專利名稱：內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜及應(yīng)用的制作方法
一種光電發(fā)射薄膜的結(jié)構(gòu)及其制備與應(yīng)用，涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
隨著光通信的發(fā)展，近紅外波段超快光電信號檢測技術(shù)日益受到人們的關(guān)注。光纖通信中的波長選擇為1.55μm，目前檢測方法是通過倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的[Kamran Shaik，and Hamid Hemmati“Wavelength selection criteria forlaser communications”，SPIE，Vol.2381，(1995)342.]，這就不可避免地引入了非線性誤差和不必要的能量損失。實(shí)用光電發(fā)射薄膜雖然具有較高的量子產(chǎn)額，但在該波段卻都存在波長閾值與響應(yīng)速度的制約問題，不能實(shí)現(xiàn)近紅外波段超快光信號的直接檢測。條紋相機(jī)中所用的Ag-O-Cs和Na2KSb[Cs]等傳統(tǒng)光電發(fā)射薄膜(屬正電子親和勢光電發(fā)射薄膜)[U.Lemmer，and R.F.Mahrt″Time resolved luminescence study of recombination processes inelectroluminescent polymers″，Appl.Phys.Lett，Vol.62，No.22，(1993)2827.]雖然具有較快的光電響應(yīng)速度，但其波長閾值卻在1.1μm以內(nèi)；III-V族半導(dǎo)體光電陰極(屬負(fù)電子親和勢光電發(fā)射薄膜)[H.Rougeot and C.Baud″Negative electron affinity photoemitters″，Adv.Electron Phys.，Vol.48，(1979)36.]雖然有較高的量子產(chǎn)額，但其光電響應(yīng)速度卻都局限在納秒量級以內(nèi)，不能滿足超快光電檢測的要求。III-V族化合物半導(dǎo)體的內(nèi)場助光電發(fā)射薄膜在提高量子產(chǎn)額和拓寬閾值波長方面取得了某些成功，文獻(xiàn)報道響應(yīng)閾值為1.6μm的p-InP/p-InGaAs內(nèi)場助光電發(fā)射薄膜在波長為1.5μm時的反射式量子效率可達(dá)8％以上[J.S.Escher，and P.E.Gregory″Photoelectric imagingin the 0.9-1.6 micro range″，IEEE Trans.Electron.Device Lett.，Vol.2，No.5，(1981)123.]，但是其超快時間響應(yīng)問題依然沒有得到解決。因此，尋找一種能對近紅外波段超快光信號實(shí)現(xiàn)直接檢測的光電發(fā)射薄膜是很有意義的。
本發(fā)明的目的在于保留金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合薄膜在可見光和近紅外波段具有較高量子產(chǎn)額，對超短激光脈沖能夠快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，拓寬該類型薄膜的光電響應(yīng)波長閾值，提高響應(yīng)波段的量子產(chǎn)額，降低對超短脈沖激光信號響應(yīng)的能量密度閾值，從而實(shí)現(xiàn)對近紅外波段弱超快光信號的檢測。
本發(fā)明的目的是通過制備內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag和SnO2/(Ag-O-Cs)/Ag來達(dá)到的。金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合薄膜是將直徑在5nm到20nm之間的金屬Ag粒子埋藏于半導(dǎo)體介質(zhì)BaO或Cs2O中而形成的復(fù)合薄膜，該種結(jié)構(gòu)的薄膜具有高的光吸收系數(shù)、較高的光電量子產(chǎn)額和極快的光電響應(yīng)速度等獨(dú)特性能，是可見光和近紅外波段進(jìn)行超快光電檢測的理想光電發(fā)射薄膜。但是，這種復(fù)合薄膜光電響應(yīng)閾值在1.1μm以內(nèi)。