一種基於ii-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻及其製備方法
2023-05-31 00:12:06 2
專利名稱：一種基於ii-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻及其製備方法
技術領域：
本發明屬於光敏電阻技術領域，特別涉及一種基於n-vi族半導體納米帶 薄膜的光敏電阻及其製備方法
背景技術：
隨著集成時代的到來，集成化、微型化和智能化成為器件的發展方向。 尤其在通信系統內部，光技術和電子技術的融合勢不可擋。在這一趨勢下， 把光元件和電子電路集成到一塊晶片上實現光電轉換是非常重要的技術革 新。光敏電阻是一種常用的光電轉換器件，它的阻值會隨光照強度的變化而
發生變化。傳統的光敏電阻，主要採用A1A陶瓷做基片，CdS或CdSe做光敏 材料(中國專利200510048590. 6 )。但是，陶瓷材料與Si集成電路並不兼容, 制約了光敏電阻在微型化、集成化器件中的應用，而且鎘化合物具有程度不 同的毒性。隨著全世界對環保的日益重視，歐盟從2006年7月1日起執行的 RoHS指令(歐盟議會和歐盟理事會2003年1月23曰第2002/95/EC號)第4 條中明確要求，投放於巿場的新電子和電氣設備不能含Cd。因此，研製既滿 足與電路集成的需要，又能夠滿足環保要求的新一代光敏電阻是十分必要的。 ZnO、 ZnS等材料無毒無害。近年來，ZnO納米線等II -VI族半導體材料的 紫外光敏特性得到廣泛研究。例如先進材料(2002 Advanced Materials (2002) 14 158-160 )報導在黑暗條件下，ZnO納米線中電流很小；紫外光照 射下，納米線中的電流顯著增加，且響應時間較短，恢復性能較好，可以用 作光探測器及光敏元件，在構建納米級電子和光電子器件方面具有巨大的應 用潛力。另一方面，實際應用的需求促使光-電集成技術不斷發展。例如光 電二極體、數字電路和模擬電路集成在一塊矽片上(Sensors and Actuators A 110 (2004) 294-300 ),光電探測器集成在超大規模集成電路晶片上(Materials Science and Engineering B74 (2000) 269-275 )。
發明內容
本發明的目的是為解決傳統光敏電阻不易於集成和其光敏材料對環境危 害大等缺陷，從而提供一種與矽基集成電路兼容且不含毒性材料Cd的光敏電 阻。
本發明提供是通過如下方式實現的 一種基於n-vi族半導體納米帶薄膜
的光敏電阻，該光敏電阻包括一 Si襯底[1 ],在該Si襯底[1 ]上有一層Si02 絕緣層[2 ],在Si02絕緣層[2 ]上有一對叉指電極[3 ],在叉指電極[3 ] 上有一層納米帶薄膜[4]。
所述的對叉指電極[3 ]包括Pt電極、Au電極和Al電極。
所述的納米帶薄膜為n-VI族半導體納米帶薄膜。
所述的II-VI族半導體納米帶薄膜為ZnO納米帶薄膜或ZnS納米帶薄膜。 所述的Si襯底[1 ]上的Si02絕緣層[2 ]的厚度300 nm- 500 nm ;叉指
電極[3]寬度50 jam -100 pm ，厚度100 nm -300 nm ;叉指電極[3]之
間間距50jum -100 jum 。
一種基於n-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻的製備方法
1) 通過熱氧化法在Si基片[1]表面製備Si02絕緣層[2];
2) 在Si02絕緣層[2]上先通過射頻磁控濺射後經光刻技術製備叉指電極 [3];
3) 用揮發性溶液作為分散液，將半導體納米帶絮狀物加入分散液中，經 超聲振蕩後，使半導體納米帶懸浮在分散液中；
4) 將含有半導體納米帶的分散液旋塗在叉指電極[3]表面，經自然揮 發後在叉指電極[3]表面上形成納米帶薄膜[4 ]。
所述的揮發性溶液包括丙酮和乙醇。
本發明光敏電阻有如下優點第一，本發明釆用Si做襯底，克服了現有 光敏電阻與集成電路工藝不兼容的缺點；第二，本發明釆用無毒無害的ZnO 或ZnS納米帶等II-VI族半導體做光敏材料，符合歐盟RoHS指令對電子元件的環保要求。與現有的傳統光敏電阻相比，釆用與集成電路兼容的Si襯底； 同時使用Zn0或ZnS等II-VI族半導體納米帶做光敏材料，不含毒性物質Cd 及其化合物，環保可靠。本發明結構簡單，所使用的納米材料較為普遍，使 得器件的製作易於實現。
