一種硅基ZnS薄膜紫外可見光光電探測器的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種硅基ZnS薄膜紫外可見光光電探測器的制造方法，屬于無機非金屬材料器件制造工藝領(lǐng)域。本發(fā)明是采用磁控濺射法，在p型Si襯底上制備n型ZnS薄膜，形成ZnS薄膜/Sipn結(jié)結(jié)構(gòu)紫外可見光探測器，為制作高性能的紫外可見光探測器提供了新的方法。本發(fā)明是一種基于硅襯底的pn結(jié)ZnS薄膜紫外光探測器，其特點在于，采用磁控濺射法在Si片上制備顆粒尺寸均勻、質(zhì)量高的ZnS薄膜樣品，所制成的pn結(jié)型探測器具有高的靈敏度，且可同時探測紫外光和可見光。
【專利說明】—種硅基ZnS薄膜紫外可見光光電探測器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硅基ZnS薄膜的紫外可見光光電探測器的制造方法，屬于無機非金屬材料器件制造工藝領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測器作為紫外告警、紫外軍事通訊、紫外偵察、紫外制導(dǎo)以及空間防務(wù)等系統(tǒng)等的核心器件，已引起軍方的高度重視。僅就光電對抗而言，隨著紅外對抗與反對抗技術(shù)的成熟和完善，紫外對抗與反對抗技術(shù)日益受到軍方的關(guān)注。紫外探測器能在微弱的紫外輻射背景下輕易探測到導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射及其中組分產(chǎn)生的化學(xué)熒光輻射，確定導(dǎo)彈來襲方向并發(fā)出警報，可高效保護(hù)己方飛機免受各種短程地對空、空對空導(dǎo)彈的攻擊。相比其它探測技術(shù)，紫外探測具有虛警率低、隱蔽性高、無需低溫冷卻和掃描、體積小、質(zhì)量輕等獨特優(yōu)勢，已成為裝備量最大的導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)之一。紫外光探測器可廣泛用于科研、軍事、太空、環(huán)保和許多工業(yè)領(lǐng)域，如太空飛船中的紫外光監(jiān)測器，臭氧層太陽光紫外線監(jiān)測，熱背景火焰探測，廢氣檢測等。另外可用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等，日常生活中可作為UV-A(23(T320nm)、UV-B (28(T320nm)紫外計量計用于海灘、高山等富紫外環(huán)境的個人使用。另夕卜，在民用領(lǐng)域，紫外探測器可廣泛應(yīng)用于可燃?xì)怏w和汽車尾氣的監(jiān)測、火災(zāi)監(jiān)測、環(huán)境污染監(jiān)測、細(xì)胞癌變分析及DNA測試等，具有很大的應(yīng)用前景和誘人的發(fā)展?jié)摿?。目前已投入?yīng)用的紫外探測器主要有紫外真空二極管、紫外光電倍增管、紫外圖像增強管、紫外攝像管、多陽極微道板陣列(MAMA)、超高速光電管和固體寬禁帶紫外探測器等。
[0003]可見光探測器在軍事和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光探測器基本上使整個近紅外波帶上的垂直入射光反射，并且基本上使整個可見光波長范圍內(nèi)的垂直入射光透射。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。
[0004]在寬禁帶紫外探測器的研究上，過去十年主要集中在SiC、GaN、ZnO、金剛石薄膜等材料上。本專利是制備一種紫外可見光光電探測器，可以同時探測可見光和紫外光。ZnS的優(yōu)點是它與Si襯底晶格近乎完全匹配，這使得它成為在Si襯底上制作集成光電子器件的一種很有前景的材料。這是一種ZnS/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器，能夠結(jié)合ZnS的光電特性和Si的高密度電路能力，采用結(jié)型結(jié)構(gòu)比普通的電阻型光電探測器速度快。在寬禁帶半導(dǎo)體中，ZnS由于獨特的性能成為很好的選擇對象，包括在室溫下直接禁帶寬度為3.68eV,激子結(jié)合能為40meV和良好的光學(xué)性能等等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是采用射頻磁控濺射法在P型硅襯底上沉積η型ZnS薄膜，從而制備了硅基ZnS薄膜的結(jié)型紫外可見光光電探測器。
[0006]一種硅基ZnS薄膜紫外可見光探測器的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程步驟:(a)襯底預(yù)處理:采用p型單晶娃(~0.05 Ω.cm)作為襯底,用去離子水、乙醇和丙酮分別超聲清洗5-15分鐘，洗去表面的雜質(zhì)與有機物，放于20%HF酸中5-15分鐘，隨后用去離子水沖洗干凈，使用氬氣吹干后放入射頻磁控濺射裝置的真空室內(nèi)；
(b)ZnS薄膜生長過程:射頻磁控濺射裝置真空系統(tǒng)的真空度要保證低于7xlO_4Pa ;在沉積前，靶材要預(yù)濺射5-10分鐘，以除去靶材表面雜質(zhì)及污染物；工作氣體為純氬氣，工作氣壓控制在0.3-lPa，濺射功率控制為115-135W，襯底溫度為200_400°C ;沉積時間30-120分鐘；最終得到ZnS薄膜；
