專利名稱：一種硅基光電探測器及制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅基光電探測器及制備方法和用途。
背景技術(shù)：
內(nèi)光電效應(yīng)是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電探測器是應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)制成的將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件。光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。當照射的光子能量S
于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度4時，光子能夠?qū)r帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生導(dǎo)電的
電子、空穴對，這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里A是普朗克常數(shù)，V是光子頻率，4是材料的禁帶寬度(單位為gF)。因此，本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長波限I為弋=hciBg = 1240/ inm
)，式中c為真空中的光速。本征光電導(dǎo)材料的長波限受禁帶寬度的限制。通常的光電探測器為Si摻雜形成p-n結(jié)，如Si太陽能電池，或者金屬氧化物的半導(dǎo)體材料，如氧化鋅、二氧化鈦等，有著紫光能量的禁帶寬度，從而吸收光，產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)。存在著純度，摻雜量，化學穩(wěn)定性，抗腐蝕性方面的問題。而本發(fā)明則采用附著SiO2薄膜的Si片作為基體，再在SiO2上鍍一層有間隙的Au膜作為電極，分別引出導(dǎo)線，形成光電探測器。本探測器具有結(jié)構(gòu)機械性能好、物化性質(zhì)穩(wěn)定、易加工、靈敏度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，提供一種硅基光電探測器及制備方法和用途，該探測器由下至上為Si基體，SiO2薄膜，Au薄膜電極，SiO2層為Si層表面熱氧化得到，Au膜為真空濺射在SiO2層上，導(dǎo)線與Au電極通過銀漿粘結(jié)制成，其中Si片厚度為150 m -675 , SiO2層厚度為50 -500 nm , Au膜厚度為30 mn -300 nm，電極間隙寬度為2 _ _2 cm，該光電探測器用于紫外或可見波段的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。該光電探測器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、機械性能好、物化性質(zhì)穩(wěn)定、易加工、保存等優(yōu)點。不僅具有較高的靈敏度還具有響應(yīng)時間短(小于400 )的優(yōu)點，并且有很好的穩(wěn)定性、可靠性。本發(fā)明所述的一種硅基光電探測器，該探測器由下至上為Si基體(1)，SiO2層
(2)，Au薄膜電極(3)，SiO2層(2)為Si基體(I)表面熱氧化得到，Au膜(3)為真空濺射在SiO2層(2)上，導(dǎo)線與Au電極通過銀漿(4)粘結(jié)制成，其中Si基體(I)厚度為150 m-675 ，SiO2層(2)厚度為50-500腦,Au膜(3)厚度為30-300 nm，電極間隙寬度2
-2 cm o所述硅基光電探測器的制備方法，采用真空鍍膜方式，具體操作步驟按下進行a、將附著SiO2層(2)的Si基體(I)切割成長方形片，用去離子水、丙酮、乙醇分別梯度清洗，時間10，再用等離子清洗儀清洗10 nm，將表面清洗干凈；
b、將Si02/Si片置于等離子濺射儀中，SiO2層(2)面向上，在SiO2層(2)表面采用真空鍍膜鍍Au膜(3)；
C、用細針劃線、撕去膠帶或濾紙擦拭的方法除去部分的Au，Au膜(3)之間形成一個間隙，使Au膜(3)成為2個電極，用銀漿(4)粘接引出導(dǎo)線，即可得到所述硅基光電探測器。步驟a中所述Si基體(I)為p型單晶Si，取向為〈111〉面。步驟b中的真空鍍膜為等離子濺射。所述硅基光電探測器的用途，該光電探測器用于紫外或可見波段的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。
