專利名稱：背入射式TiO₂紫外光探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電探測器件領(lǐng)域，具體涉及一種以石英為襯底，以納米 Ti02薄膜為基本紫外光探測材料，以Ni為金屬電極的背入射式紫外光探測器及 其制備方法。
背景技術(shù)：
紫外光探測器具有抗干擾能力強(qiáng)和適用于惡劣環(huán)境(如高溫環(huán)境)等優(yōu)良特 性，在科研、軍事、航天、環(huán)保、防火和許多工業(yè)控制領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。
傳統(tǒng)的紫外光探測器主要以硅基紫外光電管和光電倍增管等為主，它們雖然 靈敏度高，但是存在需附加濾光片或體積大、易損壞、需在高電壓下工作等缺點(diǎn)， 難以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的需要。近年來，基于導(dǎo)彈紫外輻射探測的紫外報(bào)警 和跟蹤技術(shù)發(fā)展極為迅猛，并對(duì)紫外光探測器件提出更高的要求。因此效率高、 成本低、易于集成、適于在惡劣環(huán)境下工作的新型寬禁帶半導(dǎo)體紫外光探測器及 大尺寸紫外成像器件成為國際上光電探測領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。
目前用于紫外光探測器的寬禁帶半導(dǎo)體材料很多，主要包括SiC、 ZnO和 GaN類III-V族化合物等。但是，迄今為止，卻沒有一種寬禁帶半導(dǎo)體紫外光探 測器及成像器件能成為這一領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。其中主要的原因是缺少制備大規(guī)模 集成器件的襯底材料和有效的技術(shù)手段。此外，用這些材料制備紫外光探測器， 不僅本身的制備工藝難度大，對(duì)設(shè)備和加工條件的要求苛刻，成本也太高。
由于寬禁帶半導(dǎo)體Ti02材料價(jià)格低廉，本身具有非常好的耐候性、物理和 化學(xué)穩(wěn)定性、適宜的光電特性，而且在材料制備方面有眾多成熟的手段，以滿足 不同應(yīng)用的需要，因此在紫外光探測方面顯示出獨(dú)特的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種以Ti02納米晶薄膜為基體的金屬-半導(dǎo)體-金屬平面 雙肖特基勢壘結(jié)構(gòu)的背入射式紫外光探測器及該探測器的制備方法。
Ti02作為一種氧化物半導(dǎo)體材料，禁帶寬度較大，為3.0 3.2ev，對(duì)可見光 幾乎不吸收，對(duì)350nm以下的紫外線具有良好的吸收特性，是制備紫外光探測 器的理想材料。本發(fā)明將器件制成金屬-Ti02-金屬平面結(jié)構(gòu)，利用Ti02具有選擇 吸收紫外光的特性，將其吸收的光子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)紫外線進(jìn)行探測 的目的。這種器件由兩個(gè)背靠背的肖特基勢壘組成，工作時(shí)總有一個(gè)勢壘處于反
4偏，因此器件的暗電流小，具有高靈敏度、高響應(yīng)度等特點(diǎn)，并且器件結(jié)構(gòu)簡單、 造價(jià)低、易于集成。
本發(fā)明采用石英做為襯底，以Ti02作基體材料來制備新型紫外光探測器， 擺脫了長期以來寬禁帶半導(dǎo)體紫外光探測器缺乏合適襯底的困境，為大面積、陣 列化紫外光探測器和紫外成像系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。同時(shí)本發(fā)明采用的工藝簡單 且與半導(dǎo)體平面工藝兼容、易于集成，適于大批量生產(chǎn)，因而具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明采用石英為襯底，因此可將器件制成背入射工作模式，從而增大器件 的有效工作區(qū)域，使器件靈敏度提高到500A/W。同時(shí)由于常規(guī)方法制備的Ti02 為N型材料，采用背入射結(jié)構(gòu)，不會(huì)引起由于空穴遷移率低而產(chǎn)生的響應(yīng)速度 慢的問題。
