本發(fā)明涉及一種紫外光探測(cè)器技術(shù)，特別是一種用于紫外光探測(cè)的陣列基紫外光探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

紫外光探測(cè)器因其抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在軍民領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于傳統(tǒng)單晶Si基半導(dǎo)體材料對(duì)紫外光沒(méi)有選擇吸收性，必須使用昂貴的濾光片，導(dǎo)致單晶Si基紫外探測(cè)器生產(chǎn)成本居高不下，難以滿足民用市場(chǎng)的需要。因此，目前人們主要把目光集中在寬帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)型器件上，如(Al)GaN、SiC、MgZnO、金剛石結(jié)型器件等，相應(yīng)的研究也主要集中在單晶器件上。由于單晶材料制備工藝復(fù)雜、往往需要造價(jià)高昂的生產(chǎn)設(shè)備，因此，紫外探測(cè)器的制造成本仍舊很高。近年來(lái)由于納米材料和納米光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得研究人員更多地將目光投到制備工藝更為簡(jiǎn)易，且無(wú)需昂貴制造設(shè)備的納米結(jié)構(gòu)多晶薄膜結(jié)型器件上，希望以此制備出成本更低、性能更為突出的紫外光探測(cè)器，相關(guān)研究已成為新的熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員以納米多晶薄膜為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了多種不同結(jié)型結(jié)構(gòu)的紫外光電探測(cè)器件，包括液結(jié)、肖特基結(jié)、PN結(jié)型紫外光探測(cè)器，并對(duì)它們的光電性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。然而，盡管有關(guān)納米多晶薄膜結(jié)型紫外光探測(cè)器的研究取得了一定的進(jìn)展，但從所獲器件性能來(lái)看，仍處于初級(jí)階段。納米多晶薄膜紫外光探測(cè)器的光電性能尚無(wú)法趕超單晶器件而獲得應(yīng)用。

傳統(tǒng)多晶薄膜結(jié)型器件光電性能之所以無(wú)法得到飛躍性提高的根本原因如下：

1.傳統(tǒng)多晶薄膜結(jié)型器件的結(jié)構(gòu)與單晶結(jié)型器件相似，界面均為普通的平面接觸，因此，分布在接觸面附近的空間電荷區(qū)面積較小，對(duì)光生電子-空穴對(duì)的分離作用有限；

2.多晶薄膜內(nèi)過(guò)高的晶界和缺陷密度嚴(yán)重阻礙了光生電子向?qū)щ娀谆蚪饘匐姌O的擴(kuò)散，使得大量光生電子-空穴對(duì)在尚未擴(kuò)散至電極處時(shí)，即因?yàn)榘l(fā)生復(fù)合而損失掉；

3.多晶薄膜內(nèi)所存在的大量缺陷作為光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合中心也嚴(yán)重降低了光生載流子的壽命。

上述原因在很大程度上抑制了納米多晶薄膜結(jié)型器件光電性能的提高。如果能夠?qū)⒓{米多晶薄膜的晶粒高度有序地排列起來(lái)，使其在薄膜內(nèi)形成光生載流子傳輸?shù)膶Ｓ猛ǖ?，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大限度地?cái)U(kuò)大界面面積，那么勢(shì)必會(huì)使薄膜中光生載流子在傳輸中受到的阻礙大幅降低，大幅提高光生電子-空穴對(duì)的分離效率，從而有望使納米多晶薄膜的光電性能獲得顯著的提高，使其接近甚至達(dá)到單晶器件的水平。

