CN101425553B - MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法 - Google Patents

MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，包括对玻璃基底进行清洗，在无基底温度的情况下在玻璃基底上溅射MgZnO合金薄膜层；在常压下，于空气中对溅射MgZnO合金薄膜层的玻璃基底进行退火处理；利用真空蒸发方法在薄膜上镀厚Al叉指状电极。本发明制备的MSM结构的MgZnO合金薄膜基光电导探测器原型器件，改善了所沉积薄膜的晶体质量，探测器暗电流小，光照电流与暗电流差别较大，具有良好的响应特性。

Description

MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法
技术领域
本发明涉及一种MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，尤其是采用MgZnO合金薄膜作为半导体层，构成了金属—半导体—金属MSM结构的光电导探测器原型器件的方法。
背景技术
紫外探测器被广泛的应用于天文学、燃烧工程、水净化处理、火焰探测、生物效应、天际通信以及环境污染监测等领域。紫外探测技术的关键是研制高灵敏度、低噪声的紫外探测器。目前，已投入商用的紫外探测器，主要有紫外真空二极管、紫外光电倍增管、紫外增强器、紫外摄像管和固体紫外探测器等，其中常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极管。硅基紫外光电管需要附带滤光片，光电倍增管则需要在高电压下工作，而且体积笨重、效率低、易损坏且成本较高，对于实际应用有一定的局限性。因此，人们开始关注宽带隙半导体紫外探测器。在过去十年中，为了避免使用昂贵的滤光器，实现紫外探测器在太阳盲区下(200～300nm)工作，SiC、金刚石薄膜、GaN基和ZnO基等宽带隙半导体紫外探测器，已引起研究人员的广泛重视。随着ZnO基量子阱材料制备工艺的成熟，已使得生长晶格匹配的量子阱结构成为可能，且如果在ZnO基材料中掺入Mg、Zn、Cd，可使其禁带宽度横跨盲阳紫外区和可见光区。
利用MgZnO合金薄膜作为半导体层，利用真空蒸发方法在薄膜上镀制的Al叉指状电极，制备出金属—半导体—金属(MSM)结构的光电导探测器原型器件(Averin S V等人(Averin S V，Sachot R.High2speed MSM2photodetectors.13th IntCrimean onference，Microwave & Telecommunication Technology，2003，9：190)曾对这种MSM结构进行电磁场模拟，结果显示电场强度主要集中在材料表面附近，电场强度的有效渗透深度很低)。由于玻璃衬底和MgZnO薄膜之间较大的晶格失配及热膨胀系数的差异，常会导致薄膜成三维岛状生长，影响薄膜的晶体质量，而且晶格失配还常会在沉积的MgZnO薄膜中引入应力，这种应力及应力弛豫都会对半导体的性能产生较大的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种可显著改善所沉积薄膜的晶体质量的MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：对玻璃基底进行清洗；
步骤二：在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为200—800nm的MgZnO合金薄膜层；
步骤三：在常压下，于空气中对溅射MgZnO合金薄膜层的玻璃基底进行退火处理；退火温度为250℃-450℃，退火时间2h；
步骤四：利用真空蒸发方法在退火后的MgZnO合金薄膜上镀100--300nm的A1叉指状电极。
所述步骤一中对玻璃基底进行清洗，清洗液采用浓硫酸和双氧水，以体积百分比7：3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗15—30min。所述步骤二中的溅射工艺参数为：溅射功率为300W，本底真空为1.4×10-3Pa，溅射压强为0.5—1Pa。
