Ag/矽複合結構紫外光探測器及其製備方法
2023-09-21 05:27:20 1
專利名稱：Ag/矽複合結構紫外光探測器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種紫外光探測器，具體涉及一種Ag/矽複合結構紫外光探 測器及其製備方法。
背景技術：
紫外光探測器是繼紅外和雷射探測技術之後發展起來的又一軍民兩用 光電探測技術，目前已經得到了廣泛應用，如在太陽光中紫外線強度、火箭 及飛彈尾焰的探測，火災報警等領域得到了應用。因此，世界各國已經把研 究性能先進、可靠，成本低廉的全固態紫外光探測器列為研究開發的重點課 題。
目前，已投入使用的紫外光探測器主要有以下幾類紫外光電倍增管、 寬禁帶半導體紫外光電探測器和矽基紫外光電探測器。紫外光電倍增管一般 需要外接複雜電路進行信號放大，體積大、效率低，因而難以推廣應用。目 前研究較多的寬帶隙半導體材料，如SiC、 GaN和金剛石等，以適合在可見 光背景下進行紫外光探測而備受關注。然而，對於上述寬帶隙半導體材料的 製備，尤其是PN結的製備需要應用昂貴的真空設備和材料，工藝複雜，成 本較髙。Si材料的工藝技術成熟，是製作光探測器的最主要材料，但是由於 Si的帶隙在1.12eV，屬於窄帶隙半導體，能量髙於其帶隙的可見光、紫外光 均能吸收，因此需配合昂貴的濾光片同時使用，從而進一步增加了使用成本。 鑑於Si在紫外光範圍有極髙的吸收係數(>10S/Cm)和量子效率，在紫外光範圍有很髙 的光電流激發。
另一方面，對金屬的光學特性研究表明，金屬的光學特性是由等離子振 蕩頻率(Dp所決定，即^=!，其中，N為自由電子的密度，對於價電子為
l的金屬Au, Ag而言，N為l23/cm3; e為電子電荷；m為電子的質量；s。為真空介電 常數。因此，計算得到的h(Dp值約為9eV,遠高於紫外光的頻率。因此，大於趨膚深度 (20納米)的金屬在低於此等離子振蕩頻率的反射率接近於l,透射為O,而髙於此等離 子振蕩頻率，金屬的光學特性接近於電介質，對光有一定的透射率。但是，Ag具有一個全滿的d電子層，其電子構型為[Kr].4d".5s1。該d軌道電子距離導帶納米能級下方一個 很窄的能帶，能夠由d軌道發射至真空能級，因此，Ag的等離子振蕩頻率不僅需要考慮 自由價電子的作用，也需要考慮d電子的作用，綜合的作用使得Ag的等離子振蕩頻率從 9eV被移到3.9eV附近，即波長約在318nm的紫外光。試驗表面，Ag薄膜在紫外(320nm 附近)具有較強光透射的特性是其它金屬所沒有的，這也已為我們的實驗所證實。在石 英玻璃上沉積Ag薄膜，並在200 800nm的波長範圍測量其透射譜，如附圖2所示，在 320nm附近，20nm, 40nm, 80nm厚的Ag薄膜透射率分別為70%, 40%, 12%。從此 結果可以看出，使用Ag薄膜的厚度大於40mn時，即可使其它波長光的透射率接近於0。 因此，將一定厚度的Ag薄膜沉積到Si基片上應該可以起到320nm波長的紫外光能夠部 分透射，其它光被反射和吸收的目的，透射到Si基片的紫外光可以激發出電子-空穴對， 形成光電流，從而實現對紫外光的探測。
因此，將Ag薄膜的光學特性和Si的光電特性相結合，進而製備結構簡 單、髙效率的新型紫外光探測器，具有重要的現實意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種Ag/矽複合結構紫外光探測器及其製備方法， 以製備得到結構簡單、髙效率的新型紫外光探測器。
為達到上述發明目的，本發明採用的技術方案是 一種Ag/矽複合結構 紫外光探測器，從上至下依次為Ag薄膜層、單晶矽基片和歐姆接觸金屬電 極；所述Ag薄膜層的厚度為20 80nm;所述單晶矽基片的厚度為100~300um。
上文中，所述單晶矽基片為現有技術，可以是n型Si或p型Si，優選 單面拋光或雙面拋光的單晶矽基片。所述Ag薄膜層具有如下幾種作用① 二倍於趨膚深度的Ag薄膜層對可見光有近乎100%的反射，其透射率幾乎為 零，而在Ag的等離子振蕩頻率(約320nm)處其透射率有一個相當可觀的 值；②Ag和Si基片之間會形成一個肖特基勢壘；③Ag可以作為上電極參與 傳輸光電流。
