鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器及其製備方法
2024-01-24 06:11:15
專利名稱：鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器及其製備方法
鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器及其製備方法技術領域
本發明屬於光電技術領域，具體涉及鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器及其製備方法。
背景技術：
隨著紫外探測技術的發展，價格便宜、性能穩定可靠的紫外探測器件逐漸成為研究的熱點之一，尤其是工作於地球表面日盲區(波長為240-280nm)範圍內的紫外光探測器。日盲區紫外探測器可應用於飛彈尾焰探測、化學火焰探測以及短波長光通訊等軍事、民用領域。目前，常見的紫外探測器有AlGaN體系和MgZnO體系，但AlGaN體系製備工藝複雜， 成本較高，缺少晶格匹配的襯底，使薄膜中存在大量缺陷；由於Al原子和( 原子的遷移率不同，隨Al組分增加，使得組分不均一，這些因素嚴重製約著AKiaN體系器件性能。MgZnO 體系雖然在一定程度上調節了其禁帶寬度，但是由於ZnO與MgO晶體結構上的差異，兩者的固溶度有限，薄膜禁帶寬度只能在一定範圍內調節，其光譜響應仍不能被調節到日盲光譜範圍內。對於MgxNihO合金，當χ取值在0. 2^0. 3之間時，合金薄膜的吸收截止波長為 276nm^253nm,剛好處於日盲區範圍O40nml80nm)，非常適合用於日盲區紫外探測器。
目前，MgxNihO基紫外探測器的相關研究還處於起步階段Z. G. Ji等(Z. G. Ji, Z. P. He, Synthesis of MgxNi1^O thin films with a band-gap in the solar-blind region, Journal of Crystal Growth, 2005 (2733) : 446-450)用溶膠-凝膠法在石英襯底上製備了 MgxMhO薄膜並經過高溫退火處理後初步實現薄膜禁帶寬度的調節，但薄膜的結晶質量較差，有較高的晶界密度和晶內缺陷及無定形相，在禁帶中引入深能級作為載流子的陷阱或複合中心，嚴重限制其紫外響應特性；Y. M. ^iao等(Y. M. Zhao, J. Y. Zhang et al, MgxNij^O-based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetector J. Phys. D: App 1. Phys, 2009(42) : 092007)用電子束蒸發技術在石英襯底上製備了 MgxNihO薄膜，由於Mg原子遷移率低導致薄膜產生微區不均勻，很難得到組分均勻的固溶體，薄膜禁帶寬度未能達到預期調製結果，其光響應截止波長未能進入日盲區；中國專利 CN102157598報導了基於鎂鎳氧化物薄膜的太陽盲探測器及其製備方法，但是由於是單層 MgxNihO薄膜構成的金屬-半導體-金屬型(MSM)型紫外探測器，該探測器只能探測曰盲區中單波段紫外線。至今為止，基於鎂鎳氧基的日盲區紫外探測器只是用於單波段探測，未見可調節的多波段日盲區紫外探測器。發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，設計一種可調節的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，該多波段探測器體積小、工作電壓低、靈敏度高、可用於多波段日盲區紫外探測。
本發明採用的技術方案如下一種鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，其特徵在於包括沿垂直方向依次設置的襯底，底層NiO薄膜，多層鎂鎳氧薄膜，帽層NiO薄膜，所述探測器還設有第一金屬電極和第二金屬電極，第一金屬電極設置在底層NiO薄膜上，第二金屬電極設置在帽層NiO薄膜上。
