專(zhuān)利名稱(chēng)：基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬禁帶半導(dǎo)體探測(cè)器制造工藝領(lǐng)域的一種太陽(yáng)盲探測(cè)器及其制備方法，尤其涉及一種基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
紫外光探測(cè)器是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一新型探測(cè)技術(shù)。隨著紫外探測(cè)器在紫外輻射監(jiān)控、紫外預(yù)警等方面廣泛應(yīng)用，其日漸成為研究的重點(diǎn)。紫外光探測(cè)器的主要工作原理是當(dāng)紫外光輻射后，沿入射路徑會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，這些自由電荷在外電場(chǎng)作用下向兩極漂移，產(chǎn)生的電信號(hào)被收集放大而得到。一般來(lái)說(shuō)，深紫外探測(cè)器又稱(chēng)為“太陽(yáng)盲探測(cè)器”。由于臭氧層的吸收作用，“太陽(yáng)盲”探測(cè)器可以在比較干凈的背景中探測(cè)物體發(fā)射中的紫外輻射，降低信號(hào)處理的難度，提高探測(cè)器效率和靈敏度。目前，在商業(yè)和軍事上應(yīng)用的紫外探測(cè)器主要以光電倍增管和硅基紫外光電管為主，但該兩者存在體積笨重，功耗大以及需附帶濾光片等缺點(diǎn)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用有一定的局限性。為了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求，人們對(duì)功率小、體積小、成本低、光通道簡(jiǎn)單的深紫外探測(cè)器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體材料AlxGahlifexZrvxO與MgxNihO有望成為制備“太陽(yáng)盲” 探測(cè)器的常用材料。但是，由于AlxGa1J的生長(zhǎng)條件比較苛刻，高Al組分的AlxGi^xN薄膜摻雜比較困難。而對(duì)于M^iZrvxO薄膜來(lái)說(shuō)，由于MgO與ZnO有不同的晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)Mg的含量在37%到62%時(shí)，薄膜將出現(xiàn)分相問(wèn)題，這將嚴(yán)重影響探測(cè)器的性能。對(duì)于MgxNihO體系而言，MgO與NiO具有相近的晶格常數(shù)與立方巖鹽結(jié)構(gòu)，并且薄膜的禁帶寬度調(diào)節(jié)范圍較寬 (3. 6-7. 8ev)，因此將非常有利于生產(chǎn)高性能紫外探測(cè)器，并且隨著該體系中Mg含量的增加，其吸收邊將出現(xiàn)明顯藍(lán)移，吸收的紫外光對(duì)應(yīng)當(dāng)波長(zhǎng)范圍可達(dá)到160 375nm，從而覆蓋整個(gè)“太陽(yáng)盲”區(qū)域。2009年，張吉英等人(《MgNiO-based metal-semiconductor-metal ultravioletphotodetector)), J. Phys. D :Appl. Phys.，42，(2009) 092007 (4pp))利用電子束蒸發(fā)的方法制備了不同含量的MgxNihO薄膜，同時(shí)也制備出M^l2Nia8O MSM型探測(cè)器，但是這種探測(cè)器在工作時(shí)暗電流較大，且最大光電響應(yīng)度與可見(jiàn)光的抑制比較小。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器及其制備方法， 該太陽(yáng)盲探測(cè)器體積小、功耗低、工作電壓低、靈敏度高、測(cè)量精度高、光通道簡(jiǎn)單，且制備工藝簡(jiǎn)單，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，包括沿豎直方向依次設(shè)置的襯底、鎂鎳氧化物薄膜和金屬薄膜叉指電極，其特征在于，所述鎂鎳氧化物薄膜和金屬薄膜叉指電極之間還設(shè)有導(dǎo)電層。進(jìn)一步地講，所述襯底主要由高介電常數(shù)的Si材料構(gòu)成。