進一步的技術方案，所述Ag薄膜層和單晶矽基片的接觸面為拋光面。 將Ag薄膜層沉積在拋光面上，使其具有更好的效果。
上述技術方案中，所述歐姆接觸金屬電極為An、 Pt或Al電極，且為平 面接觸，厚度為100~500nm。
5本發明同時請求保護上述Ag/矽複合結構紫外光探測器的製備方法，包 括如下步驟
(1) 對單晶矽基片的預處理將單晶矽基片進行清洗、晾乾；
(2) 採用磁控濺射法或電子束蒸發法將Ag薄膜層沉積於單晶矽基片的上層 拋光面，所述Ag薄膜層的厚度為20~80nm;
(3) 採用磁控濺射法或電子束蒸發法在單晶矽基片底層沉積歐姆接觸金屬 電極，所述歐姆接觸金屬電極為Au、 Pt或Al電極，且為平面接觸，厚度為 100~500nm。
上文中，所述磁控濺射法或電子束蒸發法均為現有技術。
上述技術方案中，所述步驟(l)中的清洗步驟為先用HF酸浸泡超聲清 洗10~20分鐘，然後分別用去離子水和酒精先後清洗10~20分鐘。
上述技術方案中，所述步驟(2)或(3)中的磁控濺射法包括如下步驟
(1) 開磁控濺射設備電源，通冷卻水，真空室充氣，打開真空室，安裝 髙純度Ag靶或電極金屬靶，安放預處理好的單晶矽基片，關真空室；所述 電極金屬耙為Au、 Pt或AI耙；
(2) 開機械泵，抽真空至5Pa以下；開分子泵，抽髙真空至10—2Pa以下；
(3) 開射頻源預熱5~15分鐘，通氬氣，將腔體氣壓調至3 5Pa，開始濺 射，功率調至90~120瓦，濺射0.5 5分鐘。
上述技術方案中，所述步驟(2)或(3)中的電子束蒸發法包括如下步驟
(1) 開電子束蒸發設備電源，通冷卻水，真空室充氣，打開真空室，安 裝高純度Ag靶或電極金屬靶作為蒸發源，安放預處理好的單晶矽基片，關 真空室；所述電極金屬耙為Au、 Pt或Al靶；
(2) 開機械泵，抽真空至5Pa以下；開分子泵，抽髙真空至l(T2Pa以下；
(3) 打開電子槍電源，調節電子槍電壓、束流以及轟擊到靶材上電子束斑的大小， 預蒸發1~2分鐘以去除蒸發源表面殘留汙染物，然後打開擋板，開始沉積薄膜。
本發明的工作原理是Ag薄膜層和單晶矽基片結合良好並形成肖特基 接觸，在單晶矽基片中形成一個內建電場；當複合波長的光(如太陽光)照 射到器件表面，僅有320nm附近波長的紫外光能夠透射過金屬Ag膜層，進 入到下方的單晶矽基片，而該紫外光在單晶矽基片上有很髙的吸收係數和量 子效率，能夠有效激發出電子-空穴對，在內建電場的作用下分離，分別向
6Ag薄膜層上電極和歐姆接觸金屬電極下電極運動，在外部電路形成可探測 到的電流。且紫外光的強度正比於光電流。
由於上述技術方案的採用，與現有技術相比，本發明具有如下優點-
1. 本發明將Ag薄膜的光學特性結合到Si的單晶基片上來實現紫外光 的光電響應，得到了一種新型的Ag/Si複合結構的紫外光探測器，為紫外光 探測技術的發展做出了貢獻。
2. 本發明得到的紫外光探測器結構簡單、成本較低且性能穩定，具有 良好的應用前景。
3. 本發明的製備方法工藝簡單，易於操作，且成本較低，適於推廣應用。
圖1是本發明實施例一的紫外光探測器的結構示意圖； 圖2是背景技術中在石英玻璃上沉積不同厚度的Ag薄膜所測得的透射 譜圖。
其中1、 Ag薄膜層；2、單晶矽基片；3、歐姆接觸金屬電極。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步描述 實施例一
參見圖1所示， 一種Ag/矽複合結構紫外光探測器，從上至下依次為Ag 薄膜層1、單晶矽基片2和歐姆接觸金屬電極3;所述Ag薄膜層的厚度為 40nm;所述單晶矽基片的厚度約為200um;所述歐姆接觸金屬電極為Pt電 極，且為平面接觸，厚度為200nm;所述Ag薄膜層和單晶矽基片的接觸面 為拋光面。
上述Ag/矽複合結構紫外光探測器的製備方法，包括如下步驟
(1) 對單晶矽基片的預處理將單面拋光或雙面拋光的單晶矽基片用HF 酸浸泡超聲清洗10~20分鐘，然後分別用去離子水和酒精先後清洗10~20分 鍾，晾乾；