其中，所述的多層鎂鎳氧薄膜(3)由沿垂直方向對稱分布的M^dNih1CK Mgx2Ni1^x2O,Mgx3Ni1^x3O......MgxmNihmCKMgOJgxmNi1-J)......Mgx3Ni1^x3O >Mgx2Ni1^2O,MgxlNi1^xlO薄膜構成，其中，O < Xl < x2 < x3 <……< xm < 1，MgO薄膜為中間層，多層鎂鎳氧薄膜中的其餘薄膜相對於中間層沿垂直方向對稱分布；優選的，所述的多層鎂鎳氧薄膜分別與底層MO薄膜和帽層MO薄膜具有晶格匹配性， 並且每層鎂鎳氧薄膜的厚度為5nm 300nm ； 所述的襯底為矽、石英玻璃或玻璃襯底；所述的第一金屬電極由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數大於底層NiO薄膜的功函數，所述第一金屬電極和底層NiO薄膜形成歐姆接觸，所述第一金屬電極的厚度為IOnm 400nm ；所述的第二金屬電極由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數小於帽層NiO薄膜的功函數，所述的第二金屬電極和帽層NiO薄膜形成肖特基接觸，所述的第二金屬電極的厚度為IOnm 400nm。
本發明的第二個目的是提供該鎂鎳氧基可調節多波段日盲區紫外探測器的製備方法，包括如下步驟1)清洗襯底；2)在襯底上生長底層NiO薄膜；3)在上述底層NiO薄膜表面生長多層鎂鎳氧薄膜，並在底層NiO薄膜表面預留生長第一金屬電極的面積；4)在多層鎂鎳氧薄膜表面生長帽層NiO薄膜；5)在底層NiO薄膜上生長第一金屬電極，在帽層NiO薄膜上生長第二金屬電極。
其中，所述的襯底為矽、石英玻璃或玻璃襯底；所述的步驟2、至步驟幻中的生長工藝採用脈衝雷射沉積法、磁控濺射法、電子束蒸發法或分子束外延法；所述的第一金屬電極由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數大於底層NiO薄膜的功函數，所述第一金屬電極和底層NiO薄膜形成歐姆接觸，所述第一金屬電極的厚度為IOnm 400nm ；所述的第二金屬電極由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數小於帽層NiO薄膜的功函數，所述的第二金屬電極和帽層NiO薄膜形成肖特基接觸，所述的第二金屬電極的厚度為IOnm 400nm。
本發明具有以下主要優點(1)本發明的探測器含有兩層以上的多層鎂鎳氧薄膜，可以通過外加偏壓變化，使得探測器中多層鎂鎳氧薄膜中每層薄膜的導帶底和價帶頂會發生變化，禁帶寬度發生變化，不同的禁帶寬度就可以探測不同波長的紫外線，這樣可應用於多波段的日盲區紫外探測，進而可以實現器件的集成，單個探測器即可實現多個日盲區波段的探測，相對於分立器件具有低成本，工藝簡單，易於實現等優點；(2)本發明的探測器是通過採用多層鎂鎳氧薄膜和帽層NiO薄膜之間的肖特基接觸的結型探測器，外加電場主要加在結區，時間常數相應較小，響應速度快；(3)本發明製備的多層鎂鎳氧薄膜、NiO薄膜晶格取向單一，結晶性好，表面平整，鎂鎳氧薄膜和NiO薄膜之間晶格匹配很好，附著力強，薄膜質量好，重複性好，附著力強，薄膜質量好，重複性好；(4)本發明製備探測器的方法採用的均為物理氣相沉積法，適用範圍廣，技術設備簡單，易控制，生長速快，沉積參數易調，沉積薄膜質量好。
圖1是本發明的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器的結構示意圖；圖中所示1為襯底，2為底層NiO薄膜，3為多層鎂鎳氧薄膜，4為帽層NiO薄膜，5 為第一金屬電極，6為第二金屬電極；圖2是圖1中多層鎂鎳氧薄膜的結構示意圖；圖中所示3-1為MgxlNi1^xlO薄膜，3-2為Mgx2Ni1^2O薄膜，3-m+l為MgO薄膜。
具體實施方式
以下僅是本發明的具體實施方式
，對發明的保護範圍不構成任何限制。凡採用等同變化或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護範圍內。
本發明的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器的結構示意圖見圖1，其中的多層鎂鎳氧薄膜3的結構示意圖見圖2。
