一種垂直結構的ZnO紫外光電導探測器的製備方法
2023-09-22 08:31:30
專利名稱：一種垂直結構的ZnO紫外光電導探測器的製備方法
技術領域：
本發明屬於光電探測領域，涉及一種垂直結構的ZnO紫外光電導探測 器的製備方法。
背景技術：
紫外探測技術是繼紅外和雷射探測技術之後發展起來的又一新型探測 技術。紫外探測器被廣泛的應用於國防軍事、天文學、環境監測、燃燒工程、 水淨化處理、火焰探測、生物效應、天際通信及環境汙染監測等領域，具有 極高的軍事和民用價值。特別是在國防應用中，基於飛彈紫外輻射探測的紫 外預警等方面己成為紫外探測的研究重點。
由於ZnO (Eg=3.34eV)相比於其他III-V族寬禁帶化合物半導體有很 多優勢，例如在室溫下具有更高的激子束縛能(60meV)，可以在較低溫度下 生長(100 750°C);國外有理論報導，認為與GaN探測器相比較，ZnO探 測器的響應度會更高，約為103倍。ZnO還具有很高的抗輻射性，並且全固 態的ZnO紫外探測器，相比於其他常規探測器來說，更適合應用於惡劣的外 界環境。因此，對於ZnO基紫外探測器的研製，已引起研究人員的廣泛重 視。然而由於P型ZnO較難製備，可靠性和重複性也較差，ZnO基紫外探 測器的研究主要集中在光導型探測器的製備。另外，由於垂直結構的探測器 單元製備簡單，易於集成等優點，也使其成為了研究的熱點。
發明內容
本發明的目的是提出一種垂直結構的ZnO紫外光電導探測器的製備方法。
為了實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案
一種垂直結構的ZnO紫外光電導探測器的製備方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟
1) 將石英或藍寶石襯底按照常規工藝清洗並烘乾，以去除表面吸附的雜質和水蒸汽，再將其放入真空系統中，使之平行於ITO或ZnO陶瓷靶材放 置，距離約為7cm左右；
2) 預抽真空到10—4Pa，緩慢通入氧氣和氬氣，同時調節的氧氣和氬氣流 量比到約l: 2左右，把兩者的混合氣體通入真空室，再使真空室氣壓保持 為1 Pa 1.5 Pa;
3) 打開射頻源，調節射頻功率為100 W 200W，依次開始生長ITO薄 膜和ZnO薄膜，其中，ITO薄膜的厚度為150nm-200nm， ZnO薄膜的厚度 為600 nm;
4) 然後，將樣品水平放置在石英爐內，系統抽真空後，再通入高純02， 並緩慢升溫至40(TC保持一個小時，進行後退火處理；
5) 對後退火處理的樣品用濃度約為20Q/。的NH4C1溶液進行腐蝕，直至 露出ITO薄膜，形成ZnO臺面；
6) 最後在ZnO檯面上沉積厚度為200nm左右的金屬Al作為歐姆接觸 電極，從而製備了垂直結構的ZnO紫外光電導探測器。
本發明的方法可以製備出一種垂直結構的的ZnO紫外光電導探測器， 整個製備過程簡單，成本低廉，易於控制，有利於光電集成，且容易產業化， 有很高的實用價值。
圖1是垂直結構ZnO紫外光電導探測器的示意圖。 圖2是本發明製備的ZnO探測器的明、暗電流曲線。 圖3是本發明製備的ZnO探測器的時間響應的上升和下降曲線。
具體實施例方式
本發明是在石英玻璃或藍寶石襯底1上依次沉積透明導電的ITO薄膜2 和ZnO薄膜3，並在氧氣中40(TC下熱處理一個小時，然後用濃度約為20% 的NH4C1溶液對樣品進行腐蝕，露出ITO薄膜2，形成ZnO臺面，最後在 ZnO檯面上表面再沉積金屬Al電極4，可獲得垂直結構的ZnO紫外光電導 探測器。在本發明中，採用射頻反應濺射(RF Sputtering)方法在襯底上沉 積的ITO薄膜和ZnO薄膜，厚度分別約為150 nm和600 nm左右。沉積時 真空室內通入適量的氧氣，氧氣的通入可以降低生長過程中產生的O空位， 使ZnO薄膜更接近完整的化學計量比；然後，將ZnO薄膜水平放置在石英 爐內，通入高純02，並緩慢升溫至40(TC保持一個小時；然後，用濃度約為 20y。的NH4Cl溶液對樣品進行腐蝕，直到露出ITO薄膜，形成ZnO臺面； 最後，在ZnO臺面表面沉積金屬鋁作為歐姆電極，得到垂直結構的ZnO紫 外光電導探測器(見圖1)。
具體的實施步驟如下