本發(fā)明通過在這種薄膜的表面用真空沉積方法加入一電極結(jié)構(gòu)，引入電壓形成內(nèi)場，光電薄膜在內(nèi)場的作用下，埋藏有金屬Ag超微粒子的半導(dǎo)體基質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)會因內(nèi)場作用而發(fā)生變化，即導(dǎo)帶和價帶的能級傾斜導(dǎo)致表面位壘相對于體內(nèi)費(fèi)米能級的下降。同時，Ag超微粒子與BaO或Cs2O半導(dǎo)體基質(zhì)的界面位壘及光電發(fā)射薄膜的表面位壘會在內(nèi)場作用下有所降低與減薄。這種體內(nèi)能帶結(jié)構(gòu)的傾斜及表面位壘的變化，使得Ag超微粒子中的受激電子更易于穿過半導(dǎo)體基質(zhì)發(fā)射到真空中去。因此，金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜Ag-BaO或Ag-O-Cs通過引入內(nèi)場的方法，可以提高響應(yīng)波段的量子產(chǎn)額，拓寬紅外閾值波長，降低激光作用下的能量密度閾值，實(shí)現(xiàn)對波長為1.55μm的近紅外波段弱超快光信號的直接檢測。
本發(fā)明的技術(shù)難度在于加入的電極結(jié)構(gòu)既要有良好的導(dǎo)電性能，又不能阻礙光電子穿透電極發(fā)射到真空；加入的內(nèi)場電壓既要使光電薄膜的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(體內(nèi)能帶結(jié)構(gòu)的傾斜和表面位壘的降低)，又不能造成薄膜的擊穿。技術(shù)關(guān)鍵是要控制Ag電極的厚度在10～20nm和Ag微粒的直徑為5～20nm，在此條件下會形成迷津結(jié)構(gòu)(類似于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))的銀電極；加入的電壓控制在5～30V。
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag的結(jié)構(gòu)如附圖所示。圖中，1為透明玻璃基底，是光電發(fā)射薄膜的載體；2為透明導(dǎo)電薄膜(主要成分是SnO2)，厚度為100～150nm，是加載內(nèi)場的底電極，經(jīng)由導(dǎo)線引出接至電壓源的負(fù)極；3為氧化物半導(dǎo)體基質(zhì)，是在高真空條件下蒸發(fā)沉積堿金屬Cs或堿土金屬Ba并在180～280℃溫度范圍內(nèi)經(jīng)氧化激活得到，其厚度為50～100nm；4為直徑尺寸5～20nm的金屬Ag微粒，經(jīng)熱處理后散落分布在半導(dǎo)體基質(zhì)中，其分布范圍在80～120nm之間；5為厚度控制在5～10nm的氧化物Cs2O或BaO薄層；6為厚度10～20nm的Ag薄膜電極，其特點(diǎn)是由5～20nm的Ag微粒組成迷津結(jié)構(gòu)，它是加載內(nèi)場的正電極，經(jīng)由導(dǎo)線引出接至電壓源的陽極。薄膜整體厚度一般為250～400nm，白光透過率20～40％。
本發(fā)明的內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜工作在真空度優(yōu)于5×10-4Pa的真空環(huán)境下，光自透明導(dǎo)電玻璃側(cè)入射，受激電子由Ag電極側(cè)逸出并被收集。內(nèi)場電壓經(jīng)由附圖所示2和6兩電極加載在金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合薄膜表面，相對于光電發(fā)射薄膜形成內(nèi)場。內(nèi)場電壓由直流穩(wěn)壓電源提供，在5～30V之間準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)。
實(shí)施例一由波長可調(diào)的棱鏡分光單色儀、測量精度為10-11A的直流復(fù)射式檢流計、高精度0～30V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源等部件，組成內(nèi)場作用下光電發(fā)射薄膜光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)。用色溫為2856K的鎢帶燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源，經(jīng)棱鏡色散系統(tǒng)后得到分布在可見光和近紅外波段的單色光，測量光電發(fā)射薄膜對不同波長光的靈敏度分布，即可得到該光電薄膜的光譜響應(yīng)特性曲線。若在測量過程中加以考慮內(nèi)場對光電發(fā)射薄膜靈敏度的影響，就可以看到內(nèi)場效應(yīng)下薄膜光電量子產(chǎn)額和波長閾值的變化。
