CN111785793A - ZnMgO紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种ZnMgO紫外探测器及其制备方法，其中的方法包括：S1、以有机锌化合物作为锌源，以有机镁化合物作为镁源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底的表面生长ZnMgO薄膜；S2、在ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，在叉指电极掩膜溅射金属后将叉指电极掩膜去除，形成叉指电极；S3、在叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。与现有技术相比，本发明通过增加氧气流量、增加氧分压、减少氧缺陷的方式，使得制备的ZnMgO薄膜具有结晶质量高、不出现分相、吸收截止边陡峭等特点，混相结构的ZnMgO薄膜2能够同时满足高响应度和低暗电流，从而使ZnMgO紫外光电探测器具有更低的暗电流和更高的光响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体紫外探测技术领域，特别涉及一种高性能混相的ZnMgO紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术在导弹尾焰探测、火焰传感、空气和水净化以及空对空通信等军事和民用领域有广阔的应用前景。波长小于280nm的紫外辐射由于受到地球上空臭氧层的阻挡，几乎无法传播到地球表面，被称为日盲紫外。工作在日盲波段的日盲紫外探测器不受太阳辐射的干扰，具有更高的灵敏度，可应用于导弹预警等方面。近年来，宽禁带半导体紫外探测器因其体积小、重量轻、工作时无需滤光片、无需制冷等优点被认为是可以取代真空光电倍增管和Si光电倍增管的第三代紫外探测器。
ZnMgO薄膜材料带隙可调范围较宽(3.37～7.8eV)，在原理上可以应用于160～370nm范围内的紫外光电器件。而且ZnMgO薄膜材料具有抗辐射能力强、原材料资源丰富、外延生长温度低等一系列优点，被相关研究人员所深入研究并寄予厚望。ZnMgO薄膜材料具有两种稳定结构，一种是六角纤锌矿结构，另一种是立方闪锌矿结构，这两种结构的ZnMgO薄膜材料各有优劣，例如，六角相的ZnMgO响应度高，但是暗电流也大；立方相的ZnMgO暗电流低，但响应度也不高。研究发现，混相(六角相和立方相混合)ZnMgO薄膜材料同时能满足高响应度和低暗电流，从而实现相应高性能紫外光电探测器件的研制。
目前，通常采用脉冲激光沉积和射频磁控溅射制备ZnMgO薄膜。这两种方法制备的ZnMgO薄膜晶体质量不高，缺陷态较多，导致制备的紫外探测器暗电流较大，光响应度较低，器件性能较差。
发明内容
为了解决脉冲激光沉积和射频磁控溅射制备的ZnMgO薄膜晶体质量不高、缺陷态较多导致紫外探测器的暗电流较大、光响应度较低的问题，本发明提出一种ZnMgO紫外探测器及其制备方法，该ZnMgO紫外探测器基于混相ZnMgO薄膜，具有较低的暗电流和较快的光响应速度。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种ZnMgO紫外探测器，包括从下至上依次叠加的衬底、ZnMgO薄膜和叉指电极。
优选地，ZnMgO薄膜为六角相和立方相混相结构。
优选地，ZnMgO薄膜的吸收截至边为260～300nm，ZnMgO紫外探测器的光响应截止边为320nm。
本发明还提供一种ZnMgO紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1、以有机锌化合物作为锌源，以有机镁化合物作为镁源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底的表面生长ZnMgO薄膜；
S2、在ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，在叉指电极掩膜溅射金属后将叉指电极掩膜去除，形成叉指电极；
S3、在叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
优选地，高纯氧气的流速为500～800sccm。
优选地，有机锌化合物为二甲基锌或三乙基锌，有机镁化合物为二甲基二茂镁或二乙基二茂镁。
优选地，有机锌化合物以高纯氮气为载气，载气流速为10～40sccm；有机镁化合物以高纯氮气为载气，其载气流速为5～20sccm。
优选地，在步骤S2中，溅射电流为5～8mA。
优选地，步骤S2中，采用超声波去除叉指电极掩膜，超声时间为3～5min。
优选地，在步骤S1之后还包括退火处理步骤，具体如下：
将ZnMgO薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为8～12sccm，以0.2～0.4℃/s的升温速率将退火炉的炉温升至550～700℃，经30～60min后，从退火炉中取出所述ZnMgO薄膜。
本发明能够取得以下技术效果：
使用金属有机化合物化学气相沉积法制备ZnMgO薄膜，通过增加氧气流量、增加氧分压、减少氧缺陷的方式，使得制备的ZnMgO薄膜具有结晶质量高、不出现分相、吸收截止边陡峭等特点，并且，ZnMgO薄膜为六角相和立方相混相结构，使ZnMgO紫外探测器具有较低的暗电流和较快的光响应速度。
附图说明