原則上，采用一般的Si基體和鍍膜方法都可以制備光電探測器，優(yōu)選p型單晶Si取向為〈111〉面，電阻率小于I , Si片厚度介于150聲2 -675 ^n, SiO2膜厚200 nm。本發(fā)明中附著SiO2膜的Si基片，Au靶材，有機試劑可采用市售的材料和試劑。由本發(fā)明所述的光電探測器的光譜響應(yīng)范圍可以用作紫外、可見波段的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，如利用有光無光條件下的伏安特性不同制作光電計數(shù)器。


圖I為本發(fā)明硅基光電探測器結(jié)構(gòu)；
圖2為本發(fā)明表面Au膜及間隙SEM 圖3為本發(fā)明對不同波長的光的光電響應(yīng)伏安特性曲線圖，其中為367 nm,-h-為426 nm , -￠-為468 nm，為dark的光電響應(yīng)伏安特性曲線；
圖4為本發(fā)明2. 0偏置電壓下光電響應(yīng) 圖5為本發(fā)明光電探測器光電響應(yīng)時間圖,其中-。-為光強度一時間曲線(光波長367)，為電流一時間曲線；
圖6為本發(fā)明不同偏置電壓下光電流標定 圖7為本發(fā)明光電響應(yīng)-光強標定曲線圖，其中光源波長為367，探測器兩端加載電壓為2 為0. 1-0. 8 m JF/cm2光強下的光電流，為光電流一光強擬合關(guān)系曲線
圖8為本發(fā)明制作溫度傳感器的原理圖，其中①發(fā)光物體, 透鏡系統(tǒng)，@棱鏡，
光電探測器。
具體實施例方式 以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明
實施例I :
將附有50厚SiO2層2的厚度150 _的p-Si〈lll>基體I切割成大小為I cm'K 2 cm的長方形片，用去離子水、丙酮、乙醇分別梯度清洗10 nm，再用等離子清洗儀清洗10 ■
，進一步將SiO2層2表面清洗干凈；
將Si02/Si片水平置于等離子濺射儀中，SiO2層2面向上，采用真空等離子濺射在SiO2層2表面鍍Au膜3，真空度7，濺射電流7勵4，時間40 形成Au膜3厚30 nm ；用細針劃線的方法除去部分的Au，形成一個間隙，成為2個電極，電極間隙寬度2 .—，用銀漿4粘接引出導(dǎo)線，即可得到Au-Si02/Si光電探測器。實施例2:
將附有100厚SiO2層2的厚度300 ,的P-Si〈lll>基體I切割成大小為I Cmv- 2 cm的長方形片，用去離子水、丙酮、乙醇分別梯度清洗10 mm，再用等離子清洗儀清洗10 _，進一步將SiO2表面清洗干凈；
在SiO2層2 —面中央位置粘貼0. 5 I 的膠帶，將Si02/Si片水平置于等離子濺射儀中，SiO2層2面向上，采用真空等離子濺射在SiO2層2表面鍍Au膜3，真空度，t濺射電 流7，時間40 形成Au膜3厚80 nm ,
撕去膠帶，形成一個間隙，電極間隙寬度0. 5 cm，Au膜3成為2個電極，用銀漿4粘接引出導(dǎo)線，即可得到Au-Si02/Si硅基光電探測器。實施例3:
將附有200厚SiO2層2的厚度675 _的p_Si〈lll>基體I切割成大小為I叫2 cm的長方形片，用去離子水、丙酮、乙醇分別梯度清洗10 _，再用等離子清洗儀清洗10 mm，進一步將SiO2表面清洗干凈；
將Si02/Si片水平置于等離子濺射儀中，SiO2層2面向上，采用真空等離子濺射在SiO2層2表面鍍Au膜3，真空度7，濺射電流7肋4，時間40 J ,形成Au膜3厚30 nm ；
用細針劃線的方法去除部分的Au，形成一個間隙，間隙寬度70 —(如圖2所示)，成為2個電極，用銀漿4粘接引出導(dǎo)線，即可得到Au-Si02/Si硅基光電探測器。實施例4:
將附有500 nm厚SiO2層2的厚度675 _的p_Si〈lll>基體I切割成大小為I cm'又
2cm的長方形片，用去離子水、丙酮、乙醇分別梯度清洗10 rnin，再用等離子清洗儀清洗
10mill ,進一步將SiO2表面清洗干凈；
將Si02/Si片水平置于等離子濺射儀中，有SiO2層2薄膜的一面向上，采用真空等離子濺射鍍膜在SiO2層2表面鍍Au膜3，真空度7，濺射電流7通3，時間40 ,形成Au膜厚約300 nm ；
用濾紙擦拭的方法去除部分的Au，形成一個間隙，間隙寬度2，成為2個電極，用銀漿粘接引出導(dǎo)線，即可得到Au-Si02/Si硅基光電探測器。實施例5
將實施例3所得的Au-Si02/Si硅基光電探測器分別放在無光黑暗條件下和波長367，426 nm , 468 nm，功率密度0. 8 mW/cm2的光照條件下，測量得到_2「一4 r范圍光電響應(yīng)的伏安特性曲線(圖3)，該探測器對不同頻率的光響應(yīng)顯著，如4下，對應(yīng)的電流分別為 18 M，28 M , 35 M , 40 M。實施例6
