào)節(jié)禁帶寬度，禁帶寬度為3. 37eV 6. 2eV。
本實(shí)施例中，襯底為雙面拋光的藍(lán)寶石時(shí)，雙面拋光的藍(lán)寶石的取向是c取向。叉指電極采用的是鈦和金。
本實(shí)施例制備方法如下在生長(zhǎng)薄膜層之前先對(duì)襯底進(jìn)行清洗，具體步驟為O清洗襯底在硫酸鹽酸體積比為3:1的酸中加熱15min 30min,清除襯底表面在切割過程中可能附著的金屬(主要是為了清除襯底表面在切割過程中可能附著的金屬， 除藍(lán)寶石之外其它襯底可無需經(jīng)過此步驟)；之后經(jīng)過丙酮、異丙醇(IPA)清洗，清洗襯底表面附著的有機(jī)物；然后用去離子水沖干凈，最后用氮?dú)鈽尨蹈桑辉谘b入生長(zhǎng)腔之后，用 500°C 900°C的高溫處理15min 60min，把表面的水蒸汽和殘留的有機(jī)物去掉。
2)生長(zhǎng)緩沖(buffer)層在襯底上根據(jù)分子束外延(MBE)生長(zhǎng)緩沖層。總的來說， 束流的固體源的束流通過控制源的溫度或者濺射功率或者是激光的脈沖功率來調(diào)節(jié)，氣體源則由氣體質(zhì)量流量計(jì)來控制。緩沖(buffer)層的厚度為IOnm-1OOnm,盡可能在生長(zhǎng)薄膜層之前起到過渡作用，厚度可通過控制生長(zhǎng)時(shí)間來調(diào)節(jié)。
3)生長(zhǎng)薄膜層在緩沖層上根據(jù)分子束外延(MBE)生長(zhǎng)薄膜層，先在緩沖層上生長(zhǎng)η型薄膜層，所摻的元素可為鋁和鎵；然后在η型層上生長(zhǎng)ρ型薄膜層，所摻元素可為鋰、 鈉、氮或磷，薄膜層為BeMgZnO四元合金薄膜層，BeMgZnO四元合金薄膜層的厚度為幾十納米到幾微米不等；BeMgZnO四元合金薄膜層通過調(diào)節(jié)鈹、鎂和鋅三種元素的原子配比來調(diào)節(jié)禁帶寬度，禁帶寬度為3. 37eV 6. 2eV ;和生長(zhǎng)緩沖(buffer)層一樣，束流的固體源的束流通過控制源的溫度或者濺射功率或者是激光的脈沖功率來調(diào)節(jié)，氣體源則由氣體質(zhì)量流量計(jì)來控制，厚度可通過生長(zhǎng)時(shí)間控制。
4)刻蝕在制作該層之前必須先用丙酮或異丙醇IPA化學(xué)試劑對(duì)步驟3)中的產(chǎn)物進(jìn)行表面清洗，以得到干凈平整的表面；然后用光學(xué)掩膜和顯影技術(shù)的方法用光刻膠覆蓋部分P型薄膜層；然后采用ICP刻蝕的方法刻蝕掉未經(jīng)光刻膠覆蓋部分的P型薄膜層，使 η型薄膜層對(duì)應(yīng)部分裸露出來。
5)制作金屬電極再次把步驟4)中刻蝕完的樣品用丙酮、異丙醇(IPA)和去離子水清洗干凈；然后貼上掩膜并采用電子束蒸鍍，在η型薄膜層上鍍上金屬電極的負(fù)極，在P 型薄膜層上鍍上金屬電極的負(fù)極。
實(shí)施例2本實(shí)施例除下述特征外，其他均與實(shí)施例1相同本實(shí)施例中，步驟3)中，在緩沖層上根據(jù)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)η型薄膜層。
實(shí)施例3本實(shí)施例除下述特征外，其他均與實(shí)施例1相同本實(shí)施例中，步驟3)中，在緩沖層上根據(jù)磁控派射(Sputter)生長(zhǎng)η型薄膜層。
實(shí)施例4本實(shí)施例除下述特征外，其他均與實(shí)施例1相同本實(shí)施例中，步驟3)中，在緩沖層上根據(jù)脈沖激光沉積生長(zhǎng)η型薄膜層。
實(shí)施例5本實(shí)施例除下述特征外，其他均與實(shí)施例1相同本實(shí)施例中，步驟2)中，在襯底上根據(jù)磁控濺射(Sputter)生長(zhǎng)緩沖層；步驟3)中，在緩沖層上根據(jù)脈沖激光沉積生長(zhǎng)薄膜層。
上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器，其特征在于包括襯底、襯底上沉積有緩沖層，緩沖層上生長(zhǎng)有η型薄膜層，η型薄膜層上生長(zhǎng)有P型薄膜層；η型薄膜層上制作有金屬電極的負(fù)極，P型薄膜層上生長(zhǎng)有金屬電極的正極；所述η型薄膜層與P型薄膜層均為BeMgZnO四元合金薄膜層，BeMgZnO四元合金薄膜層的厚度在為200nm Ium ；BeMgZnO四元合金薄膜層通過調(diào)節(jié)鈹、鎂和鋅三種元素的原子配比來調(diào)節(jié)禁帶寬度，禁帶寬度為3.37eV-6. 2eV。