CN112864269A - 一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器及其制备方法 - Google Patents
一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器，该探测器为Ag纳米颗粒修饰的Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO肖特基型紫外雪崩探测器；包括衬底层，所述衬底层上设有紫外光吸收层ZnO薄膜，在ZnO薄膜的一侧设有载流子雪崩倍增层MgO介电薄膜，所述ZnO薄膜和MgO介电薄膜上分别设有铝电极和金电极，其中ZnO薄膜上还设有Ag纳米颗粒修饰层。本发明所设计的器件结构有利于将电场限定在倍增层，从而有利于在倍增层中实现高电场，由于高电场能够实现载流子的高雪崩增益，因此在该结构中能够实现高增益的ZnO紫外雪崩探测器。本发明与已有的ZnO紫外雪崩探测器相比，具有高增益的优点，进而将达到实现高性能ZnO紫外雪崩探测器的目的。
Description
技术领域
本发明公开涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器及其制备方法。
背景技术
宽禁带半导体紫外探测器在导弹尾焰探测、紫外通讯、污水净化紫外线检测以及火警监测等众多关乎国防安全和国计民生领域均有着重要应用前景。在众多宽禁带半导体材料中，ZnO材料因其具有抗辐射能力强、饱和漂移速率高、击穿电压高以及生长温度低等优点成为紫外探测领域的研究热点。在紫外探测领域，需要探测的紫外信号通常都是十分微弱的，这就要求光电探测器具有较高的内增益。雪崩光电探测器具有内增益大、响应速度快以及信噪比高的显著优点。因此，该类探测器适用于探测微弱的紫外信号。雪崩光电探测器常采用的器件结构为pn、pin和肖特基结构。对于ZnO材料，由于实现稳定可重复的p型掺杂仍然很困难，因此至今未有关于ZnO pn和pin结构紫外雪崩探测器的报道。
目前对于ZnO薄膜材料的相关报道诸如有2012年所报道的Au/MgO/ZnO/MgO/Au结构的ZnO肖特基型紫外雪崩探测器，和在2017年授权公告的Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO单肖特基型紫外雪崩探测器，然而，这两种结构的ZnO紫外雪崩探测器的倍增因子(代表内增益能力)均较小(均小于300)，这不仅与光电倍增管(倍增因子可达到106数量级)没有可比性，与其他宽禁带半导体材料的紫外雪崩探测器(例如GaN紫外雪崩探测器的倍增因子可达到104数量级)也相差较大。
因此，要实现高性能的ZnO紫外雪崩探测器关键就在于如何解决提高其倍增因子的问题。
发明内容
鉴于此，本发明公开提供了一种基于电场分布调控的高增益氧化锌肖特基型紫外雪崩探测器；本发明进一步优化了器件结构，调控器件内的电场分布，使器件内的电场限定在倍增层，在倍增层中实现高电场，从而获得器件高增益。
本发明提供的技术方案，具体为，
一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器，该探测器为Ag纳米颗粒修饰的Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO肖特基型紫外雪崩探测器；
包括衬底层；
所述衬底层上设有紫外光吸收层ZnO薄膜；
在ZnO薄膜的一侧设有载流子雪崩倍增层MgO介电薄膜；
所述ZnO薄膜和MgO介电薄膜上分别设有铝电极和金电极；
其中ZnO薄膜上还设有Ag纳米颗粒修饰层，在器件内所述Ag纳米颗粒用于在紫外光照射下实现局域表面等离子体共振效应。
进一步地，所述衬底层为c面蓝宝石，ZnO薄膜的厚度为500nm，MgO薄膜厚度为60nm，铝电极和金电极两电极厚度均为100nm，银颗粒尺寸为20nm。
本发明还提供了一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器的制备方法，该方法包括：
在衬底基础上生长一层ZnO薄膜，作为紫外光吸收层；
在所述ZnO薄膜的一侧沉积MgO介电薄膜，作为载流子雪崩倍增层；