圖1基於II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻的結構示意圖； 圖2實施例1中基於Zn0納米帶薄膜的光敏電阻的吸收光譜； 圖3實施例1中基於ZnO納米帶薄膜的光敏電阻的伏安特性曲線； 圖4實施例1中基於ZnO納米帶薄膜的光敏電阻的響應恢復曲線； 圖5實施例2中基於ZnS納米帶薄膜的光敏電阻的吸收光譜； 圖6實施例2中基於ZnS納米帶薄膜的光敏電阻的伏安特性曲線； 圖7實施例2中基於ZnS納米帶薄膜的光敏電阻的響應恢復曲線； 圖中標示
l-Si襯底 2-Si02絕緣層 3-金屬電極 4-光敏膜層 具體實施辦法
如圖1所示， 一種基於n-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻，該光
敏電阻包括一 Si襯底1,在該Si襯底1上有一層Si02絕緣層2,在Si02絕緣 層2上有一對叉指電極3,在叉指電極[3 ]上有一層納米帶薄膜4。納米帶 薄膜4為II-VI族半導體納米帶薄膜的ZnO納米帶薄膜或ZnS納米帶薄膜。 叉指電極3寬度50jum -lOOjum ,厚度100 nm -300 nm ;叉指電極3之間 間距50 jam -100 jam 。 實施例1:
一種基於ZnO納米帶薄膜的光敏電阻的製備方法，製備步驟如下
(1) 將潔淨的矽片l放置在氧化爐的石英舟上，爐溫穩定在1150 °C。先 通入500 CC/min幹氧5 min,再通入500 CC/分溼氧40 min,關閉溼氧後再 通幹氧5 min。以此熱氧化法在矽片表面製備500 nm厚的Si02絕緣層2。
(2) 釆用射頻磁控濺射的方法在Si02表面製備一層金屬Pt,在其上旋塗光刻膠，光刻出叉指電極圖形。經腐蝕液腐蝕後製備出一對叉指電極3，電極 寬度為50jum,厚度為100 nm,電極間距為50jum。
(3) 用丙酮溶液作為分散液，將ZnO納米帶絮狀物加入分散液中，經超 聲振蕩後，ZnO納米帶懸浮在分散液中；將含有ZnO納米帶的分散液旋塗在叉 指電極表面，經自然揮發後得到光敏膜層4。
(4) 採用分光光度計 (Shimadzu UV-1700 UV-Visible spectrophotometer)測量光敏膜層的吸收光譜，如圖2所示。從圖上可發現 該Zn0納米帶光敏膜層對波長小於300 nm的光波顯著吸收。
(5) 分別在黑暗條件和280 nm、 5 pW/cm2光照條件下釆用單通道系統源 表(Keithley 2601 system source meter)對製得的光敏電阻進行伏安測量， 如圖3所示。從其伏安曲線上可以看出黑暗條件下通過光敏電阻的電流很 小，20V時約為14. 763 ^A，即光敏電阻阻值為1. 3547 x 106 Q;光照條件下 通過光敏電阻的電流顯著增大，20V時約為3.5565 mA,即光敏電阻阻值為 5. 6235 xl03Q。其與無光照條件下相比，電阻值減小240倍。
(6) 釆用12 V直流恆壓源和1 MQ的釆樣電阻測試光敏電阻的響應恢復 特性，如圖4所示。從示波器輸出響應恢復曲線中可知該光敏電阻的時間常 數小於100 ms。
實施例2:
一種基於ZnS納米帶薄膜的光敏電阻及其製備方法，製備步驟如下
(1) 與實施例1中步驟(l)相同。
(2) 釆用射頻磁控濺射的方法在Si02表面製備一層金屬Al,在其上旋塗 光刻膠，光刻出叉指電極圖形。經腐蝕液腐蝕後製備出一對叉指電極3，電極 寬度為65iam,厚度為200 nm,電極間距為65jiim。
(3) 用乙醇溶液作為分散液，將ZnS納米帶絮狀物加入分散液中，經超 聲振蕩後，ZnS納米帶懸浮在分散液中；將含有ZnS納米帶的分散液旋塗在叉 指電極表面，經自然揮發後得到光敏膜層4。
(4) 釆用分光光度計 (Shimadzu UV-1700 UV-Visiblespectrophotometer)測量光敏膜層的吸收光譜，如圖5所示。從圖上發現該 ZnS納米帶光敏膜層對波長小於300 nm的光波顯著吸收。