本发明通过对玻璃衬底表面进行预处理，采用溅射工艺实现MgZnO合金薄膜的生长；对镀制好的MgZnO合金薄膜进行空气中不同温度下的退火处理以释放其应力，改善了所沉积薄膜的晶体质量。从不同温度下退火处理的MgZnO薄膜原子力显微镜照片可看出，随着退火温度的增加，薄膜表面变得平滑，并且平均粒径变大，退火处理使表面原子发生迁移，从而改善了薄膜的表面粗糙度。薄膜的厚度约为200—800nm。
对不同条件下制备的器件用中心波长为264nm的紫外灯在距离15cm处照射下进行I-V特性测量，各个器件的I-V特性曲线显示，在-20V～20V的周期电压范围内恒定紫外光照下，各器件总体呈现暗电流和光照电流均随外加偏压呈线性增长，这说明所制备的探测器电极接触大部分是良好的欧姆接触。暗电流很小，光照电流与暗电流差别较大，这说明本发明制备的探测器具有良好的响应特性。由于选用的光源波段属于紫外，器件良好的I—V特性也说明MgZnO基探测器对紫外波段响应明显。
附图说明
图1为本发明的紫外探测器的交叉指状电极模板结构示意图；
图2为本发明实施例1的MgZnO合金薄膜经过250℃退火处理后的二维原子力显微镜图；
图3为本发明实施例1的MgZnO合金薄膜经过250℃退火处理后的三维原子力显微镜图；
图4为本发明实施例2的MgZnO合金薄膜经过350℃退火处理后的二维原子力显微镜图；
图5为本发明实施例2的MgZnO合金薄膜经过350℃退火处理后的三维原子力显微镜图；
图6为本发明实施例3的MgZnO合金薄膜经过450℃退火处理后的二维原子力显微镜图；
图7为本发明实施例3的MgZnO合金薄膜经过450℃退火处理后的三维原子力显微镜图；
图8为本发明实施例1的MgZnO合金薄膜经过250℃退火处理后，紫外光照射前后的I-V特性曲线；
图9为本发明实施例2的MgZnO合金薄膜经过350℃退火处理后，紫外光照射前后的I-V特性曲线；
图10为本发明实施例3的MgZnO合金薄膜经过450℃退火处理后，紫外光照射前后的I-V特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1
本发明制备的金属—半导体—金属(MSM)结构的光电导探测器原型器件，其如图1所示，具体制备步骤如下：
1.1对普通玻璃衬底进行清洗，清洗液使用的是浓硫酸和双氧水，它们以体积百分比7：3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗15—30min。
1.2在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为200nm的MgZnO合金薄膜层，溅射功率为300W，本底真空为1.4×10-3Pa，溅射压强为0.5Pa。
1.3在常压下，于空气中进行退火处理，退火温度为250℃、2h。
1.4利用真空蒸发方法在薄膜上镀厚约200nm的A1叉指状电极。
实施例2
2.1对普通玻璃衬底进行清洗，清洗液使用的是浓硫酸和双氧水，它们以体积百分比7：3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗15—30min。
2.2在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为500nm的MgZnO合金薄膜层，溅射功率为300W，本底真空为1.4×10-3Pa，溅射压强为0.8Pa。
2.3在常压下，于空气中进行退火处理，退火温度为350℃、2h。
2.4利用真空蒸发方法在薄膜上镀厚约300nm的A1叉指状电极。
实施例3
3.1对普通玻璃衬底进行清洗，清洗液使用的是浓硫酸和双氧水，它们以体积百分比7：3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗15—30min。
3.2在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为800nm的MgZnO合金薄膜层，溅射功率为300W，本底真空为1.4×10-3Pa，溅射压强为1Pa。
3.3在常压下，于空气中进行退火处理，退火温度为450℃、2h。
3.4利用真空蒸发方法在薄膜上镀厚约100nm的A1叉指状电极。