本發(fā)明所涉及的探測器，其特征在于從下到上依次包括石英襯底、采用溶 膠凝膠法在石英襯底上生長的納米晶Ti02薄膜、在納米晶Ti02薄膜上用磁控濺 射法制備的Ni插指電極。待探測的紫外光從石英襯底處入射。Ti02薄膜厚度為 0.10~0.20|jm，金屬Ni插指電極的厚度為0.04~0.1|jm，插指電極寬度為 5~30|jm，插指電極間距為10~60|jm。
本發(fā)明所述的MSM平面結(jié)構(gòu)背入射式Ti02紫外光探測器的制備步驟如下
(一) 襯底的處理
將石英襯底依次置于丙酮、乙醇和去離子水中，分別超聲清洗5 10分鐘， 在100 12CTC下烘干備用；
(二) 納米晶體Ti02薄膜的制備
采用溶膠-凝膠技術(shù)在清洗過的石英襯底上生長Ti02納米薄膜15 25。C溫 度條件下，將5-20mL鈦酸四丁酯于500~1000轉(zhuǎn)/分鐘攪拌下滴加到50~200mL 無水乙醇中，再滴加入5~20mL冰醋酸，經(jīng)過30~90分鐘的攪拌，得到均勻透 明的淡黃色溶液；
再將5~20mL去離子水以0.5~2mL/min的速率緩慢滴加到上述溶液中，繼 續(xù)攪拌1~2小時(shí)，得到均勻透明的淡黃色溶膠，將其放置陳化2 6小時(shí)待用；
采用旋涂的方法將陳化的溶膠旋涂在石英襯底上形成薄膜，旋涂速度為 1000~3000轉(zhuǎn)/分鐘；最后將薄膜連同襯底放入馬弗爐中燒結(jié)，溫度400~80(TC， 時(shí)間為1~4小時(shí)，之后關(guān)閉電源冷卻至室溫，重復(fù)旋涂與燒結(jié)過程3~5次，即 在石英襯底上得到所需Ti02薄膜，薄膜厚度為0.10~0.20|jm。
(三) 光刻膠插指結(jié)構(gòu)的制備
在制備好的納米晶TiQ2薄膜上采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備與插指電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的光刻膠插指結(jié)構(gòu)，光刻膠覆蓋處最終成為無金屬插指電極的區(qū)域。
具體方法是在Ti02薄膜上旋涂一層厚度為1~2pm的光刻膠(BP212，正型 薄膠，轉(zhuǎn)速2500~3500轉(zhuǎn)/分鐘)，在70 90。C條件下前烘10 30分；采用與金 屬插指電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的掩模板曝光光刻膠40~50秒，經(jīng)過10 20秒的顯影(顯 影液由上述正型光刻膠顯影液與去離子水按1: 1配成，顯影后露出Ti02薄膜， 其形狀及位置即為需要制作的金屬插指電極的形狀及位置)，最后在110~130°C 下堅(jiān)膜20~30分，得到所需要的光刻膠插指結(jié)構(gòu)，光刻膠插指結(jié)構(gòu)的寬度為 10~60|jm，光刻膠插指結(jié)構(gòu)的間距為5~30|jm;
(四)采用磁控濺射技術(shù)制備金屬Ni插指電極
將表面有光刻膠插指結(jié)構(gòu)的基底置于磁控濺射真空室中，抽真空至 2.0x1 (T3~4.0x10—3 Pa;然后通Ar氣，調(diào)節(jié)氣壓至0.4~1.2Pa，濺射功率為 50~100W，濺射20 40分鐘，濺射的電極材料為Ni;得到的金屬插指電極的寬 度為5~30|jm，金屬插指電極的間距為10~60pm;金屬插指電極的厚度為 0.04~0.1|jm。最后將基底置于丙酮中超聲，未被曝光的光刻膠及覆蓋其上的Ni 被剝離掉，用去離子水沖洗后吹干，得到MSM平面結(jié)構(gòu)背入射式Ti02紫外光 探測器。


圖1:本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)圖2:本發(fā)明所制備器件的暗電流特性曲線；
圖3:本發(fā)明所制備器件在5V偏壓下的光響應(yīng)特性曲線。
如圖1所示，紫外光從器件背面入射，透過石英襯底，照在Ti02上，產(chǎn)生