本發明的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器的包括沿垂直方向依次設置的 襯底1，該襯底1為矽、石英玻璃或玻璃襯底；底層NiO薄膜2 ；多層鎂鎳氧薄膜3，該多層鎂鎳氧薄膜3由沿垂直方向對稱分布的M^Mh1CK Mgx2Ni1^x2O,Mgx3Ni1^x3O......MgxmNihmCKMgOJgxmNi1-J)......Mgx3Ni1^x3O >Mgx2Ni1^2O,MgxlNi1^xlO薄膜構成，其中，0 < Xl < x2 < x3 <……< xm < l，MgO薄膜為中間層，多層鎂鎳氧薄膜3 中的其餘薄膜相對於中間層沿垂直方向對稱分布；優選的，該多層鎂鎳氧薄膜3分別與底層NiO薄膜2和帽層NiO薄膜4具有晶格匹配性，並且每層鎂鎳氧薄膜的厚度為5nm 300nm ； 帽層NiO薄膜4 ；第一金屬電極5，該電極由一種或多種的金屬材料組成，所述金屬材料的功函數大於的底層NiO薄膜2的功函數，所述的第一金屬電極5和底層NiO薄膜2形成歐姆接觸，所述的第一金屬電極5的厚度為IOnm 400nm ；第二金屬電極6，該電極由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數小於的帽層NiO薄膜4的功函數，所述的第二金屬電極6和帽層NiO薄膜4形成肖特基接觸，所述的第二金屬電極6的厚度為IOnm 400nm。
再結合附圖1，詳細說明本發明的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器的的製備方法。
實施例1 以脈衝雷射沉積方法製備鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器原型器件為例，包括以下步驟1)清洗襯底1 將2英寸的石英玻璃作為襯底1，依次在丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲清洗301^11，用隊吹乾。
2)採用脈衝雷射沉積法生長底層NiO薄膜2 先將脈衝雷射沉積系統真空度抽至 3.0\10_節￡1，然後將襯底1溫度升至300 °C，氧壓調至10 Pa，設定雷射參數為300 mJ、5Hz， 以純NiO陶瓷靶材作為濺射靶材，襯底與靶材間距5 cm，沉積1個小時，沉積了一層300nm 厚度的NiO薄膜，即得底層NiO薄膜2 ；3)採用脈衝雷射沉積法生長多層鎂鎳氧薄膜3把脈衝雷射沉積系統以10°C /s的速率降溫到30°C，取出已經長有底層NiO薄膜2的襯底1，用錫箔遮擋住底層NiO薄膜2的 1/4，然後將系統真空度抽至3.0 X 10_3Pa，然後將襯底溫度升至300 °C，氧壓調至10 Pa，設定雷射參數為300 mj、5Hz，依次以M^1.2Ni0.80陶瓷靶材，M^1.4Ni0.60陶瓷靶材，MgO陶瓷靶材， Mg0.4Ni0.60陶瓷靶材，Mg0.2Ni0.80陶瓷靶材作為濺射靶材，襯底與靶材間距5cm，分別沉積1 小時，生長 300nm 的 Mg0.2Ni0.80 薄膜，300nm 的 Mg0.4Ni0.60 薄膜，300nm 的 MgO 薄膜，300nm 的 Mg0.4Ni0.60薄膜，300nm的M^2Nia8O薄膜，即得多層鎂鎳氧薄膜3 ；4)採用脈衝雷射沉積法生長帽層NiO薄膜4在步驟幻的基礎上，脈衝雷射沉積系統的參數不變，以純NiO陶瓷靶材作為濺射靶材，沉積1個小時，沉積了一層300nm厚度的MO 薄膜，即得帽層NiO薄膜4;5)採用電子束蒸發法生長第一金屬電極5將底層NiO薄膜2用面積0. 5mm2點狀電極掩膜板遮擋，另外部分用錫箔紙遮擋，放入電子束蒸發系統的腔體中，沉積條件為沉積壓強6X 10_4Pa，電流10(Tl50mA，首先採用純Ni靶材，以5A/s的速率沉積20s，生長IOnm的 Ni，接著採用純Au靶材，以4A/s的速率沉積1000s，生長400nm的Au，得到面積0. 5mm2點狀歐姆電極，即得第一金屬電極5 ；6)採用電子束蒸發法生長第二金屬電極6把步驟幻沉積好Ni/Au電極的樣品取出來，將沉積過的部分用錫箔遮擋，另外部分用面積0. 5mm2點狀電極掩膜板遮擋，放入電子束蒸發系統的腔體中，沉積條件為沉積壓強6X10_4Pa，電流10(Tl50mA，採用純Al靶材，以 5A/s的速率沉積100s，生長50nm的Al，得到面積0. 5mm2點狀肖特基電極，即得第二金屬電極6，完成了日盲區紫外探測器的製備過程。
上述步驟中，步驟5)和步驟6)順序可以互換。
對於製得的多波段的日盲區紫外探測器，當外加偏壓在-5V到-IV之間變動時，禁帶寬度從4. 5eV波動到4. 8eV，可以探測波長為258ηπΓ275ηπι日盲區的紫外光。