在所述ZnO薄膜上制备铝电极，在所述MgO介电薄膜上制备金电极，构建了Au/MgO/ZnO/Al结构；
在所述ZnO薄膜表面修饰共振峰位于紫外波段的Ag纳米颗粒。
本发明提供的一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器，利用Ag纳米颗粒来实现局域表面等离子体共振，以ZnO薄膜为紫外光吸收层，以MgO介电薄膜为载流子雪崩倍增层，设计了Ag纳米颗粒修饰的Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO肖特基型紫外雪崩探测器，该器件结构有利于将电场限定在倍增层，从而有利于在倍增层中实现高电场。由于高电场能够实现载流子的高雪崩增益，因此在该结构中能够实现高增益的ZnO紫外雪崩探测器。
本发明为实现能够与高增益的光电倍增管和GaN紫外雪崩探测器相媲美的ZnO紫外雪崩探测器提供可行途径。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开实施例提供的一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的***的例子。
针对现有技术中，ZnO薄膜紫外雪崩探测器存在着倍增因子较低的缺点，本实施方案提出一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器，要想获得高性能的ZnO紫外雪崩探测器关键就在于提高其倍增因子，本实施方案通过使用调控器件内的电场分布，来提高雪崩光电探测器增益即将器件内的电场限定在载流子雪崩倍增层，这有利于在倍增层中实现高电场。
由于载流子离化系数正比于电场强度，因此只有在倍增层中实现高电场才能获得器件高增益。
如图1所示，本实施方案提供的探测器为Ag纳米颗粒修饰的Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO肖特基型紫外雪崩探测器；包括衬底层，衬底层上设有紫外光吸收层ZnO薄膜，在ZnO薄膜的一侧设有载流子雪崩倍增层MgO介电薄膜，ZnO薄膜和MgO介电薄膜上分别设有铝电极和金电极，其中ZnO薄膜上还设有Ag纳米颗粒修饰层。
本实施方案利用Ag纳米颗粒来实现局域表面等离子体共振，以ZnO薄膜为紫外光吸收层，以MgO介电薄膜为载流子雪崩倍增层，最后得到了Ag纳米颗粒修饰的Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO肖特基型紫外雪崩探测器。
其中，衬底层为c面蓝宝石，ZnO薄膜的厚度在500nm，MgO薄膜厚度在60nm，铝电极和金电极两电极厚度均为100nm。银颗粒尺寸约为20nm。
本实施方案所设计的器件结构有利于将电场限定在倍增层，从而有利于在倍增层中实现高电场。由于高电场能够实现载流子的高雪崩增益，因此在该结构中能够实现高增益的ZnO紫外雪崩探测器。实验结果表明，本实施方案提供的器件雪崩阈值电压仅为15V，这是目前已知的ZnO薄膜紫外雪崩探测器最小雪崩阈值电压，该器件在21V电压下实现了其最高雪崩增益，其雪崩倍增因子为78，这也是已知的ZnO薄膜雪崩探测器在该偏压下最高雪崩倍增因子。本发明与已有的ZnO紫外雪崩探测器相比，具有高增益的优点，进而达到了实现高性能ZnO紫外雪崩探测器的目的。
一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器的制备方法，该方法包括：
在衬底基础上生长一层ZnO薄膜，作为紫外光吸收层；制备ZnO薄膜的方法可以有多种，例如ZnO薄膜可以通过如下方法制备：利用磁控溅射作为ZnO薄膜生长设备，选用高纯ZnO陶瓷靶作为靶材，反应气体为高纯氧气，惰性气体为氩气，薄膜沉积衬底为c面蓝宝石，生长温度为300℃，生长时间为2小时，腔体内压强为2Pa，ZnO薄膜厚度约为500nm；
在ZnO薄膜的一侧沉积MgO介电薄膜，作为载流子雪崩倍增层；
沉积MgO介电薄膜的方法可以应用的现有技术有多种，其中，MgO介电薄膜可以通过如下方法制备：