光電流；各部件名稱為石英襯底1、 Ti02薄膜2、 Ni插指電極3、入射紫外光 4。
如圖2所示，可知器件的暗電流在nA量級(jí)，說明器件的暗電流特性良好； 如圖3所示，從450nm到350nm，器件的光響應(yīng)曲線基本水平。當(dāng)光波長
到達(dá)350nm附近時(shí)，有一個(gè)明顯的吸收邊，說明本發(fā)明器件在紫外波段有良好
的響應(yīng)，可以用作探測紫外線。
具體實(shí)施例方式
首先采用溶膠凝膠技術(shù)，在清洗過的石英襯底上生長厚度為0.15|jm的TiO:納米薄膜。具體方法是常溫下將10mL鈦酸四丁酯于1000轉(zhuǎn)/分鐘攪拌下滴加到 100mL無水乙醇中，再滴加入10mL冰醋酸，經(jīng)過60分鐘的攪拌，得到均勻透 明的淡黃色溶液；再將10mL去離子水以1mL/min的速率緩慢滴加到上述溶液 中，繼續(xù)攪拌2小時(shí)，得到均勻透明的淡黃色溶膠，將其放置陳化5小時(shí)。采 用旋涂的方法將陳化的溶膠旋涂在石英襯底上，旋涂速度為2500轉(zhuǎn)/分鐘；然后 將薄膜放入馬弗爐中燒結(jié)2h，燒結(jié)溫度為60(TC，得到Ti02薄膜。薄膜的厚度 約為150nm。
在制備好的Ti02薄膜上，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備與金屬插指電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ) 的光刻膠插指結(jié)構(gòu)，光刻膠覆蓋處將成為無金屬插指電極的區(qū)域。光刻膠插指結(jié) 構(gòu)的插指寬度為40pm，光刻膠插指結(jié)構(gòu)的插指間距為20|jm，相對(duì)應(yīng)的，金屬 插指電極的寬度為20|jm，金屬插指電極的間距為40pm。
采用磁控濺射技術(shù)在光刻膠插指結(jié)構(gòu)上濺射一層Ni。操作中本底真空度 3.0"0-3帕斯卡，濺射氣體為Ar氣，氣壓0.8帕斯卡，濺射功率為80瓦，濺射 時(shí)間30分鐘。最終得到的Ni電極的厚度為0.05pm。在丙酮中超聲處理后，光 刻膠及覆蓋其上的Ni被剝離掉，即獲得本專利所發(fā)明的器件。其結(jié)構(gòu)如圖1所 示。
器件制作之后，對(duì)器件的光電特性進(jìn)行測試。在暗室中測量器件的暗電流， 如圖2,可知器件的暗電流在nA量級(jí)。將本發(fā)明器件與阻值為5.1M的電阻R 串聯(lián)，用30W的氖燈為光源照射在本發(fā)明器件上，測量電阻R兩端電壓，間接 得到流經(jīng)器件的電流。使用單色儀，連續(xù)改變照射在器件上的光波長，以5nm 為一個(gè)量度，在450nm到250nm范圍內(nèi)，測量器件的光響應(yīng)，器件外加偏壓 為5V，得到光響應(yīng)曲線，如圖3。由圖可知，從450nm到350nm，光響應(yīng)曲 線基本水平，此時(shí)器件對(duì)光沒有響應(yīng)。當(dāng)光波長到達(dá)350nm附近時(shí)，有一個(gè)明 顯的吸收邊，并且隨著波長減少，響應(yīng)度逐漸增大，說明本發(fā)明在紫外波段有良 好的響應(yīng)，可以用作探測紫外線。
權(quán)利要求
1、背入射式TiO2紫外光探測器，其特征在于從下到上依次包括石英襯底(1)、采用溶膠凝膠法在石英襯底(1)上生長的納米晶TiO2薄膜(2)、在納米晶TiO2薄膜上用磁控濺射法制備的Ni插指電極(3)，待探測的紫外光(4)從石英襯底(1)處入射。
2、 如權(quán)利要求1所述的背入射式Ti02紫外光探測器，其特征在于，02薄膜(2)厚度為0.10~0.20,金屬Ni插指電極(3)的厚度為0.04~0.1pm， 插指電極寬度為5~30|jm，插指電極間距為10~60|jm。