實施例2:以磁控濺射法方法製備鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器原型器件為例，包括以下步驟1)清洗襯底1 將2英寸的P型矽片或玻璃作為襯底1，依次在丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲清洗30min，用N2吹乾。
2)採用磁控濺射法生長底層NiO薄膜2 先將脈衝雷射沉積系統真空度抽至 2. OX 10_3Pa，然後將襯底溫度升至350°C，沉積壓強為0. 5Pa，Ar:&=47:3的氣氛，以純NiO 陶瓷靶材作為濺射靶材，襯底與靶材間距15 cm,沉積1個小時，沉積一層500nm厚度的底層 NiO薄膜2。
3)採用磁控濺射法生長多層鎂鎳氧薄膜3 把脈衝雷射沉積系統以10°C /s的速7率降溫到40°C，取出已經長有底層NiO薄膜2的襯底1，用錫箔遮擋住底層NiO薄膜2的 1/4，，將系統真空度抽至2. OX 10_3Pa，然後將襯底溫度升至600°C，沉積壓強為0. 66Pa，Ar 氣氛(80SCCm)，依次以Pia9O陶瓷靶、M^l2Nia8O陶瓷靶、M^l5Nia5O陶瓷靶、MgO陶瓷靶、 Mg0.5Ni0.50陶瓷靶、Mg0.2Ni0.80陶瓷靶、M^1Nia9O陶瓷靶作為濺射靶材，襯底與靶材間距15 cm,分別沉積 30s,生長 5nm 的 M^llNia9O 薄膜，5nm 的 Mg0.2Ni0.80 薄膜，5nm 的 Mg0.5Ni0.50 薄膜，5nm 的 MgO 薄膜，5nm 的 Mg0.5Ni0.50 薄膜，5nm 的 Mg0.2Ni0.80 薄膜，生長 5nm 的 Mg0. ^i0.90 薄膜，即得多層鎂鎳氧薄膜3;4)採用磁控濺射法生長帽層NiO薄膜4在步驟幻的基礎上，將襯底溫度調節至 350°C，沉積壓強調節為0. 5Pa ,Ar:02=47 : 3的氣氛，以純NiO陶瓷靶材作為濺射靶材，襯底與靶材間距15 cm，沉積0. 5個小時，沉積了一層250nm厚度的帽層NiO薄膜4 ；5)採用電子束蒸發法生長第一金屬電極5將第一層沉積的NiO薄膜2用面積0. 5mm2 點狀電極掩膜板遮擋，另外部分用錫箔紙遮擋，放入電子束蒸發系統的腔體中，沉積條件為沉積壓強6X 10_4Pa，電流10(Tl50mA。採用純Ni靶材，以5A/s的速率沉積200s，生長 IOOnm的Ni，得到面積0. 5mm2點狀歐姆電極，即得第一金屬電極5 ；6)採用電子束蒸發法生長第二金屬電極6把步驟5)沉積好Ni電極的樣品取出來，將沉積過的部分用錫箔遮擋，另外部分用面積0. 5mm2點狀電極掩膜板遮擋，放電子束蒸發系統的腔體中。沉積條件為沉積壓強6X 10_4Pa，電流10(Tl50mA。首先採用純Al靶材，以 5A/s的速率沉積30s，生長15nm的Al，接著採用純Ti靶材，以5A/s的速率沉積770s，生長 285nm的Ti，得到面積0. 5mm2點狀肖特基電極，即得第二金屬電極6，完成了日盲區紫外探測器的製備過程。
上述步驟中，步驟5)和步驟6)順序可以互換。
對於製得的多波段的日盲區紫外探測器，當外加偏壓在-5V到-IV之間變動時，禁帶寬度從4. 45eV到5. 10eV，可以探測波長為243rniT278nm日盲區的紫外光。
權利要求
1.一種鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，其特徵在於包括沿垂直方向依次設置的襯底(1)，底層NiO薄膜( ，多層鎂鎳氧薄膜( ，帽層NiO薄膜(4)，所述探測器還設有第一金屬電極( 和第二金屬電極(6)，第一金屬電極( 設置在底層NiO薄膜( 上，第二金屬電極(6)設置在帽層NiO薄膜(4)上。
2.根據權利要求1所述的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，其特徵在於所述的多層鎂鎳氧薄膜⑶由沿垂直方向對稱分布的悔』『』、Mgx2Ni1^2O, Mgx3Ni1^x3O…… MgxmNi1-JK MgO、MgxmNihmO……Mgx3Ni1^x3O、Mgx2Ni1^2O, MgxlNi1^xlO 薄膜構成，其中，0 < xl < x2 < x3 <……< xm < l，MgO薄膜為中間層，多層鎂鎳氧薄膜(3)中的其餘薄膜相對於中間層沿垂直方向對稱分布。
3.根據權利要求2所述的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，其特徵在於所述的多層鎂鎳氧薄膜C3)分別與底層NiO薄膜( 和帽層NiO薄膜(4)具有晶格匹配性，並且每層鎂鎳氧薄膜的厚度為5nm 300nm。