就目前的研究成果來(lái)看，高度有序化的納米晶粒結(jié)構(gòu)，如納米管陣列、納米線陣列、光子晶體已成功應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、氣體傳感器、光催化等領(lǐng)域的研究，并取得了不錯(cuò)的效果。然而需要注意的是，盡管有序化的納米結(jié)構(gòu)對(duì)光生載流子的傳輸速率有很大的提高，但其對(duì)光生電子-空穴對(duì)的分離卻無(wú)直接作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種成本低廉、具有高光電性能且性能穩(wěn)定的陣列基紫外探測(cè)器及其制作方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種陣列基紫外探測(cè)器，包括基底、導(dǎo)電薄膜，所述的導(dǎo)電薄膜位于基底上；所述的基底是玻璃基底、金屬基底或硅基底，所述的導(dǎo)電薄膜上有作為紫外光吸收層的Sm2O3@MgZnO陣列和至少一個(gè)N型歐姆電極，所述的Sm2O3@MgZnO陣列上有至少一個(gè)P型歐姆電極；所述的Sm2O3@MgZnO陣列為MgZnO納米管陣列和填充于MgZnO納米管內(nèi)的Sm2O3納米線構(gòu)成，所述的MgZnO納米管陣列由生長(zhǎng)方向垂直于導(dǎo)電薄膜的MgZnO納米管平行排列構(gòu)成，所述的每一根MgZnO納米管內(nèi)均生長(zhǎng)有一根Sm2O3納米線。

本發(fā)明所述的導(dǎo)電薄膜為氧化銦錫ITO導(dǎo)電薄膜或摻氟SnO₂FTO導(dǎo)電薄膜。

本發(fā)明所述的P型歐姆電極和N型歐姆電極為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)。

一種陣列基紫外探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟：

A、對(duì)基底進(jìn)行清潔處理；

B、在清潔處理后的基底上制備導(dǎo)電薄膜，獲得導(dǎo)電基底，并對(duì)導(dǎo)電基底進(jìn)行清潔處理；

C、在導(dǎo)電薄膜上制備Sm2O3@MgZnO陣列，所述的Sm2O3@MgZnO陣列的面積小于導(dǎo)電薄膜的面積；

所述的Sm2O3@MgZnO陣列的制備方法包括以下步驟：

C1、以高純Zn片為基材，首先制備一系列垂直于Zn片所在平面的MgZnO納米管，使所制得的MgZnO納米管平行排列構(gòu)成MgZnO納米管陣列；

C2、對(duì)所述MgZnO納米管陣列進(jìn)行預(yù)處理，除去Zn基底，制得獨(dú)立雙通MgZnO納米管陣列薄膜。

C3、以所述獨(dú)立雙通MgZnO納米管陣列薄膜為模板，在雙通MgZnO納米管內(nèi)制備結(jié)構(gòu)致密的Sm2O3納米線，構(gòu)成Sm2O3@MgZnO陣列；

D、在Sm2O3@MgZnO陣列上制備P型歐姆電極；

E、在導(dǎo)電薄膜上制作N型歐姆電極。

本發(fā)明所述的基底厚度為0.5-2mm；導(dǎo)電薄膜為半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜或金屬導(dǎo)電薄膜，厚度為0.5-1μm；Sm2O3@MgZnO陣列厚度為0.5-100μm，其中MgZnO納米管長(zhǎng)度為0.05-100μm，電子濃度大于1×10¹⁸cm^-3，Sm2O3納米線長(zhǎng)度為0.05-100μm，自由載流子濃度小于1×10¹⁶cm^-3。

本發(fā)明所述的P型歐姆電極和N型歐姆電極為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)，由Au或Pd或Pt或Ni或Al材料制得，厚度為0.1-5μm。