图1为本发明提供的ZnMgO紫外探测器的结构示意图；
图2为本发明提供的ZnMgO紫外探测器的制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例1的ZnMgO薄膜的XRD图谱示意图；
图4为本发明实施例1的ZnMgO薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；
图5为本发明实施例1的ZnMgO薄膜的X射线能谱分析谱图；
图6为本发明实施例1的ZnMgO紫外探测器的电流-电压特性曲线图；
图7为本发明实施例1的ZnMgO紫外探测器的光响应特性曲线图；
图8为本发明实施例2的ZnMgO薄膜的XRD图谱示意图；
图9为本发明实施例2的ZnMgO薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；
图10为本发明实施例2的ZnMgO薄膜的X射线能谱分析谱图；
图11为本发明实施例2的ZnMgO紫外探测器的电流-电压特性曲线图；
图12为本发明实施例2的ZnMgO紫外探测器的光响应特性曲线图；
图13为本发明实施例3的ZnMgO薄膜的XRD图谱示意图；
图14为本发明实施例3的ZnMgO薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；
图15为本发明实施例3的ZnMgO薄膜的X射线能谱分析谱图；
图16为本发明实施例3的ZnMgO紫外探测器的电流-电压特性曲线图；
图17为本发明实施例3的ZnMgO紫外探测器的光响应特性曲线图。
其中的附图标记包括：衬底1、ZnMgO薄膜2、叉指电极3、In粒4。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
以下将结合附图对本发明提供的方案进行详细描述。
图1示出了本发明提供的ZnMgO紫外探测器的结构。
如图1所示，本发明提供的ZnMgO紫外探测器，包括：按照从下至上的顺序依次叠加的衬底1、ZnMgO薄膜2和叉指电极3，在叉指电极3上按压有In粒4。
衬底1为本领域技术人员熟知的衬底即可，并无特殊的限制，本发明中优选为蓝宝石衬底。
ZnMgO薄膜2为六角相和立方相混相结构，混相结构的ZnMgO薄膜2能够同时满足高响应度和低暗电流，从而使ZnMgO紫外光电探测器具有更低的暗电流和更高的光响应速度。
ZnMgO薄膜2的光吸收截止边为260～300nm，且吸收截止边十分陡峭。
ZnMgO薄膜2的厚度为100～600nm。
叉指电极3的厚度为20～40nm。
ZnMgO紫外探测器的光响应截止边为320nm。
ZnMgO薄膜2的制备方法为：利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)设备，以有机锌化合物作为锌源，有机镁化合物作为镁源，在过量氧气氛围下，加热衬底到一定温度，在衬底上生长具有六角相和立方相混相结构的ZnMgO薄膜。
叉指电极3的制备方法为：在ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，用小型镀膜机在叉指电极掩膜上溅射金属，然后通过超声等方式去除叉指电极掩膜，形成叉指电极。
上述内容详细说明了本发明提供的ZnMgO紫外探测器的结构。与上述ZnMgO紫外探测器相对应，本发明还提供一种ZnMgO紫外探测器的制备方法。
图2示出了如本发明提供的ZnMgO紫外探测器的制备方法的流程。
如图2所示，本发明提供的ZnMgO紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1、以有机锌化合物作为锌源，以有机镁化合物作为镁源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底的表面生长ZnMgO薄膜。
将衬底移入MOCVD设备的生长腔中，调节生长腔的起始温度到500～800℃，生长腔的真空度为1x103Pa～4x103Pa，通入的高纯氧气的流速为500～800sccm，生长时间为1～1.5h。
本发明通过增加氧气流量、增加氧分压、减少氧缺陷的方式，使得制备的ZnMgO薄膜具有结晶质量高、不出现分相、吸收截止边陡峭等特点，进而使ZnMgO紫外探测器具有较低的暗电流和较快的光响应速度。
有机锌化合物以高纯氮气为载气，载气流速为10～40sccm；有机镁化合物以高纯氮气为载气，其载气流速为5～20sccm。
有机锌化合物为二甲基锌或三乙基锌，有机镁化合物为二甲基二茂镁或二乙基二茂镁。
在步骤S1之前，还可以包括如下步骤：
S0、对衬底进行清洗。
使用三氯乙烯、丙酮和乙醇依次清洗衬底，然后用干燥的氮气吹干。
S0为可选步骤，如果衬底干净，可以不进行此步骤。
在步骤S1之后还可以对ZnMgO薄膜进行退火处理，具体包括如下步骤：
将ZnMgO薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为8～12sccm，以0.2～0.4℃/s的升温速率将退火炉的炉温升至550～700℃，经30～60min后，从退火炉中取出所述ZnMgO薄膜。
对ZnMgO薄膜进行氧气退火处理，可以增加ZnMgO薄膜的性能，从而增加ZnMgO紫外探测器的性能，使ZnMgO紫外探测器具有更低的暗电流和更快的光响应速度。
S2、在ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，在叉指电极掩膜溅射金属后将叉指电极掩膜去除，形成叉指电极。
在ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，用小型镀膜机在叉指电极掩膜上溅射金属(例如：金和银)，然后去除叉指电极掩膜，形成叉指电极。
小型镀膜机的溅射电流为5～8mA。
去除叉指电极掩膜的方式可以为超声波等方式，超声时间为3～5min，形成叉指电极的厚度为20～40nm。
S3、在叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
下面以几个具体实施例对本发明提供的ZnMgO紫外探测器的制备方法及其性能进行详细说明。
实施例1
将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD设备的生长腔内，调节生长温度到800℃，压强为4000Pa。使用二甲基锌作为锌源，二甲基二茂镁作为镁源，锌源的载气流速为10sccm，镁源的载气流速为5sccm，高纯氧气的流速为500sccm，远大于锌源、镁源的流速，生长1h，关闭有机源和氧气，以0.6℃/s将衬底温度降低到室温，得到ZnMgO薄膜。
将ZnMgO薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为12sccm，以0.4℃/s的升温速率将退火炉的炉温升至700℃，恒定该温度30min后，从退火炉中取出ZnMgO薄膜。
在ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将光刻有叉指电极掩膜的ZnMgO薄膜放入到小型镀膜机中，在压强为8Pa的条件下，电流为6mA，溅射金属金，然后通过超声去除叉指电极掩膜获得叉指电极，在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
对实施例1中得到的ZnMgO薄膜利用XRD进行表征，得到其表面形貌图如图3所示，从图3中可以看出，六角相ZnMgO和立方相ZnMgO均有衍射峰，表明ZnMgO薄膜具有混相结构。
对实施例1中得到的ZnMgO薄膜进行紫外-可见光吸收光谱测试，得到其图谱如图4所示，从图4中可以看出，制备的ZnMgO薄膜具有双吸收边，进一步证实薄膜具有混相结构。
对实施例1中得到的ZnMgO薄膜进行EDS测试，得到其图谱如图5所示，从图5中可以看出，制备的ZnMgO薄膜中锌元素、镁元素同时存在，且两者的比例大约为7：3。
对实施例1中得到的混相ZnMgO紫外探测器进行暗态下电流-电压特性测试，得到其图谱如6所示。从图6中可以看出，制备的混相ZnMgO紫外探测器在10V下的暗电流为8pA，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有低的漏电流。
对实施例1中得到的混相ZnMgO紫外探测器进行光响应特性测试，得到其图谱如图7所示。从图7中可以看出，制备的混相ZnMgO紫外探测器的峰值响应在286nm，10V偏压下其响应度高达319.5A/W，且响应截止边在320nm，表明器件具有较高的紫外探测性能。
实施例2
将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD设备的生长腔内，调节生长温度到500℃，压强为3000Pa。使用三乙基锌作为锌源，二甲基二茂镁作为镁源，锌源的载气流速为40sccm，镁源的载气流速为20sccm，高纯氧气的流速为500sccm，远大于锌源、镁源的流速，生长1.2h，关闭有机源和氧气，以0.4℃/s将衬底温度降低到室温，得到ZnMgO薄膜。
将ZnMgO薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为12sccm，以0.2℃/s的升温速率将退火炉的炉温升至550℃，恒定该温度60min后，从退火炉中取出ZnMgO薄膜。
在ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将光刻有叉指电极掩膜的ZnMgO薄膜放入到小型镀膜机中，在压强为8Pa的条件下，电流为5mA，溅射金属金，然后通过超声去除叉指电极掩膜获得叉指电极，在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
对实施例2中得到的ZnMgO薄膜利用XRD进行表征，得到其表面形貌图如图8所示，从图8中可以看出，六角相ZnMgO和立方相ZnMgO均有衍射峰，表明薄膜具有混相结构。
对实施例2中得到的ZnMgO薄膜进行紫外-可见光吸收光谱测试，得到其图谱如图9所示，从图9中可以看出，制备的ZnMgO薄膜具有双吸收边，进一步证实薄膜具有混相结构。
对实施例2中得到的ZnMgO薄膜进行EDS测试，得到其图谱如图10所示，从图10中可以看出，制备的ZnMgO薄膜中锌元素、镁元素同时存在，且两者的比例大约为9:1。
对实施例2中得到的混相ZnMgO紫外探测器进行暗态下电流-电压特性测试，得到其图谱如图11所示。从图11中可以看出，制备的混相ZnMgO紫外探测器在10V下的暗电流为280nA，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有低的漏电流。
对实施例2中得到的混相ZnMgO紫外探测器进行光响应特性测试，得到其图谱如图12所示。从图12中可以看出，制备的混相ZnMgO紫外探测器的峰值响应在250nm，偏压下其响应度为18A/W，且响应截止边在270nm，表明器件具有较高的紫外探测性能。