(5)分別在黑暗條件和280 nm、 5 pW/cm2光照條件下採用單通道系統源 表(Keithley 2601 system source meter)對製得的光敏電阻進行伏安測量， 如圖6所示。從其伏安曲線上可以看出黑暗條件下通過光敏電阻的電流很 小，20V時約為119. 4 nA，即光敏電阻阻值為1. 675108 Q;光照條件下通過 光敏電阻的電流顯著增大，20V時約為195. 0pA,即光敏電阻阻值為1. 026105 Cl。其與無光照條件下相比，電阻值減小1632倍。
(6)釆用12 V直流恆壓源和5. 1 M。的採樣電阻測試光敏電阻的響應恢復特 性，如圖7所示。從示波器輸出響應恢復曲線中可以看出該光敏電阻的時間 常數小於70 ms。
權利要求
1. 一種基於II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻，其特徵在於該光敏電阻包括一Si襯底[1]，在該Si襯底[1]上有一層SiO2絕緣層[2]，在SiO2絕緣層[2]上有一對叉指電極[3]，在叉指電極[3]上有一層納米帶薄膜[4]。
2. 根據權利要求1所述的一種基於II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻， 其特徵在於所述的叉指電極[3 ]包括Pt電極、Au電極和Al電極。
3. 根據權利要求1所述的一種基於n-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電 阻，其特徵在於所述的納米帶薄膜[4]為II-VI族半導體納米帶薄膜。
4. 根據權利要求3所述的一種基於I1-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻， 其特徵在於所述的I1-VI族半導體納米帶薄膜為ZnO納米帶薄膜或ZnS納米 帶薄膜。
5. 根據權利要求i所述的一種基於n-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻，其特徵在於所述的Si襯底[1 ]上的Si02絕緣層[2 ]的厚度300 nm- 500 nm ;叉指電極[3]寬度50jum -100|nm ,厚度100 nm -300 nm ;叉指電 極[3 ]之間間距50jLim -100 jum 。
6. 根據權利要求l所述的一種基於II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻的製備方法，其特徵在於1)通過熱氧化法在Si基片[1]表面製備Si02絕緣層[2];2 )在Si02絕緣層[2 ]上先通過射頻磁控濺射後經光刻技術製備叉指電極m;3) 用揮發性溶液作為分散液，將半導體納米帶絮狀物加入分散液中，經 超聲振蕩後，使半導體納米帶懸浮在分散液中；4) 將含有半導體納米帶的分散液旋塗在叉指電極[3]表面，經自然揮 發後在叉指電極[3 ]表面上形成納米帶薄膜[4 ]。
7. 根據權利要求5所述的一種基於I1-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻 的製備方法，其特徵在於所述的揮發性溶液包括丙酮和乙醇。
全文摘要
本發明公開了一種基於II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻及其製備方法，該光敏電阻包括一Si襯底，在該Si襯底上有一層SiO2絕緣層，在SiO2絕緣層上有一對叉指電極，在叉指電極上有一層納米帶薄膜。本發明光敏電阻有如下優點第一，本發明採用Si做襯底，克服了現有光敏電阻與集成電路工藝不兼容的缺點；第二，本發明採用無毒無害的ZnO或ZnS納米帶等II-VI族半導體做光敏材料，符合歐盟RoHS指令對電子元件的環保要求。與現有的傳統光敏電阻相比，採用與集成電路兼容的Si襯底；同時使用ZnO或ZnS等II-VI族半導體納米帶做光敏材料，不含毒性物質Cd及其化合物，環保可靠。本發明結構簡單，所使用的納米材料較為普遍，使得器件的製作易於實現。
文檔編號H01L31/08GK101447522SQ20081003188
公開日2009年6月3日 申請日期2008年7月22日 優先權日2008年7月22日
發明者周益春, 彤 張, 博 楊, 鄭學軍, 陳義強 申請人:湘潭大學