1. 將石英或藍寶石襯底1按照常規工藝清洗並烘乾，以去除表面吸附 的雜質和水蒸汽，再將其放入真空系統中，使之平行於ITO或ZnO靶陶瓷 材放置，距離約為7cm左右，ZnO陶瓷靶材的純度為99.999%;
2. 預抽真空到l4pa，緩慢通入氧氣和氬氣，同時調節的氧氣和氬氣 流量比到約l: 2左右，把兩者的混合氣體通入真空室，再使真空室氣壓保 持為1 Pa 1.5 Pa;
3. 打開射頻源，調節射頻功率為100 200W左右，依次開始生長ITO 薄膜2和ZnO薄膜3，厚度分別約為150 nm和600 nm左右；
4. 然後，將樣品水平放置在石英爐內，系統抽真空後，再通入高純02， 並緩慢升溫至400℃保持一個小時，進行後退火處理；
5. 然後，用濃度約為20%的NH4Cl溶液對樣品進行腐蝕，露出ITO薄 膜2，形成ZnO臺面；6.最後在ZnO檯面上表面沉積厚度約為200nm左右的金屬Al作為歐 姆接觸電極4，從而製備了垂直結構的ZnO紫外光電導探測器(見圖l)。
申請人對製備的垂直結構的ZnO紫外光電探測器的探測性能進行了測 試，發現該探測器在紫外輻照下具有較高的光電流，在5V偏壓下，光電流 和暗電流分別為15.87mA和0.87mA;並具有較快的上升時間和下降時間， 分別約為68.2ns (10%—90%)和320us (1 — 1/3)(見圖2、圖3)。
權利要求
1.一種垂直結構ZnO紫外光電導探測器的製備方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟1)將襯底按照常規工藝清洗並烘乾，以去除表面吸附的雜質和水蒸汽，再將其放入真空系統中，使之平行於ITO或ZnO陶瓷靶材放置，距離約為7cm左右；2)預抽真空到10-4Pa，緩慢通入氧氣和氬氣，同時調節的氧氣和氬氣流量比到約1∶2左右，把兩者的混合氣體通入真空室，再使真空室氣壓保持為1Pa～1.5Pa；3)打開射頻源，調節射頻功率為100W～200W，依次開始生長ITO薄膜和ZnO薄膜，其中，ITO薄膜的厚度為150nm-200nm，ZnO薄膜的厚度為600nm；4)然後，將樣品水平放置在石英爐內，系統抽真空後，再通入高純O2，並緩慢升溫至400℃保持一個小時，進行後退火處理；5)對後退火處理的樣品用濃度約為20％的NH4Cl溶液進行腐蝕，直至露出ITO薄膜，形成ZnO臺面；6)最後在ZnO檯面上表面沉積厚度為200nm的金屬Al作為歐姆接觸電極，從而得到垂直結構的ZnO紫外光電導探測器。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述的ZnO陶瓷耙材的純 度為99.999%。
3. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述的襯底(1)的材料為 石英或藍寶石。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述ITO薄膜層(2)為 摻Al的ZnO透明導電薄膜或摻Ga的MgZnO透明導電薄膜。
5. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述的ZnO薄膜(3)選用半導體帶系較窄的MgZnO薄膜。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的歐姆接觸電極(4) 為金屬Al或透明導電薄膜ITO。
全文摘要
本發明公開了一種製備高性能垂直結構的ZnO紫外光電導探測器的方法。該方法利用在藍寶石或石英襯底上依次沉積ITO薄膜和ZnO薄膜；再對薄膜在氧氣氛中對ZnO薄膜進行400℃熱處理，改善了ZnO薄膜的光電響應特性；然後將ZnO薄膜層腐蝕後露出ITO薄膜形成ZnO臺面；最後在ZnO檯面上沉積金屬Al作為歐姆接觸電極，以此獲得了垂直結構的ZnO紫外光電導探測器。整個製備過程簡單，成本低廉，易於控制，有利於光電集成，且容易產業化，有很高的實用價值。
文檔編號H01L31/18GK101202315SQ20071001912
公開日2008年6月18日 申請日期2007年11月20日 優先權日2007年11月20日
發明者洵 侯, 張景文, 臻 畢, 東 王, 邊旭明 申請人:西安交通大學