(2) 開磁控濺射設備電源，通冷卻水，真空室充氣，打開真空室，安裝髙純度Ag靶，安放預處理好的單晶矽基片，拋光面衝上，關真空室；
(3) 開機械泵，抽真空至lPa;開分子泵，抽髙真空至10"Pa;
(4) 開射頻源預熱IO分鐘，通氬氣，流量為50sccm，將腔體氣壓調至 3Pa，開始濺射，功率調至120瓦，濺射l分鐘；
(5) 先後關閉氬氣、射頻電源、分子泵和機械泵；真空室充氣，打開真 空腔，取下Ag靶，換上金屬Pt靶，將沉積好Ag膜的Si片的面衝下放在幹 淨的玻璃基片上，關真空室；
(6) 開機械泵，抽真空至1Pa;開分子泵，抽高真空至10-4Pa;開射頻 源預熱10分鐘，通氬氣，將腔體氣壓調至3Pa,流量為50sccm,開始濺射， 功率調至150瓦，濺射5分鐘；
(7) 先後關閉氬氣、射頻電源、分子泵和機械泵；真空室充氣，打開真 空腔，取出沉積好Ag膜和Pt膜的Si片，取下Pt靶；
(8) 關真空室，開機械泵，抽低真空至10Pa;關機械泵，關閉冷卻水， 關濺射臺電源；
(9) 最後在Si基片拋光面上沉積出厚約40nm的Ag薄膜，背面的Pt薄 膜為200認；
將所得樣品和外電路連接用銀膠將上下電極分別接出兩根銅導線，保 證導線與電極之間接觸良好；然後在導線之間接入pA級微電流表；選擇一 個晴朗的天氣，器件上覆蓋一個開孔黑紙板，小孔面積約25 mm2。太陽光 由小孔入射到器件，上下電極連接至一電流表。在不同的時間段測量9: 00光電流可達到80uA， . 11: 00光電流可達到110 uA; . 13: OO光電流可達 到125 uA; 15: 00光電流可達到100 uA;將太陽光擋住，暗電流約為4 uA。 由於40 nm厚的Ag薄膜的存在，所測得的光電流主要由320nm附近的紫外 光所激發的電子-空穴對所產生。光電流相比較暗電流有15 30倍的提髙。
實施例二
一種Ag/矽複合結構紫外光探測器，從上至下依次為Ag薄膜層、單晶 矽基片和歐姆接觸金屬電極；所述Ag薄膜層的厚度為40nm;所述單晶矽基 片的厚度約為200um;所述歐姆接觸金屬電極為Pt電極，且為平面接觸， 厚度為200nm;所述Ag薄膜層和單晶矽基片的接觸面為拋光面。
上述Ag/矽複合結構紫外光探測器的製備方法，包括如下步驟(1) 對單晶矽基片的預處理將單面拋光或雙面拋光的單晶矽基片用HF 酸浸泡超聲清洗10~20分鐘，然後分別用去離子水和酒精先後清洗10~20分 鍾，晾乾；
(2) 開電子束蒸鍍設備電源，通冷卻水，真空室充氣，打開真空室，在 蒸發源鍋內安裝髙純度Ag蒸發源，安放預處理好的單晶矽基片，拋光面面 向蒸發源，關真空室；
(3) 開機械泵，抽真空至lPa;開分子泵，抽高真空至10"Pa;
(4) 開電子槍電源，電子槍電壓為-S.OkV,調節束流10mA，調節轟擊到靶材上 的電子束斑大小為3x3 mm2，預蒸發2分鐘以去除蒸發源表面殘留汙染物，然後打開擋 板開始沉積銀薄膜；使用晶振系統實時監控膜厚，蒸鍍6分鐘得到40rnn厚的Ag薄膜；
(5) 然後先後關閉電子槍電源、分子泵和機械泵電源；真空室充氣，打 開真空腔，取出Ag蒸發源，換上金屬Pt蒸發源，將沉積好Ag膜的Si片的 背面面向蒸發源放置，關真空室；
(6) 開機械泵，抽真空至1Pa;開分子泵，抽髙真空至lO"Pa;開電子 槍電源，電子槍電壓為-S.OkV，調節束流10mA,調節轟擊到靶材上的電子束斑大小為 3x3 mm2，預蒸發2分鐘以去除蒸發源表面殘留汙染物，然後打開擋板開始沉積Pt薄膜； 使用晶振系統實時監控膜厚，蒸鍍20分鐘得到200nm厚的Pt薄膜；
(7) 然後先後關閉電子槍電源、分子泵和機械泵電源；真空室充氣，打 開真空腔，取出Ag蒸發源，換上金屬Pt蒸發源，將沉積好Ag和Pt薄膜的 Si片取出；
(8) 關真空室，開機械泵，抽低真空至10Pa;關機械泵，關閉冷卻水， 關閉電子束蒸發設備電源；
(9) 最後在Si基片拋光面上沉積出厚約40nm的Ag薄膜，背面的Pt薄 膜為200證；