本發(fā)明的內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag以波長為0.7μm的單色光入射，內(nèi)場電壓為0V時，其光電流大小為3.61□10-10A；當(dāng)內(nèi)場電壓加至30V時，光電流上升至9.41□10-10A。測試結(jié)果表明，在波長0.4～1μm的范圍內(nèi)，薄膜表面加載30V的內(nèi)場電壓時，光電流均可在原有基礎(chǔ)上提高100％。
實(shí)施例二由脈沖激光源、衰減片、聚焦片、SnO2/(Ag-BaO)/Ag薄膜和數(shù)字存貯示波器等部件組成動態(tài)脈沖激光檢測系統(tǒng)。脈沖激光源為被動鎖模NdYAG，近紅外光波長為1.06μm，每個短脈沖寬度為50ps，9-11個短脈沖組成一個單脈沖序列，能量為3-6mJ，束斑為Φ3.0mm。激光束經(jīng)過衰減片、聚焦片后打到薄膜上，聚焦后的束斑為Φ0.5mm，外光路中加入KTP晶體，可以將1.06μm的近紅外光變換為0.53μm的綠光。在該測試條件下，薄膜對1.06μm光脈沖的閾值靈敏度為6×107W·cm-2，對0.53um光脈沖的閾值靈敏度為1×108W·cm-2。當(dāng)在薄膜上加載內(nèi)場電壓為20V時，無論是1.06μm的激光還是0.53μm的激光，薄膜對光脈沖的靈敏度都上升50％。測試結(jié)果表明本發(fā)明的內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜能夠滿足對弱超快激光信號進(jìn)行直接檢測的要求。
本發(fā)明的內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag和SnO2/(Ag-O-Cs)/Ag在可見光和近紅外波段具有較高的光電量子產(chǎn)額和極快的光電響應(yīng)速度，內(nèi)場的加載對提高薄膜的光電量子產(chǎn)額、拓寬紅外閾值波長和降低激光響應(yīng)的能量密度閾值具有明顯效果。該種結(jié)構(gòu)的薄膜可用于近紅外波段光電檢測、近紅外超快光電信號轉(zhuǎn)換等方面。


內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜SnO2/(Ag-BaO)/Ag的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-透明玻璃基底2-透明導(dǎo)電薄膜3-氧化物半導(dǎo)體基質(zhì)4-直徑尺寸5～20nm的金屬Ag微粒5-厚度控制在5～10nm的氧化物Cs2O或BaO薄層；6-厚度10～20nm的Ag薄膜電極。
權(quán)利要求
1.一種金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜Ag-BaO或Ag-O-Cs，其特征在于將金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合薄膜Ag-BaO或Ag-O-Cs沉積在帶有(以SnO2為主要成分的)透明導(dǎo)電薄膜的玻璃基底上，作為導(dǎo)電負(fù)電極，并在其另外一側(cè)沉積厚度在10～20nm的銀薄膜作為導(dǎo)電正電極，加入內(nèi)場電壓為直流5～30V；
2.權(quán)利要求1所述內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜的應(yīng)用，其特征在于，該光電發(fā)射薄膜在對近紅外波段超快光信號進(jìn)行檢測的方法中，用作光電發(fā)射材料。
全文摘要
一種可以對近紅外波段弱超快光信號進(jìn)行檢測的內(nèi)場助光電發(fā)射薄膜結(jié)構(gòu),屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。此種光電發(fā)射薄膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合薄膜表面沉積一層一定厚度的銀薄膜電極,從而通過加入內(nèi)場的方法達(dá)到提高該種光電發(fā)射薄膜量子產(chǎn)額的目的。本發(fā)明的內(nèi)場助金屬超微粒子/介質(zhì)復(fù)合光電發(fā)射薄膜可用于近紅外光電檢測、超快光電信號轉(zhuǎn)換等方面。
文檔編號H01L31/00GK1245977SQ9911896
公開日2000年3月1日 申請日期1999年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月3日
發(fā)明者吳錦雷, 張琦鋒, 劉惟敏, 薛增泉, 吳全德 申請人:北京大學(xué)