本發(fā)明所述的MgZnO納米管陣列的制備方法包括陽(yáng)極氧化法、模板法、水熱法、沉積法和磁控濺射法；所述的對(duì)MgZnO納米管陣列進(jìn)行預(yù)處理的方法包括高壓輔助陽(yáng)極氧化法、化學(xué)腐蝕法；所述的Sm2O3納米線的制備方法包括模板原位化學(xué)一步合成法、模板-電泳沉積法、原子級(jí)氣相沉積法、溶膠-凝膠法；所述的P型歐姆電極和N型歐姆電極的制備方法包括濺射工藝、氣相沉積工藝、離子鍍工藝、蒸鍍工藝。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明將P、N型材料即Sm2O3和MgZnO材料分別作為的管芯和管殼，其優(yōu)勢(shì)在于：納米管具有和納米線一樣的高度有序結(jié)構(gòu)，因此，MgZnO納米管和Sm2O3納米線所構(gòu)成的同軸電纜一樣可以為光生電子和空穴分別提供快速輸運(yùn)通道。不僅如此，由于納米線和納米管具有遠(yuǎn)大于體相材料的超大比表面積，Sm2O3納米線和MgZnO納米管緊密結(jié)合形成后，理論上二者界面處形成的空間電荷區(qū)截面將與單根納米線表面積相同，并沿納米電纜軸向分布。大量具有上述特征的構(gòu)成陣列后，其空間電荷區(qū)將是同體積傳統(tǒng)層疊式PN結(jié)薄膜所具有的空間電荷區(qū)的上百倍，甚至更大，并貫穿于整個(gè)光敏層內(nèi)。由于空間電荷區(qū)不再僅僅位于薄膜內(nèi)部，而是貫穿整個(gè)薄膜，所以當(dāng)通過(guò)P、N型歐姆電極對(duì)陣列施加偏置電壓后，紫外光照在薄膜內(nèi)不同位置所產(chǎn)生的絕大部分光生電子和空穴將不再需要首先擴(kuò)散至空間電荷區(qū)，而是可以在第一時(shí)間原位得到快速分離。盡管會(huì)有很少部分的光生載流子仍然會(huì)產(chǎn)生于空間電荷區(qū)外，但由于納米線或納米管的直徑很小(小于100nm)，完全在光生電子的擴(kuò)散距離之內(nèi)。因此，它們可以通過(guò)極短距離的擴(kuò)散，進(jìn)入附近的空間電荷區(qū)，并得到分離。這樣可以充分提高光生載流子的利用率。

2、本發(fā)明采用具有獨(dú)立雙通結(jié)構(gòu)的MgZnO納米管陣列為N型材料，同時(shí)作為Sm2O3納米線沉積的模板，通過(guò)一次模板原位化學(xué)一步合成法即可實(shí)現(xiàn)Sm2O3納米線的制備。其優(yōu)勢(shì)是：首先，以獨(dú)立雙通MgZnO納米管陣列為原料兼模板，使制備步驟更為簡(jiǎn)單；其次，獨(dú)立雙通MgZnO納米管具有很好的內(nèi)部流通性，利用雙向擴(kuò)散反應(yīng)，可以很容易地在其內(nèi)部制備一種高致密度的異質(zhì)納米線；再次，模板原位化學(xué)一步合成法中，利用有機(jī)S源受熱分解的特性，來(lái)控制S^2-離子的釋放速度，從而間接控制SmS納米線的生長(zhǎng)過(guò)程，以便使納米線具有更好的致密度和更有序的結(jié)構(gòu)(SmS可在后期的高溫處理過(guò)程中氧化為Sm2O3)。

3、由于本發(fā)明的核心結(jié)構(gòu)為由MgZnO納米管陣列和貫穿MgZnO納米管的Sm2O3納米線構(gòu)成的陣列，具有外量子效率和靈敏度高、體積小巧等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4、本發(fā)明所述的制備方法具有如下特征：納米管陣列制備工藝簡(jiǎn)便成熟，可采用目前普遍應(yīng)用的陽(yáng)極氧化技術(shù)制得，而釤源為便宜且易于購(gòu)買(mǎi)的硝酸釤。制造過(guò)程無(wú)需昂貴的制造設(shè)備。因基材Sm2O3和MgZnO禁帶寬度均在3.0eV以上，所以所制備的探測(cè)器只對(duì)波長(zhǎng)短于380nm的紫外光具有高靈敏度的響應(yīng)輸出，可避免昂貴濾波片的使用。

