一種基於寶石襯底的寬波段薄膜型光電探測器的製備方法

2023-06-10 02:52:31

專利名稱：一種基於寶石襯底的寬波段薄膜型光電探測器的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種寬波段薄膜型光電探測器，特別涉及一種基於藍寶石襯底，用多元過渡金屬氧化物Mn-Co-Ni-O薄膜製備出pn結的新型寬波段光電探測器的製備方法。
背景技術：
探測器件是光電技術發展的關鍵和基礎，在科技和民用等方面發揮著重要的作用。光電探測器是探測器中靈敏度最高的一類，具有探測率高，響應速度快的特點，但它工作一般都有特定的波長範圍。通常情況下，氮化鎵(GaN)探測器的工作波段是250 400nm， Si基探測器的工作波段是400 800nm，銦鎵砷(InGaAs)探測器的工作波段是900 1700nm。追求發展寬波段光電探測器一直是人們努力的方向，為此發展新材料體系，進一步拓寬探測器的工作波段(250 1700nm)將存在非常重要的實際應用價值。
多元過渡金屬氧化物Mn-Co-Ni-O材料是目前發現的唯一的一種全波段熱敏輻射探測材料。該氧化物具有半導體性質，溫度低時載流子數目少，因而其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數目增加，其電阻值降低。用它所製備的器件具有200納米-50微米極寬闊的光響應波段，壽命長和價格便宜的優點。Mn-Co-Ni-O材料有高的電阻溫度係數， 其熱敏特性已在熱敏電阻器件、紅外探測器等方面有著重要的應用，而且研究發現它具有豐富的物理特性，利用該材料的光電特性和器件結構的設計，可產生光生伏特效應，實現 Mn-Co-Ni-O材料作為光電探測材料的應用。本專利採用Mn-Co-Ni-O過渡金屬氧化物薄膜的製備和器件結構的設計，以實現寬波段(250 1700nm)探測的目標。發明內容
本發明提供了一種基於藍寶石襯底的寬波段薄膜型光電探測器的製備方法。利用 Mn-Co-Ni-O薄膜材料導電類型的不同，採用溼化學法在藍寶石襯底上製備出導電類型為p 型和n型的Mn-Co-Ni-O薄膜疊加結構，形成pn結，有光入射時可發生光生伏特效應，實現紫外-可見-紅外寬波段探測。
下面我們結合附圖對本專利做詳細的闡述。
探測器的結構如圖I所示，包括藍寶石片襯底I、導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O 薄膜2、導電類型為p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3、頂電極4和底電極5，其特徵在於在藍寶石片襯底I上依次製備膜厚為100納米到9微米的導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2， 膜厚為100納米到9微米的導電類型為p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3 ;在導電類型為p型的 Mn-Co-Ni-O薄膜3的部分膜面上製作一塊導電層作為頂電極4，底電極5製作在去除一部分導電類型為P型的Mn-Co-Ni-O薄膜3和1/10-2/3厚度的導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O 薄膜2後露出的導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2上。
器件的製備方法如圖2所示，包括
I.襯底的清洗
選擇藍寶石襯底，用常規的方法清洗，去除襯底表面的雜質和汙物，然後烘乾備
2.薄膜的生長
採用專利ZL =200610030144. 7中所述的溼化學法製備Mn-Co-Ni-O薄膜，選取醋酸錳、醋酸鈷、醋酸鎳為原料，以冰醋酸作溶劑，分別配製導電類型是n和p的前驅體溶液，然後使用勻膠機和快速退火爐來製備薄膜材料。
先是在藍寶石襯底I上生長導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2，在導電類型為 n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2上繼續生長導電類型為p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3，這樣就製備出導電類型為P型和n型Mn-Co-Ni-O薄膜疊加結構,形成pn結。
3.電極的製備
採用刻蝕工藝除去一部分導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2和導電類型為p 型的Mn-Co-Ni-O薄膜3，其中導電類型為p型的Mn-Co-Ni-O薄膜3全部去除，導電類型為 n型的Mn-Co-Ni-O薄膜2去除1/10-2/3厚度，在露出的導電類型為n型Mn-Co-Ni-O薄膜 2上用掩模板保護，製備上一塊導電層作為底電極5 ;在導電類型為p型Mn-Co-Ni-O薄膜2 的部分膜面上用掩模板保護，製備上一塊導電層作為頂電極4。
本發明的製備方法有如下積極效果和優點
I.選擇藍寶石片作為襯底，在藍寶石襯底上生長的Mn-Co-Ni-O薄膜有很好的結晶性。
2. Mn-Co-Ni-O材料是全波段的熱敏探測材料，本發明利用該材料的光電特性和器件結構的設計，可產生光生伏特效應，用於製備紫外-可見-紅外寬波段光電探測器件，拓展了 Mn-Co-Ni-O薄膜材料的應用範圍。
3. Mn-Co-Ni-O材料的導電類型與其組分配比相關聯，隨著組分比例的變化,材料的導電類型可以在n和p之間轉換。Mn-Co-Ni-O材料是尖晶石結構，其通式可寫為 Mn3_x_yCoyNix04，一般來說，高 Ni 含量(0. 75 彡 x 彡 I. 0)Mn-Co-Ni-O 材料是 n 型，如 NiMn204、 Ni0.75Co0.5MnL 7504薄膜；而較低Ni含量(0彡x彡0. 5)的Mn-Co-Ni-O材料是p型，如 Nio. 5。01. CiMn1.504、Ni0.4sCo0.96MnL 5604、MnCo2O4 薄月旲。
4.導電類型為p型和n型的Mn-Co-Ni-O薄膜材料都是尖晶石結構，晶格常數相近，在製備pn結時不存在晶格失配的問題，在襯底上依次生長導電類型為n型和p型的薄膜，可成功形成晶格匹配的Pn結，用於製備光伏探測器件。
5.利用光生伏特效應的光電探測器工作不需要外加偏壓，器件功耗低，其結構有利於製備成大規模焦平面器件，有著寬闊的發展前景。