所述鎂鎳氧化物薄膜主要由MgxNihO構(gòu)成，0. 01 < χ < 0. 80 ；所述鎂鎳氧化物薄膜與襯底具有良好的晶格匹配。所述鎂鎳氧化物薄膜的厚度為5nm 1 μ m。所述導(dǎo)電層由一種或兩種以上的金屬材料組成，所述金屬材料包括Mo、Ta、Ti、W 和Ni。所述導(dǎo)電層的厚度為1 lOOnm。所述金屬薄膜叉指電極由一種或兩種以上的金屬材料組成，所述金屬材料包括Au 和Al ；所述金屬薄膜叉指電極與導(dǎo)電層形成良好歐姆接觸。所述金屬薄膜叉指電極的厚度為1 500nm。制備如上所述基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器的方法，其特征在于，該方法為于超高真空環(huán)境中，在襯底表面上以下列生長(zhǎng)工藝中的至少一種依次形成鎂鎳氧化物薄膜、導(dǎo)電層和金屬薄膜叉指電極，所述生長(zhǎng)工藝包括磁控濺射法、物理氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法、脈沖激光沉積法和分子束外延法。具體而言，形成所述金屬薄膜叉指電極的具體過(guò)程為在鎂鎳氧化物薄膜上表面經(jīng)光刻工藝形成叉指狀結(jié)構(gòu)，然后在高真空環(huán)境中以電子束蒸發(fā)工藝先后在鎂鎳氧化物薄膜上蒸鍍形成導(dǎo)電層和金屬薄膜叉指電極，最后對(duì)金屬薄膜叉指電極與導(dǎo)電層進(jìn)行退火處理，使該兩者之間形成良好的歐姆接觸。所述導(dǎo)電層由一種或兩種以上的金屬材料組成，所述金屬材料包括Mo、Ta、Ti、W 和Ni ；所述金屬薄膜叉指電極由一種或兩種以上的金屬材料組成，所述金屬材料包括Au 和Al。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)采用的MgxMhO薄膜具有致密度高、結(jié)晶好，薄膜與襯底之間附著力強(qiáng)、參數(shù)可控性好、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)；(2)通過(guò)在叉指電極與MgxNi』薄膜之間引入導(dǎo)電層，增強(qiáng)該兩者之間的附著力， 并有效提高探測(cè)器的靈敏度；(3)制得的太陽(yáng)盲探測(cè)器具有體積小、功耗低、工作電壓低、靈敏度高、測(cè)量精度高、光通道簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，且制備工藝簡(jiǎn)單，易于操作，可控性好。
圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中所示金屬薄膜叉指電極的結(jié)構(gòu)示意圖；以上圖中所示附圖標(biāo)記分別為1襯底、2鎂鎳氧化物、3導(dǎo)電層、4叉指電極。
具體實(shí)施例方式考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的諸多不足，本案發(fā)明人經(jīng)長(zhǎng)期研究和實(shí)踐，特提出本發(fā)明的技術(shù)方案，即選用禁帶寬度連續(xù)可調(diào)、無(wú)毒、制備工藝簡(jiǎn)單、原料豐富的MgxNihO薄膜來(lái)制備“太陽(yáng)盲”探測(cè)器，并通過(guò)在MgxNihO薄膜與叉指電極之間引入導(dǎo)電層，從而有效增強(qiáng)叉指電極與MgxMhO薄膜之間的附著力，有利于產(chǎn)生的光生電子與空穴有效分離，減小電子與空穴的復(fù)合，促進(jìn)光生載流子的產(chǎn)生并延長(zhǎng)載流子壽命，從而得到較強(qiáng)的光電流，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等綜合性能的有效提升。具體而言，本發(fā)明的基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器包括襯底、鎂鎳氧化物薄膜、導(dǎo)電層和金屬薄膜叉指電極；其工作原理是當(dāng)探測(cè)器接受紫外光輻射后，沿入射路徑會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，這些自由電荷在外電場(chǎng)作用下向兩極漂移，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行收集并通過(guò)鎖相放大器放大得到紫外光信息。