5、本發(fā)明采用寬帶隙半導(dǎo)體材料Sm2O3納米線和MgZnO納米管陣列分別作為P、N型材料制成，并將大量同軸電纜平行排列制成陣列，利用此Sm2O3@MgZnO陣列作為光敏層制備紫外光探測(cè)器

6、本發(fā)明的Sm2O3納米線和MgZnO納米管具有比普通納米多晶薄膜更為有序的線狀結(jié)構(gòu)，它們分別充當(dāng)了光生電子和空穴的快速輸運(yùn)通道。最終，在高效分離和快速傳輸?shù)碾p重作用下，光生電子-空穴對(duì)的分離效率得到顯著提高。因此，探測(cè)器光響應(yīng)速度快，響應(yīng)度高。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的上述和其它目的、特征、優(yōu)點(diǎn)與實(shí)施例能更明顯易懂，提供附圖，其中：

圖1是陣列基紫外光探測(cè)器剖面示意圖。

圖2是未制備P型歐姆電極的陣列基紫外光探測(cè)器平面示意圖。

圖3是Sm2O3@MgZnO陣列水平剖面示意圖。

圖4是Sm2O3@MgZnO陣列豎直剖面示意圖。

圖中，1、基底，2、導(dǎo)電薄膜，3、Sm2O3@MgZnO陣列，4、P型歐姆電極，5、N型歐姆電極，301、MgZnO納米管，302、Sm2O3納米線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1-4所示，一種陣列基紫外探測(cè)器，包括基底1、導(dǎo)電薄膜2，所述的導(dǎo)電薄膜2位于基底1上；所述的基底1是玻璃基底1、金屬基底1或硅基底1，所述的導(dǎo)電薄膜2上有作為紫外光吸收層的Sm2O3@MgZnO陣列3和至少一個(gè)N型歐姆電極5，所述的Sm2O3@MgZnO陣列3上有至少一個(gè)P型歐姆電極4；所述的Sm2O3@MgZnO陣列3為MgZnO納米管301陣列和填充于MgZnO納米管301內(nèi)的Sm2O3納米線302構(gòu)成，所述的MgZnO納米管301陣列由生長(zhǎng)方向垂直于導(dǎo)電薄膜2的MgZnO納米管301平行排列構(gòu)成，所述的每一根MgZnO納米管301內(nèi)均生長(zhǎng)有一根Sm2O3納米線302。所述的導(dǎo)電薄膜2為氧化銦錫ITO導(dǎo)電薄膜2或摻氟SnO₂FTO導(dǎo)電薄膜2。所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)。

一種陣列基紫外探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟：

A、對(duì)基底1進(jìn)行清潔處理；

B、在清潔處理后的基底1上制備導(dǎo)電薄膜2，獲得導(dǎo)電基底1，并對(duì)導(dǎo)電基底1進(jìn)行清潔處理；

C、在導(dǎo)電薄膜2上制備Sm2O3@MgZnO陣列3，所述的Sm2O3@MgZnO陣列3的面積小于導(dǎo)電薄膜2的面積；

所述的Sm2O3@MgZnO陣列3的制備方法包括以下步驟：

C1、以高純Zn片為基材，首先制備一系列垂直于Zn片所在平面的MgZnO納米管301，使所制得的MgZnO納米管301平行排列構(gòu)成MgZnO納米管301陣列；

C2、對(duì)所述MgZnO納米管301陣列進(jìn)行預(yù)處理，除去Zn基底1，制得獨(dú)立雙通MgZnO納米管301陣列薄膜。

C3、以所述獨(dú)立雙通MgZnO納米管301陣列薄膜為模板，在雙通MgZnO納米管301內(nèi)制備結(jié)構(gòu)致密的Sm2O3納米線302，構(gòu)成Sm2O3@MgZnO陣列3；