(c)ZnS薄膜退火:將薄膜在氬氣氛圍中退火0.5-1小時，退火溫度為400-600 oC ；
(d)硅基ZnS薄膜探測器的電極制作:對ZnS薄膜和P型硅分別進(jìn)行掩膜，用濺射的方法在η型ZnS層和P型Si襯底上分別沉積Al和Ag ;然后將器件在氬氣中退火5_15分鐘，退火溫度為400-600° C以形成良好的歐姆接觸，最終制得以P型硅為襯底的ρη結(jié)ZnS薄膜紫外可見光探測器。
[0007]同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點:
(I)ZnS具有與Si襯底晶格近乎完美的匹配，這使得它成為在Si襯底上制作集成光電子器件的一種很有前景的材料，可以獲得高性能器件。
[0008](2)制備的ZnS/Si結(jié)型薄膜探測器探測光譜范圍寬， 可以探測紫外光以及可見光，具有創(chuàng)新性與獨創(chuàng)性。
[0009]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1為本發(fā)明一種硅基ZnS薄膜光探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2為本發(fā)明一種硅基ZnS薄膜光探測器的Ι-v曲線。
【具體實施方式】
[0011 ] 現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。
實施例
[0012]本實施例的制備過程和步驟如下:
(a)襯底預(yù)處理:采用P型單晶硅（~0.05 Ω.cm)作為襯底，用去離子水、乙醇和丙酮分別超聲清洗5分鐘，洗去表面的雜質(zhì)與有機物，放于20%HF酸中10分鐘，隨后用去離子水沖洗干凈，使用氬氣吹干后放入射頻磁控濺射裝置的真空室內(nèi)；
(b)ZnS薄膜生長過程:射頻磁控濺射裝置真空系統(tǒng)的真空度要保證低于7xlO_4Pa ;在沉積前，靶材要預(yù)濺射5-10分鐘，以除去靶材表面雜質(zhì)及污染物；工作氣體為純氬氣，工作氣壓控制在0.45Pa，濺射功率控制為125W，襯底溫度為300°C ;最終得到ZnS薄膜；
(c)ZnS薄膜退火:將薄膜在氬氣氛圍中退火I小時，退火溫度為550°C，制的η型ZnS薄膜；霍爾效應(yīng)測量表明ZnS薄膜的電子濃度約為9.6X1016cm_3 ；
(d)硅基ZnS薄膜探測器的電極制作:對ZnS和p型硅分別進(jìn)行掩膜，用濺射的方法在n-ZnS層和p-Si襯底上分別沉積Al和Ag ;然后將器件在氬氣中退火10分鐘，退火溫度為500° C以形成良好的歐姆接觸，最終制得以P型硅為襯底的ρη結(jié)ZnS薄膜紫外可見光探測器。
[0013]本發(fā)明的薄膜生成方法采用了傳統(tǒng)常用的射頻磁控濺射裝置。[0014]器件結(jié)構(gòu)如附圖1所示。
[0015]獲得的器件對可見光和紫外光均具有靈敏響應(yīng)，如附圖2所示。圖2表明在波長330nm紫外光和450nm可見光照射下n-ZnS/p-Si異質(zhì)結(jié)的IV特性。從圖2可以發(fā)現(xiàn)在正向偏置條件下無論照射可見光還是紫外光電流都沒有顯著的變化。然而在反向偏置條件下，照射可見光或紫外光電流都會受到影響。在紫外照射下，紫外光子主要被ZnS層吸收這是由于在ZnS區(qū)域額外電子-空穴對的光學(xué)生成。由于增加載流子收集，光電流的大小是隨著施加反向偏置電壓的增加而增加。在可見光照射下，可見光穿透ZnS層并且主要在p-Si層被吸收。在反向偏置條件下，在P-Si層形成電子-空穴對。在低反向偏置電壓(〈2V)，光電流隨著施加反向偏壓的增加而增加。然后在高反向偏置電壓(>2V)，電流趨向于飽和，這是由于在P-Si層中光的穿透能力有限。紫外光照射下的光響應(yīng)比可見光照射下低可能是由于多晶ZnS薄膜在晶界的陷阱態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種硅基ZnS薄膜紫外可見光探測器的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟: (a)襯底預(yù)處理:采用P型單晶娃(?0.05 Ω.cm)作為襯底,用去離子水、乙醇和丙酮分別超聲清洗5-15分鐘，洗去表面的雜質(zhì)與有機物，放于20%HF酸中5-15分鐘，隨后用去離子水沖洗干凈，使用氬氣吹干后放入射頻磁控濺射裝置的真空室內(nèi)； (b)ZnS薄膜生長過程:射頻磁控濺射裝置真空系統(tǒng)的真空度要保證低于7xlO_4Pa ；在沉積前，靶材ZnS要預(yù)濺射5-10分鐘，以除去靶材表面雜質(zhì)及污染物；工作氣體為純氬氣，工作氣壓控制在0.3-lPa，濺射功率控制為115-135W，襯底溫度為200_400°C ;沉積時間30-120分鐘；最終得到ZnS薄膜； (c)ZnS薄膜退火:將薄膜在氬氣氛圍中退火0.5-1小時，退火溫度為400-600 oC ； (d)硅基ZnS薄膜探測器的電極制作:對ZnS薄膜和P型硅分別進(jìn)行掩膜，用濺射的方法在η型ZnS層和P型Si襯底上分別沉積Al和Ag ;然后將器件在氬氣中退火5_15分鐘，退火溫度為400-600° C以形成良好的歐姆接觸，最終制得以P型硅為襯底的ρη結(jié)ZnS薄膜紫外可見光探測器。
【文檔編號】H01L31/18GK103746037SQ201410001041
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】王林軍, 楊惠敏, 黃健, 張磊, 任兵, 陶駿, 張凱勛 申請人:上海大學(xué)