將實施例3所得的Au-Si02/Si硅基光電探測器分別放在波長367，功率密度0. 8 mW/cm2的光照條件下，定時間隔20開關(guān)光源，在2. 0 fM扁置電壓下的光電流響應(yīng)圖(圖4)，同時得到光電流響應(yīng)時間圖(圖5)，響應(yīng)時間小于400。在不同偏置電壓下，如I f>!lr、10 mV、50 mF、100 mV、0. 25 F、0. 5 r、I. O P、2. O F，得到光電流標定圖(圖 6)。實施例7
使用標準光源對本發(fā)明Au-Si02/Si硅基光電探測器的響應(yīng)標定(圖7)，之后可用作對不同波長光強度的檢測，光源波長為367，功率密度0. I mW Icm2-O. 8 mW I cm2 , ^測器兩端加載電壓為2 r,得到光電流(O —光強G )的曲線，其回歸方程為，擬合優(yōu)度J 2 = 0,99897。實施例8
如圖8所示的光路圖，將本發(fā)明Au-Si02/Si硅基光電探測器用作測量高溫物體溫度的
傳感器的光電轉(zhuǎn)換器件，將高溫物體發(fā)出的光經(jīng)過透鏡系統(tǒng)@聚焦后，用楞鏡@將光線中
的不同波長的光分開，之后用實施例7標定過的硅基光電探測器測量各種波長光的強度，然后計算高溫物體的溫度(維恩位移定律，黑體輻射公式)。實施例9
將本發(fā)明Au-Si02/Si硅基光電探測器連接在電路中制作光電計數(shù)器，當光源被遮擋時，光電探測器兩端電壓發(fā)生變化，將這個電壓變化用加法計數(shù)電路記錄下來，即是光電計數(shù)器。
權(quán)利要求
1.一種硅基光電探測器，其特征在于該探測器由下至上為Si基體(1)，SiO2層(2)，Au薄膜電極(3)，SiO2層(2)為Si基體(I)表面熱氧化得到，Au膜(3)為真空濺射在SiO2層(2)上，導(dǎo)線與Au電極通過銀漿(4)粘結(jié)制成，其中Si基體(I)厚度為150_ -675 m，SiO2層(2)厚度為50-500 nm，Au膜(3)厚度為30-300腿，電極間隙寬度2卿—2 cm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基光電探測器的制備方法，其特征在于采用真空鍍膜方式，具體操作步驟按下進行 a、將附著SiO2層(2)的Si基體(I)切割成長方形片，用去離子水、丙酮、乙醇分別梯度清洗，時間10 min，再用等離子清洗儀清洗10 mm，將表面清洗干凈； b、將Si02/Si片置于等離子濺射儀中，SiO2層(2)面向上，在SiO2層(2)表面采用真空鍍膜鍍Au膜(3)； C、用細針劃線、撕去膠帶或濾紙擦拭的方法除去部分的Au，Au膜(3)之間形成一個間隙，使Au膜(3)成為2個電極，用銀漿(4)粘接引出導(dǎo)線，即可得到所述硅基光電探測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟a中所述Si基體(I)為p型單晶Si，取向為〈111〉面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟b中的真空鍍膜為等離子濺射。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基光電探測器的用途，其特征在于該光電探測器用于紫外或可見波段的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅基光電探測器及制備方法和用途，該探測器由下至上為Si基體，SiO2層，Au薄膜電極，SiO2層為Si基體表面熱氧化得到，Au膜為真空濺射在SiO2層上，導(dǎo)線與Au電極通過銀漿粘結(jié)制成，其中Si片厚度為150-675，SiO2層厚度為50-500，Au膜厚度為30-300，電極間隙寬度為2-2，該光電探測器用于紫外或可見波段的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。該光電探測器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、機械性能好、物化性質(zhì)穩(wěn)定、易加工、保存等優(yōu)點。不僅具有較高的靈敏度還具有響應(yīng)時間短(小于400)的優(yōu)點，并且有很好的穩(wěn)定性、可靠性。
文檔編號H01L31/103GK102983205SQ201210509688
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者祖佰祎, 竇新存, 陸彬, 張磊, 郭林娟 申請人:中國科學院新疆理化技術(shù)研究所