將所得樣品和外電路連接用銀膠將上下電極分別接出兩根銅導線，保 證導線與電極之間接觸良好；然後在導線之間接入pA級微電流表；選擇一 個晴朗的天氣，器件上覆蓋一個開孔黑紙板，小孔面積約25 mm2。太陽光 由小孔入射到器件，上下電極連接至一電流表。在不同的時間段測量9: 00光電流可達到50uA; 11: OO光電流可達到IOO uA;.13: OO光電流可達 到120 uA; 15: 00光電流可達到95 uA;將太陽光擋住，暗電流約為3uA。
9由於40 rim厚的Ag薄膜的存在，所測得的光電流主要由320nm附近的紫外 光所激發的電子-空穴對所產生。光電流相比較暗電流有15 30倍的提高。
權利要求
1. 一種Ag/矽複合結構紫外光探測器，其特徵在於從上至下依次為Ag薄膜層、單晶矽基片和歐姆接觸金屬電極；所述Ag薄膜層的厚度為20～80nm；所述單晶矽基片的厚度為100～300um。
2. 根據權利要求1所述的Ag/矽複合結構紫外光探測器，其特徵在於所述Ag薄膜層和單晶矽基片的接觸面為拋光面。
3. 根據權利要求1所述的Ag/矽複合結構紫外光探測器，其特徵在於所述歐姆接觸金屬電極為Au、 Pt或Al電極，且為平面接觸，厚度為100~500nm。
4. 一種Ag/矽複合結構紫外光探測器的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟(1) 對單晶矽基片的預處理將單晶矽基片進行清洗、晾乾；(2) 採用磁控濺射法或電子束蒸發法將Ag薄膜層沉積於單晶矽基片的上層拋光面，所述Ag薄膜層的厚度為20~80nm;(3) 採用磁控濺射法或電子束蒸發法在單晶矽基片底層沉積歐姆接觸金屬電極，所述歐姆接觸金屬電極為Au、 Pt或Al電極，且為平面接觸，厚度為100~500賺。
5. 根據權利要求4所述的Ag/矽複合結構紫外光探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟(l)中的清洗步驟為先用HF酸浸泡超聲清洗10~20分鐘，然後分別用去離子水和酒精先後清洗10~20分鐘。
6. 根據權利要求4所述的Ag/矽複合結構紫外光探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟(2)或(3)中的磁控濺射法包括如下步驟(1) 開磁控濺射設備電源，通冷卻水，真空室充氣，打開真空室，安裝高純度Ag靶或電極金屬靶，安放預處理好的單晶矽基片，關真空室；所述電極金屬靶為Au、 Pt或Al靶；(2) 開機械泵，抽真空至5Pa以下；開分子泵，抽髙真空至l(T2Pa以下；(3) 開射頻源預熱5~15分鐘，通氬氣，將腔體氣壓調至3-5Pa，開始濺射，功率調至90 120瓦，濺射0.5-5分鐘。
7. 根據權利要求4所述的Ag/矽複合結構紫外光探測器的製備方法，其特徵在於，所述步驟(2)或(3)中的電子束蒸發法包括如下步驟(1)開電子束蒸發設備電源，通冷卻水，真空室充氣，打開真空室，安裝高純度Ag靶或電極金屬靶作為蒸發源，安放預處理好的單晶矽基片，關真空室；所述電極金屬靶為Au、 Pt或Al靶；(2) 開機械泵，抽真空至5Pa以下；開分子泵，抽髙真空至102Pa以下；(3) 打開電子槍電源，調節電子槍電壓、束流以及轟擊到靶材上電子束斑的大小，預蒸發1 2分鐘以去除蒸發源表面殘留汙染物，然後打開擋板，開始沉積薄膜。
全文摘要
本發明公開了一種Ag/矽複合結構紫外光探測器，從上至下依次為Ag薄膜層、單晶矽基片和歐姆接觸金屬電極；所述Ag薄膜層的厚度為20～80nm；所述單晶矽基片的厚度為100～300um；所述歐姆接觸金屬電極為Au、Pt或Al電極，且為平面接觸，厚度為100～500nm；所述Ag薄膜層和單晶矽基片的接觸面為拋光面。本發明還公開了上述紫外光探測器的製備方法。本發明將Ag薄膜的光學特性結合到Si的單晶基片上來實現紫外光的光電響應，得到了一種新型的Ag/Si複合結構的紫外光探測器，為紫外光探測技術的發展做出了貢獻。
文檔編號H01L31/00GK101483198SQ20091002897
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月3日 優先權日2009年2月3日
發明者沈明榮, 蘇曉東 申請人:蘇州大學