由晶体生长原理可知，晶体薄膜的生长过程包括原子在表面的输运、晶体的成核及长大过程。原子在衬底上的吸附、输运、成核及晶粒长大所需的能量除了部分来自辉光放电产生的低温等离子体外，还有一部分能量是退火温度提供的。当样品没有加衬底温度时，原子获得的能量比较低，其扩散长度比较短，不易扩散到合适的成核位置，很容易就近成核，此时往往以Volmer-Weber(V-W)模式生长，即通常所说的三维岛状模式生长，所制备的薄膜易成为无任何择优取向的多晶体甚至是非晶体，晶体质量较差。样品经过退火的后处理过程后，扩散的原子可以获得足够的能量以迁移至适合的成核位置，晶体此时的生长方式容易实现Frank-Vander Merwe(F-M)即二维层状模式生长，从而晶体质量得到改善，在合适的生长条件下，甚至能够得到晶体质量完好的单晶薄膜。按照本发明所述的方法制造的MgZnO合金薄膜紫外探测器，由于玻璃衬底和MgZnO薄膜之间较大的晶格失配及热膨胀系数的差异，常会导致薄膜成三维岛状生长，从而影响薄膜的晶体质量，而且晶格失配还常会在沉积的MgZnO薄膜中引入应力，这种应力及应力弛豫都会对半导体的性能产生极大的影响，为了改善所沉积薄膜的晶体质量，我们对薄膜进行了退火处理。在空气中不同退火温度下退火的MgZnO薄膜的原子力显微镜照片，所选区域为5μm×5μm。由图中可以看出随着退火温度的增加，薄膜表面变得平滑，并且平均粒径变大，退火处理使表面原子发生迁移，从而改善了薄膜的表面粗糙度。薄膜的厚度约为200—800nm。
在上述制备薄膜过程中，我们利用原子力显微镜对样品进行了观察，其结果如附图所示，其中图2、图3为经过250℃退火处理的MgZnO合金薄膜，图4、图5为经过350℃退火处理的MgZnO合金薄膜，图6、图7为经过450℃退火处理的MgZnO合金薄膜。结果显示随着退火温度的增加，薄膜表面变得平滑，并且平均粒径变大，退火处理使表面原子发生迁移，从而改善了薄膜的表面粗糙度，获得原子级平整的表面，满足制作高性能光电子器件的要求。图8，图9，图10所示为各实施例MgZnO基光电导型紫外探测器件的I-V特性曲线。不同条件下制备的器件，其I-V特性曲线是利用中心波长为264nm的紫外灯在距离15cm处照射下得到的，其中图8为MgZnO合金薄膜经过250℃退火处理后，紫外光照射前后的I-V特性曲线，图9为MgZnO合金薄膜经过350℃退火处理后，紫外光照射前后的I-V特性曲线，图10为MgZnO合金薄膜经过450℃退火处理后，紫外光照射前后的I-V特性曲线。通过对MgZnO基MSM结构光电导探测器原型器件的I-V特性曲线测试分析，在-20V～20V的周期电压范围内恒定紫外光照下，各光电导探测器件总体呈现暗电流和光照电流均随外加偏压呈线性增长，这说明所制备的探测器电极接触大部分是良好的欧姆接触。从图中我们还可以看到在无光照时暗电流很小，而较小的暗电流有利于改善探测器的信噪比，提高探测器的性能；光照电流与暗电流差别较大，表明我们制备的探测器具有良好的响应特性。由于选用的光源波段属于紫外，器件良好的I—V特性也说明我们制备的MgZnO基光电导探测器对紫外波段响应明显。

Claims (3)

1.一种MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：对玻璃基底进行清洗；
步骤二：在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为200—800nm的MgZnO合金薄膜层；
步骤三：在常压下，于空气中对溅射MgZnO合金薄膜层的玻璃基底进行退火处理；退火温度为250℃-450℃，退火时间2h；
步骤四：利用真空蒸发方法在退火后的MgZnO合金薄膜上镀100--300nm的A1叉指状电极。
2.根据权利要求1所述的MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤一中对玻璃基底进行清洗，清洗液采用浓硫酸和双氧水，以体积百分比7：3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗15—30min。
3.根据权利要求1所述的MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤二中的溅射工艺参数为：溅射功率为300W，本底真空为1.4×10-3Pa，溅射压强为0.5—1Pa。
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