实施例3
将清洗好的蓝宝石衬底放入到MOCVD设备的生长腔内，调节生长温度到700℃，压强为1000Pa。使用三乙基锌作为锌源，二甲基二茂镁作为镁源，锌源的载气流速为30sccm，镁源的载气流速为10sccm，高纯氧气的流速为650sccm，远大于锌源、镁源的流速，生长1.5h，关闭有机源和氧气，以0.5℃/s将衬底温度降低到室温，得到ZnMgO薄膜。
将ZnMgO薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为10sccm，以0.3℃/s的升温速率将退火炉的炉温升至600℃，恒定该温度40min后，从退火炉中取出ZnMgO薄膜。
在ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成50对间距为10μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将光刻有叉指电极掩膜的ZnMgO薄膜放入到小型镀膜机中，在压强为6Pa的条件下，电流为4mA，溅射金属金，然后通过超声去除叉指电极掩膜获得叉指电极，在叉指电极上按压In粒得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
对实施例3中得到的ZnMgO薄膜利用XRD进行表征，得到其表面形貌图如图13所示，从图13中可以看出，六角相ZnMgO和立方相ZnMgO均有衍射峰，表明薄膜具有混相结构。
对实施例3中得到的ZnMgO薄膜进行紫外-可见光吸收光谱测试，得到其图谱如图14所示，从图14中可以看出，制备的ZnMgO薄膜具有双吸收边，进一步证实薄膜具有混相结构。
对实施例3中得到的ZnMgO薄膜进行EDS测试，得到其图谱如图15所示，从图15中可以看出，制备的ZnMgO薄膜中锌元素、镁元素同时存在，且两者的比例大约为1:1。
对实施例3中得到的混相ZnMgO紫外探测器进行暗态下电流-电压特性测试，得到其图谱如图16所示。从图16中可以看出，制备的混相ZnMgO紫外探测器在10V下的暗电流为120nA，说明制备的ZnMgO紫外探测器具有低的漏电流。
对实施例3中得到的混相ZnMgO紫外探测器进行光响应特性测试，得到其图谱如图17所示。从图17中可以看出，制备的混相ZnMgO紫外探测器的峰值响应在250nm，偏压下其响应度高达400A/W，且响应截止边在270nm，表明器件具有较高的紫外探测性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何如本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种ZnMgO紫外探测器，其特征在于，包括从下至上依次叠加的衬底、ZnMgO薄膜和叉指电极。
2.如权利要求1所述的ZnMgO紫外探测器，其特征在于，所述ZnMgO薄膜为六角相和立方相混相结构。
3.如权利要求2所述的ZnMgO紫外探测器，其特征在于，所述ZnMgO薄膜的吸收截至边为260～300nm，所述ZnMgO紫外探测器的光响应截止边为320nm。
4.一种如权利要求1～3中任一项所述的ZnMgO紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以有机锌化合物作为锌源，以有机镁化合物作为镁源，以高纯氧气为氧源，利用金属有机化合物化学气相沉积法在衬底的表面生长ZnMgO薄膜；
S2、在所述ZnMgO薄膜上使用负胶光刻形成叉指电极掩膜，在所述叉指电极掩膜溅射金属后将所述叉指电极掩膜去除，形成叉指电极；
S3、在所述叉指电极上按压In粒，得到MSM结构的ZnMgO紫外探测器。
5.如权利要求4所述的ZnMgO紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述高纯氧气的流速为500～800sccm。
6.如权利要求4所述的ZnMgO紫外探测器的制备方法，所述有机锌化合物为二甲基锌或三乙基锌，有机镁化合物为二甲基二茂镁或二乙基二茂镁。
7.如权利要求4所述的ZnMgO紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述有机锌化合物以高纯氮气为载气，所述载气流速为10～40sccm；所述有机镁化合物以高纯氮气为载气，其载气流速为5～20sccm。
8.如权利要求4所述的ZnMgO紫外探测器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，溅射电流为5～8mA。
9.如权利要求4所述的ZnMgO紫外探测器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用超声波去除所述叉指电极掩膜，超声时间为3～5min。
10.如权利要求4所述的ZnMgO紫外探测器的制备方法，其特征在于，在步骤S1之后还包括退火处理步骤，具体如下：
将所述ZnMgO薄膜移入退火炉，使用氧气气氛，氧气流量为8～12sccm，以0.2～0.4℃/s的升温速率将所述退火炉的炉温升至550～700℃，经30～60min后，从所述退火炉中取出所述ZnMgO薄膜。
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