圖I.本發明基於藍寶石襯底的寬波段薄膜型光電探測器的結構示意圖
圖中
I——藍寶石襯底；
2——導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O薄膜；
3——導電類型為p型的Mn-Co-Ni-O薄膜；
4——頂電極；
5——底電極。4CN 102544221 A
圖2.製備方法流程圖。
具體實施方式
下面提供一個通過實驗研究得到的實施例，並對本發明作進一步的詳細說明。
在藍寶石襯底上，通過溼化學法在此襯底上先製備I. 5微米厚的NiMn2O4薄膜，該薄膜的導電類型是n型，在NiMn2O4薄膜上接著用溼化學法生長I. 5微米厚的 MnL56Co0.96Ni0.4804薄膜，該薄膜的導電類型是p型，這樣就製備出導電類型是p型和n型的薄膜疊加結構，形成pn結。製備底電極和頂電極後就獲得了 pn結光伏探測器件。
權利要求
1.一種基於藍寶石襯底的寬波段薄膜型光電探測器的製備方法，其特徵在於包括以下步驟1).襯底的清洗選擇藍寶石襯底，用常規的方法清洗，去除襯底表面的雜質和汙物，然後烘乾備用；2).薄膜的生長採用專利ZL =200610030144. 7中所述的溼化學法製備Mn-Co-Ni-O薄膜，選取醋酸錳、 醋酸鈷、醋酸鎳為原料，以冰醋酸作溶劑，分別配製導電類型是n和p的前驅體溶液，然後使用勻膠機和快速退火爐來製備薄膜材料；先在藍寶石襯底上生長導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O薄膜(2)，在導電類型為n型的 Mn-Co-Ni-O薄膜(2)上繼續生長導電類型為p型的Mn-Co-Ni-O薄膜(3)，這樣就製備出導電類型為P型和n型Mn-Co-Ni-O薄膜疊加結構,形成pn結；3).電極的製備採用刻蝕工藝除去一部分導電類型為n型的Mn-Co-Ni-O薄膜(2)和導電類型為p型的 Mn-Co-Ni-O薄膜(3)，其中導電類型為p型的Mn-Co-Ni-O薄膜(3)全部去除，導電類型為 n型的Mn-Co-Ni-O薄膜(2)去除1/10-2/3厚度，在露出的導電類型為n型Mn-Co-Ni-O薄膜(2)上用掩模板保護，製備上一塊導電層作為底電極(5);在導電類型為p型Mn-Co-Ni-O 薄膜(2)的部分膜面上用掩模板保護，製備上一塊導電層作為頂電極(4)。
全文摘要
本發明公開了一種基於藍寶石襯底的寬波段薄膜型光電探測器的製備方法。其中包括襯底的清洗，薄膜的生長，電極的製備。其特徵在於採用溼化學法製備Mn-Co-Ni-O薄膜，選取醋酸錳、醋酸鈷、醋酸鎳為原料，以冰醋酸作溶劑，分別配製導電類型是n和p的前驅體溶液，然後使用勻膠機和快速退火爐來製備薄膜材料。採用本方法製備的探測器可以實現紫外-可見-紅外寬波段探測。
文檔編號H01L31/18GK102544221SQ20121001909
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月20日 優先權日2012年1月20日
發明者侯雲, 吳敬, 周煒, 張琰, 張雷博, 褚君浩, 高豔卿, 黃志明 申請人:中國科學院上海技術物理研究所