3、 背入射式Ti02紫外光探測器的制備方法，其步驟如下A、 將石英襯底依次置于丙酮、乙醇和去離子水中，分別超聲清洗5~10 分鐘，在100 12(TC下烘干備用；B、 采用溶膠-凝膠技術(shù)在清洗過的石英襯底上生長Ti02納米薄膜；C、 在制備好的納米晶Ti02薄膜上采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備與插指電極結(jié) 構(gòu)互補(bǔ)的光刻膠插指結(jié)構(gòu)，光刻膠覆蓋處最終成為無金屬插指電極的 區(qū)域；D、 將表面有光刻膠插指結(jié)構(gòu)的基底置于磁控濺射真空室中，抽真空至 2.0x1(T3~4.0x1 (T3 Pa;然后通Ar氣，調(diào)節(jié)氣壓至0.4~1.2Pa，濺射 功率為50 100W，濺射20~40分鐘，濺射的電極材料為Ni;最后將基底置于丙酮中超聲，未被曝光的光刻膠及覆蓋其上的Ni被剝離掉， 用去離子水沖洗后吹干，最后得到依次包括石英襯底(1 )、納米晶Ti02 薄膜(2)、 Ni插指電極(3)的MSM平面結(jié)構(gòu)背入射式Ti02紫外光探測器。
4、如權(quán)利要求3所述的背入射式Ti02紫外光探測器的制備方法，其特征在于采用溶膠-凝膠技術(shù)在清洗過的石英襯底上生長Ti02納米薄膜，其首先是在 15 25。C溫度條件下，將5;20mL鈦酸四丁酯于500~1000轉(zhuǎn)/分鐘攪拌下滴 加到50 200mL無水乙醇中，再滴加入5~20mL冰醋酸，經(jīng)過30~90分鐘 的攪拌，得到均勻透明的淡黃色溶液；然后再將5~20mL去離子水以0.5~2mL/min的速率緩慢滴加到上述溶液 中，繼續(xù)攪拌1 2小時(shí)，得到均勻透明的淡黃色溶膠，將其放置陳化2~6小 時(shí)待用；最后采用旋涂的方法將陳化的溶膠旋涂在石英襯底上形成薄膜，旋涂速度 為1000~3000轉(zhuǎn)/分鐘；最后將薄膜連同襯底放入馬弗爐中燒結(jié)，溫度 400~800°C，時(shí)間為1~4小時(shí)，之后關(guān)閉電源冷卻至室溫，重復(fù)旋涂與燒結(jié) 過程3~5次，即在石英襯底上得到所需Ti02薄膜，薄膜厚度為0.10~0.20pm。
5、如權(quán)利要求3所述的背入射式Ti02紫外光探測器的制備方法，其特征在于在制備好的納米晶Ti02薄膜上采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備與插指電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ) 的光刻膠插指結(jié)構(gòu)，其方法是在Ti02薄膜上旋涂一層厚度為1~2pm的光刻 膠，在70 90'C條件下前烘10 30分；采用與金屬插指電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的掩模 板曝光光刻膠40~50秒，經(jīng)過10~20秒的顯影，最后在110 13(TC下堅(jiān)膜 20~30分，得到所需要的光刻膠插指結(jié)構(gòu)，光刻膠插指結(jié)構(gòu)的寬度為 10~60|jm，光刻膠插指結(jié)構(gòu)的間距為5~30|jm。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電探測器件領(lǐng)域，具體涉及一種以石英為襯底，以納米TiO₂薄膜為基本紫外光探測材料，以Ni為金屬電極的背入射式紫外光探測器及其制備方法。該探測器以石英為襯底，采用M-S-M(金屬-半導(dǎo)體-金屬)結(jié)構(gòu)。該紫外光探測器的制作方法是采用溶膠-凝膠技術(shù)，在石英襯底上生長一層TiO₂納米薄膜，然后再在制備好的TiO₂薄膜上通過磁控濺射的方法蒸發(fā)一層薄Ni實(shí)現(xiàn)電極接觸，采用光刻技術(shù)得到Ni插指狀電極。本發(fā)明制備的MSM平面雙肖特基勢壘結(jié)構(gòu)紫外光探測器，采用背入射方式工作，可大幅提高器件的響應(yīng)度。器件對(duì)波長250nm～350nm的紫外線具有良好的檢測性能。
文檔編號(hào)H01L31/08GK101562208SQ20091006703
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日
發(fā)明者劉彩霞, 孔祥梓, 張歆東, 李福民, 瞿鵬飛, 瑋 董, 阮圣平, 晨 陶, 駱俊諭 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)