D、在Sm2O3@MgZnO陣列3上制備P型歐姆電極4；

E、在導(dǎo)電薄膜2上制作N型歐姆電極5。

本發(fā)明所述的基底1厚度為0.5-2mm；導(dǎo)電薄膜2為半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜2或金屬導(dǎo)電薄膜2，厚度為0.5-1μm；Sm2O3@MgZnO陣列3厚度為0.5-100μm，其中MgZnO納米管301長(zhǎng)度為0.05-100μm，電子濃度大于1×10¹⁸cm^-3，Sm2O3納米線302長(zhǎng)度為0.05-100μm，自由載流子濃度小于1×10¹⁶cm^-3。

本發(fā)明所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)，由Au或Pd或Pt或Ni或Al材料制得，厚度為0.1-5μm。

本發(fā)明所述的MgZnO納米管301陣列的制備方法包括陽(yáng)極氧化法、模板法、水熱法、沉積法和磁控濺射法；所述的對(duì)MgZnO納米管301陣列進(jìn)行預(yù)處理的方法包括高壓輔助陽(yáng)極氧化法、化學(xué)腐蝕法；所述的Sm2O3納米線302的制備方法包括模板原位化學(xué)一步合成法、模板-電泳沉積法、原子級(jí)氣相沉積法、溶膠-凝膠法；所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5的制備方法包括濺射工藝、氣相沉積工藝、離子鍍工藝、蒸鍍工藝。

本發(fā)明所述的高壓輔助陽(yáng)極氧化法制備獨(dú)立雙通MgZnO納米管301陣列的步驟如下：以Zn片為基材，并作為陰極，鉑片為陽(yáng)極，施加20-80V電壓，進(jìn)行高壓陽(yáng)極氧化，氧化時(shí)間持續(xù)20-240min。氧化結(jié)束后，對(duì)陰極施加70-130V的脈沖電壓，使氧化后的MgZnO納米管301陣列脫離Zn基底1，得到獨(dú)立雙通MgZnO納米管301陣列薄膜。

本發(fā)明所述的模板原位化學(xué)一步合成法制備Sm2O3@MgZnO陣列3的步驟如下：以獨(dú)立雙通MgZnO納米管301陣列薄膜為模板。將獨(dú)立雙通MgZnO納米管301陣列薄膜置于雙單元反應(yīng)器的反應(yīng)通道處，確保反應(yīng)器兩單元被獨(dú)立雙通MgZnO納米管301陣列薄膜完全隔離。反別在兩單元內(nèi)注入一定濃度的硝酸釤和含S有機(jī)醇鹽(硫脲或二硫代乙酰胺等)的醇溶液。將反應(yīng)器置于油浴鍋中，向反應(yīng)溶液內(nèi)通入氬氣，防止S^2-氧化。使含S有機(jī)醇鹽在一定溫度下發(fā)生分解，緩慢釋放S^2-離子。溶液中的Ni²⁺離子和S^2-離子通過(guò)雙向擴(kuò)散浸入MgZnO納米管301內(nèi)，在高溫下管內(nèi)原位反應(yīng)生成SmS晶核，并生長(zhǎng)成SmS納米線，隨后將含有SmS納米線的MgZnO納米管301陣列經(jīng)400-1000℃高溫焙燒，形成Sm2O3納米線302，最終制得Sm2O3@MgZnO陣列3。

本發(fā)明利用偏置電壓電路向紫外探測(cè)器提供反向偏置電壓。當(dāng)紫外光照射到探測(cè)器石英玻璃一側(cè)時(shí)，Sm2O3@MgZnO陣列3內(nèi)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子、空穴分別向MgZnO納米管301和Sm2O3納米線302快速漂移，并經(jīng)P型歐姆電極4和N型歐姆電極5分別傳入外電路，產(chǎn)生光電流信號(hào)，從而達(dá)到紫外光探測(cè)的目的。