4.根據權利要求1所述的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，其特徵在於所述的襯底(1)為矽、石英玻璃或玻璃襯底。
5.根據權利要求1所述的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，其特徵在於所述的第一金屬電極(5)由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數大於底層NiO薄膜O)的功函數，所述第一金屬電極( 和底層NiO薄膜( 形成歐姆接觸，所述第一金屬電極(5)的厚度為IOnm 400nm。
6.根據權利要求1所述的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，其特徵在於所述的第二金屬電極(6)由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數小於帽層NiO薄膜(4)的功函數，所述的第二金屬電極(6)和帽層NiO薄膜(4)形成肖特基接觸，所述的第二金屬電極(6)的厚度為IOnm 400nm。
7.製備如權利要求1至6任一項所述的鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器的方法，其特徵在於，包括如下步驟1)清洗襯底⑴；2)在襯底⑴上生長底層NiO薄膜⑵；3)在上述底層NiO薄膜( 表面生長多層鎂鎳氧薄膜(3)，並在底層NiO薄膜(2)表面預留生長第一金屬電極(5)的面積；4)在多層鎂鎳氧薄膜( 表面生長帽層NiO薄膜；5)在底層NiO薄膜( 上生長第一金屬電極(5)，在帽層NiO薄膜(4)上生長第二金屬電極(6)。
8.根據權利要求7所述的製備鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器的方法，其特徵在於所述的襯底(1)為矽、石英玻璃或玻璃襯底；所述的步驟幻至步驟幻中的生長工藝採用脈衝雷射沉積法、磁控濺射法、電子束蒸發法或分子束外延法。
9.根據權利要求7所述的製備鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器的方法，其特徵在於所述的第一金屬電極(5)由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數大於底層NiO薄膜O)的功函數，所述第一金屬電極( 和底層NiO薄膜( 形成歐姆接觸， 所述第一金屬電極(5)的厚度為IOnm 400nm。
10.根據權利要求7所述的製備鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器的方法，其特徵在於所述的第二金屬電極(6)由一種或多種的金屬材料組成，所述的金屬材料的功函數小於帽層NiO薄膜的功函數，所述的第二金屬電極(6)和帽層NiO薄膜(4)形成肖特基接觸，所述的第二金屬電極(6)的厚度為IOnm 400nm。
全文摘要
本發明涉及一種鎂鎳氧基多波段日盲區紫外探測器，包括沿垂直方向依次設置的襯底，底層NiO薄膜，兩層以上的多層鎂鎳氧薄膜，帽層NiO薄膜，第一金屬電極(歐姆接觸)和第二金屬電極(肖特基接觸)，所述的多層鎂鎳氧薄膜由沿垂直方向對稱分布的Mgx1Ni1-x1O、Mgx2Ni1-x2O、Mgx3Ni1-x3O……MgxmNi1-xmO、MgO、MgxmNi1-xmO……Mgx3Ni1-x3O、Mgx2Ni1-x2O、Mgx1Ni1-x1O薄膜構成，其中，0＜x1＜x2＜x3＜……＜xm＜1，MgO薄膜為中間層，多層鎂鎳氧薄膜中的其餘薄膜相對於中間層沿垂直方向對稱分布。其製備方法為在襯底表面以下列生長工藝中的一種或多種依次生長薄膜和電極，所述生長工藝採用脈衝雷射沉積法、磁控濺射法、電子束蒸發法或分子束外延法。本發明的優點是通過調節外加偏壓，可以實現多波段日盲區紫外探測，實現了器件的集成，單個探測器即可實現多個日盲區波段的探測，相對於分立器件具有低成本，工藝簡單，重複性好，易於實現等優點。
文檔編號H01L31/18GK102522448SQ20121000989
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者葉志鎮, 朱麗萍, 楊治國, 郭豔敏 申請人:浙江大學