本發(fā)明優(yōu)選采用Si材料為襯底，該襯底材料與鎂鋅氧化物晶格匹配好；同時(shí)，本發(fā)明采用的MgxNihO薄膜具有致密度高、結(jié)晶好，薄膜與襯底之間附著力強(qiáng)、參數(shù)可控性好、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器在制備時(shí)，其鎂鎳氧化物薄膜、導(dǎo)電層和金屬薄膜叉指電極可采用磁控濺射法或物理氣相沉積或電子束蒸發(fā)法或脈沖激光沉積法或分子束外延法在超高真空狀態(tài)生長(zhǎng)。對(duì)于其中的金屬薄膜叉指電極，其可在生成的鎂鎳氧化物薄膜上采用光刻工藝形成叉指狀結(jié)構(gòu)，然后采用高真空下電子束蒸發(fā)的方法形成。以下結(jié)合附圖及一較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)說(shuō)明。參閱圖1-2，該基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器包括沿豎直方向依次設(shè)置的襯底1、鎂鎳氧化物薄膜2和金屬薄膜叉指電極4，鎂鎳氧化物薄膜2和金屬薄膜叉指電極 4之間還設(shè)有導(dǎo)電層3。前述襯底1主要由高介電常數(shù)的Si材料構(gòu)成。前述鎂鎳氧化物薄膜2主要由MgxNihO構(gòu)成，0. 01 < χ < 0. 80 ；鎂鎳氧化物薄膜 2與襯底1具有良好的晶格匹配，其厚度約5nm 1 μ m。前述導(dǎo)電層3由Mo、Ta、Ti、W和Ni等金屬中的一種或兩種以上組成，其厚度約為 1 lOOnm。前述金屬薄膜叉指電極4由Au和Al等金屬材料中一種或兩種以上組成，；金屬薄膜叉指電極4與導(dǎo)電層3形成良好歐姆接觸，其厚度約為1 500nm。該基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器可采用如下工藝制備A、襯底預(yù)處理采用(001)硅片作為襯底，將硅片放入濃硫酸與雙氧水的1 1混合溶液中煮沸10分鐘，除去有機(jī)物；之后用HF酸超聲清洗5 10分鐘，去除表面氧化層； 接著用丙酮、無(wú)水乙醇超聲20分鐘，用離子水反復(fù)沖洗干凈，最后在垂直層流潔凈工作臺(tái)中用氮?dú)鈱⒐杵蹈?。B、鎂鎳氧化物薄膜生長(zhǎng)過(guò)程清洗好的硅片放置于激光脈沖(PLD)薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)中，MgNiO靶材是將一定配比的99. 99%的NiO與MgO粉末經(jīng)球磨機(jī)均勻球磨24h之后，先在600°C預(yù)燒證，然后放在高溫爐中900°C燒結(jié)10h，最終形成致密的不同比例的MgNiO靶材。脈沖準(zhǔn)分子激光器以KrF為工作氣體(λ = 248nm, f = 1-lOHz)，薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中生長(zhǎng)室的背底真空抽到3X 10_5Pa，以純度為99. 999%的高純仏作為反應(yīng)氣體。薄膜生長(zhǎng)溫度控制在600-780°C范圍內(nèi)，壓強(qiáng)在2X 10_3-21^之間變化，沉積時(shí)間為1_池。C、制作導(dǎo)電層和電極的過(guò)程將上述制得MgNiO薄膜上表面，經(jīng)光刻工藝(6英寸雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)(MA6-BA6))形成指寬和間距均為5 μ m,指長(zhǎng)為500-2000 μ m的叉指狀結(jié)構(gòu)，然后用電子束蒸發(fā)(ei_5Z)依次蒸鍍Ti和Au，并分別形成厚度I-IOOnm的導(dǎo)電層和厚度l-500nm的金屬薄膜叉指電極。最后將器件整體在N2保護(hù)的環(huán)境中400°C退火30min形成良好的歐姆接觸，最終制得目標(biāo)產(chǎn)品。