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的BeMgZnO基同質(zhì)p-η結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器，其特征在于所述襯底為單晶、氮化鎵、砷化鎵、氧化鎂、單面或雙面拋光的藍(lán)寶石；襯底為藍(lán)寶石時(shí)，藍(lán)寶石的取向可以是C、R、M和a取向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器，其特征在于緩沖層由氧化鈹、金屬鎂、氧化鎂和氧化鋅中的一種或一種以上材料形成，緩沖層的厚度為10nm-100nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器，其特征在于所述金屬電極由鈦、鋁、鎳、金、鉬、銀、銥、鑰、鉭、鈮、鈷、鋯和鎢中的一種或一種以上形成，此金屬電極的沉積厚度為IOnm 500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的BeMgZnO基同質(zhì)p-η結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器,其特征在于金屬電極上沉積有金層或銀層，該金層或銀層的厚度IOnm lOOOnm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器,其特征在于p型薄膜層通過摻元素鋰、鈉、氮或磷來實(shí)現(xiàn)；n型薄膜層通過摻元素鋁或鎵來實(shí)現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的BeMgZnO基同質(zhì)p-η結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的制法,其特征在于包括如下步驟 1)清洗襯底在硫酸鹽酸體積比為3:1的酸中加熱15min 30min，之后經(jīng)過丙酮、異丙醇清洗，然后用去離子水沖干凈，最后用氮?dú)鈽尨蹈?；在裝入生長(zhǎng)腔之后，用500°C 900°C的高溫處理15min 60min，去除襯底表面的水蒸汽和殘留的有機(jī)物； 2)生長(zhǎng)緩沖層在高溫處理襯底后，在襯底上生長(zhǎng)緩沖層； 3)生長(zhǎng)薄膜層先在緩沖層上生長(zhǎng)η型BeMgZnO層，所摻的元素可為鋁和鎵；然后在η型層上生長(zhǎng)P型BeMgZnO層，所摻元素可為鋰、鈉、氮或磷，薄膜層為BeMgZnO四元合金薄膜層,BeMgZnO四元合金薄膜層的厚度為200nm IOOOnm ；BeMgZnO四元合金薄膜層通過調(diào)節(jié)鈹、鎂和鋅三種元素的原子配比來調(diào)節(jié)禁帶寬度，禁帶寬度為3. 37eV 6. 2eV ； 4)刻蝕在制作該層之前必須先用丙酮或異丙醇IPA化學(xué)試劑對(duì)步驟3)中的產(chǎn)物進(jìn)行表面清洗，以得到干凈平整的表面；然后用光學(xué)掩膜和顯影技術(shù)的方法用光刻膠覆蓋部分P型薄膜層；然后采用ICP刻蝕的方法刻蝕掉未經(jīng)光刻膠覆蓋部分的P型薄膜層，使η型薄膜層對(duì)應(yīng)部分裸露出來； 5)制作金屬電極再次把步驟4)中刻蝕完的樣品用丙酮、異丙醇(IPA)和去離子水清洗干凈；然后貼上掩膜并采用電子束蒸鍍，在η型薄膜層上鍍上金屬電極的負(fù)極，在P型薄膜層上鍍上金屬電極的負(fù)極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的制法步驟I)中，在襯底上通過分子束外延、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射)或脈沖激光沉積生長(zhǎng)緩沖層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的制法，其特征在于步驟2)中，在緩沖層上通過分子束外延、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射或脈沖激光沉積生長(zhǎng)薄膜層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的BeMgZnO基同質(zhì)P-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的制法，其特征在于步驟5)中，在金屬電極上繼續(xù)沉積金層或銀層,該金層或銀層的厚度IOnm lOOOnm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種BeMgZnO基同質(zhì)p-n結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器，包括襯底、襯底上沉積有緩沖層，緩沖層上生長(zhǎng)有n型薄膜層，n型薄膜層上生長(zhǎng)有p型薄膜層；n型薄膜層上制作有金屬電極的負(fù)極，p型薄膜層上生長(zhǎng)有金屬電極的正極；n型薄膜層與p型薄膜層均為BeMgZnO四元合金薄膜層，BeMgZnO四元合金薄膜層的厚度可通過控制生長(zhǎng)時(shí)間來控制，可根據(jù)需要從幾十納米到幾微米不等；BeMgZnO四元合金薄膜層通過調(diào)節(jié)Be、Mg和Zn三種元素的原子配比來調(diào)節(jié)禁帶寬度，禁帶寬度為3.37eV-6.2eV。本發(fā)明通過BeMgZnO四元合金薄膜層作為吸收層，獲得在日盲范圍200nm到375nm響應(yīng)的紫外探測(cè)器，從而覆蓋整個(gè)日盲區(qū)。
文檔編號(hào)H01L31/0296GK103022216SQ20121047764
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者湯子康, 祝淵, 蘇龍興, 張權(quán)林, 陳明明, 陳安琪, 桂許春, 項(xiàng)榮, 吳天準(zhǔn) 申請(qǐng)人:中山大學(xué)