利用磁控溅射作为介电层生长设备，选用高纯镁金属靶作为靶材，反应气体为高纯氧气，惰性气体为氩气，为了只在ZnO薄膜表面的一部分区域沉积MgO薄膜，将石英盖在ZnO薄膜表面的另一部分区域，这样便只在没有石英覆盖的区域生长MgO介电层，MgO薄膜的生长温度为300℃，生长时间为2小时，设备腔体内压强为2Pa，MgO薄膜厚度约为60nm；
在ZnO薄膜上制备铝电极，在所述MgO介电薄膜上制备金电极，构建了Au/MgO/ZnO/Al结构；
在已制备ZnO薄膜和MgO介电层基础上，可以利用真空镀膜机先后两次分别在ZnO薄膜和MgO介电层上蒸镀铝电极和金电极。
即在本实施方案中，首先在衬底上制备ZnO薄膜，其次，在ZnO薄膜表面一侧制备MgO薄膜。接着，分别在ZnO薄膜和MgO介电层上制备铝电极和金电极，构成了Au/MgO/ZnO/Al结构。
为了实现高增益的ZnO紫外雪崩探测器，本实施方案在ZnO薄膜表面修饰共振峰位于紫外波段的Ag纳米颗粒。
本实施方案利用硼***还原硝酸银法制备共振峰位于紫外波段的Ag纳米颗粒，具体可以采用如下方法：首先将2mL 10-1M硝酸银滴入100mL去离子水中，然后再向其中加入3mL 1％柠檬酸钠溶液，经搅拌后，再向上述溶液中加入1m L 10-2M硼***溶液，再经搅拌后获得颗粒尺寸约为20nm的Ag纳米颗粒水溶液。经测定上述Ag纳米颗粒的共振峰位位于380nm,处于紫外波段，最后，在Au/MgO/ZnO/Al结构中的ZnO薄膜表面滴涂Ag纳米颗粒，这样便形成了Ag纳米颗粒修饰的Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO肖特基型紫外雪崩探测器。
该类型雪崩探测器具体的工作原理为：当在器件两端施加偏压时(即金电极接电源负极，铝电极接电源正极)，负极处的Au/MgO/ZnO肖特基势垒会发生反向偏置，器件内电压将会降落在该肖特基势垒上。当特定波长紫外光照射到ZnO表面覆盖的Ag纳米颗粒上时，会产生局域表面等离子体共振，这将增强ZnO层对入射光子的吸收，进而在ZnO层内产生较多的光生电子空穴对，这会大幅度提高ZnO层电导率，从而将反向偏置的Au/MgO/ZnO肖特基势垒上的电压进一步集中在MgO介电层，即将器件内电场限定在MgO层。ZnO层中的光生空穴会在电场的驱使下漂移进入MgO介电层。随着外加偏压的增加，当MgO介电层中的电场强度达到该材料碰撞离化阈值时，进入MgO层的光生空穴将会获得较高的动能并与其晶格发生碰撞离化，最终在器件内实现主要由光生空穴触发的载流子雪崩倍增效应。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
Claims (3)
1.一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器，其特征在于，该探测器为Ag纳米颗粒修饰的Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO肖特基型紫外雪崩探测器；
包括衬底层；
所述衬底层上设有紫外光吸收层ZnO薄膜；
在ZnO薄膜的一侧设有载流子雪崩倍增层MgO介电薄膜；
所述ZnO薄膜和MgO介电薄膜上分别设有铝电极和金电极；
其中ZnO薄膜上还设有Ag纳米颗粒修饰层，在器件内所述Ag纳米颗粒用于在紫外光照射下实现局域表面等离子体共振效应。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器，其特征在于，所述衬底层为c面蓝宝石，ZnO薄膜的厚度为500nm，MgO薄膜厚度为60nm，铝电极和金电极两电极厚度均为100nm，银颗粒尺寸为20nm。
3.一种基于电场分布调控的高增益紫外雪崩探测器的制备方法，适用于权利要求1-2所述的探测器，其特征在于，该方法包括：
在衬底基础上生长一层ZnO薄膜，作为紫外光吸收层；
在所述ZnO薄膜的一侧沉积MgO介电薄膜，作为载流子雪崩倍增层；
在所述ZnO薄膜上制备铝电极，在所述MgO介电薄膜上制备金电极，构建了Au/MgO/ZnO/Al结构；
在所述ZnO薄膜表面修饰共振峰位于紫外波段的Ag纳米颗粒。
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