本發(fā)明基于鎂鋅氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器具有結(jié)構(gòu)緊固、靈敏度高、探測(cè)光譜范圍廣、體積小、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對(duì)發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，包括沿豎直方向依次設(shè)置的襯底(1)、 鎂鎳氧化物薄膜( 和金屬薄膜叉指電極G)，其特征在于，所述鎂鎳氧化物薄膜( 和金屬薄膜叉指電極⑷之間還設(shè)有導(dǎo)電層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，其特征在于，所述襯底(1)主要由高介電常數(shù)的Si材料構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，其特征在于，所述鎂鎳氧化物薄膜⑵主要由MgxNihO構(gòu)成，0. 01 < χ < 0. 80 ；所述鎂鎳氧化物薄膜(2)與襯底(1)具有良好的晶格匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，其特征在于，所述鎂鎳氧化物薄膜O)的厚度為5nm 1 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，其特征在于，所述導(dǎo)電層(3)由一種或兩種以上的金屬材料組成，所述金屬材料包括Mo、Ta、Ti、W和Ni。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，其特征在于，所述導(dǎo)電層(3)的厚度為1 lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，其特征在于，所述金屬薄膜叉指電極由一種或兩種以上的金屬材料組成，所述金屬材料包括Au和Al ；所述金屬薄膜叉指電極(4)與導(dǎo)電層C3)形成良好歐姆接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，其特征在于，所述金屬薄膜叉指電極的厚度為1 500nm。
9.制備如權(quán)利要求1所述基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器的方法，其特征在于， 該方法為于超高真空環(huán)境中，在襯底表面上以下列生長(zhǎng)工藝中的至少一種依次形成鎂鎳氧化物薄膜O)、導(dǎo)電層C3)和金屬薄膜叉指電極G)，所述生長(zhǎng)工藝包括磁控濺射法、物理氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法、脈沖激光沉積法和分子束外延法。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器的方法，其特征在于，形成所述金屬薄膜叉指電極(4)的具體過(guò)程為在鎂鎳氧化物薄膜( 上表面經(jīng)光刻工藝形成叉指狀結(jié)構(gòu)，然后在高真空環(huán)境中以電子束蒸發(fā)工藝先后在鎂鎳氧化物薄膜(2) 上蒸鍍形成導(dǎo)電層(3)和金屬薄膜叉指電極G)，最后對(duì)金屬薄膜叉指電極(4)與導(dǎo)電層 (3)進(jìn)行退火處理，使該兩者之間形成良好的歐姆接觸；所述導(dǎo)電層(3)由一種或兩種以上的金屬材料組成，所述金屬材料包括Mo、Ta、Ti、W和Ni ；所述金屬薄膜叉指電極由一種或兩種以上的金屬材料組成，所述金屬材料包括Au 和Al。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于鎂鎳氧化物薄膜的太陽(yáng)盲探測(cè)器，包括沿豎直方向依次設(shè)置的襯底、鎂鎳氧化物薄膜和金屬薄膜叉指電極，所述鎂鎳氧化物薄膜和金屬薄膜叉指電極之間還設(shè)有導(dǎo)電層；其制備方法為于超高真空環(huán)境中在襯底表面上以下列生長(zhǎng)工藝中的至少一種依次形成鎂鎳氧化物薄膜、導(dǎo)電層和金屬薄膜叉指電極，所述生長(zhǎng)工藝包括磁控濺射法、物理氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法、脈沖激光沉積法和分子束外延法。本發(fā)明的太陽(yáng)盲探測(cè)器具有體積小、功耗低、工作電壓低、靈敏度高、測(cè)量精度高、光通道簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，且其制備工藝簡(jiǎn)單，易于操作，可控性好。
文檔編號(hào)H01L31/09GK102157598SQ201010575878
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者李景 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所