背入射式TIOSUB2/SUB紫外光探测器及其制备方法.pdf

本发明属于半导体光电探测器件领域，具体涉及一种以石英为衬底，以纳米TiO2薄膜为基本紫外光探测材料，以Ni为金属电极的背入射式紫外光探测器及其制备方法。该探测器以石英为衬底，采用M-S-M(金属-半导体-金属)结构。该紫外光探测器的制作方法是：采用溶胶-凝胶技术，在石英衬底上生长一层TiO2纳米薄膜，然后再在制备好的TiO2薄膜上通过磁控溅射的方法蒸发一层薄Ni实现电极接触，采用光刻技术得到Ni插指状电极。本发明制备的MSM平面双肖特基势垒结构紫外光探测器，采用背入射方式工作，可大幅提高器件的响应度。器件对波长250nm～350nm的紫外线具有良好的检测性能。

1、  背入射式TiO₂紫外光探测器，其特征在于：从下到上依次包括石英衬底(1)、采用溶胶凝胶法在石英衬底(1)上生长的纳米晶TiO₂薄膜(2)、在纳米晶TiO₂薄膜上用磁控溅射法制备的Ni插指电极(3)，待探测的紫外光(4)从石英衬底(1)处入射。

2、  如权利要求1所述的背入射式TiO₂紫外光探测器，其特征在于：TiO₂薄膜(2)厚度为0.10～0.20μm，金属Ni插指电极(3)的厚度为0.04～0.1μm，插指电极宽度为5～30μm，插指电极间距为10～60μm。

3、  背入射式TiO₂紫外光探测器的制备方法，其步骤如下：
A、将石英衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5～10分钟，在100～120℃下烘干备用；
B、采用溶胶-凝胶技术在清洗过的石英衬底上生长TiO₂纳米薄膜；
C、在制备好的纳米晶TiO₂薄膜上采用标准光刻工艺制备与插指电极结构互补的光刻胶插指结构，光刻胶覆盖处最终成为无金属插指电极的区域；
D、将表面有光刻胶插指结构的基底置于磁控溅射真空室中，抽真空至2.0×10^-3～4.0×10^-3Pa；然后通Ar气，调节气压至0.4～1.2Pa，溅射功率为50～100W，溅射20～40分钟，溅射的电极材料为Ni；最后将基底置于丙酮中超声，未被曝光的光刻胶及覆盖其上的Ni被剥离掉，用去离子水冲洗后吹干，最后得到依次包括石英衬底(1)、纳米晶TiO₂薄膜(2)、Ni插指电极(3)的MSM平面结构背入射式TiO₂紫外光探测器。

4、  如权利要求3所述的背入射式TiO₂紫外光探测器的制备方法，其特征在于：采用溶胶-凝胶技术在清洗过的石英衬底上生长TiO₂纳米薄膜，其首先是在15～25℃温度条件下，将5～20mL钛酸四丁酯于500～1000转/分钟搅拌下滴加到50～200mL无水乙醇中，再滴加入5～20mL冰醋酸，经过30～90分钟的搅拌，得到均匀透明的淡黄色溶液；
然后再将5～20mL去离子水以0.5～2mL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌1～2小时，得到均匀透明的淡黄色溶胶，将其放置陈化2～6小时待用；
最后采用旋涂的方法将陈化的溶胶旋涂在石英衬底上形成薄膜，旋涂速度为1000～3000转/分钟；最后将薄膜连同衬底放入马弗炉中烧结，温度400～800℃，时间为1～4小时，之后关闭电源冷却至室温，重复旋涂与烧结过程3～5次，即在石英衬底上得到所需TiO₂薄膜，薄膜厚度为0.10～0.20μm。

5、  如权利要求3所述的背入射式TiO₂紫外光探测器的制备方法，其特征在于：在制备好的纳米晶TiO₂薄膜上采用标准光刻工艺制备与插指电极结构互补的光刻胶插指结构，其方法是在TiO₂薄膜上旋涂一层厚度为1～2μm的光刻胶，在70～90℃条件下前烘10～30分；采用与金属插指电极结构互补的掩模板曝光光刻胶40～50秒，经过10～20秒的显影，最后在110～130℃下坚膜20～30分，得到所需要的光刻胶插指结构，光刻胶插指结构的宽度为10～60μm，光刻胶插指结构的间距为5～30μm。

背入射式TiO₂紫外光探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电探测器件领域，具体涉及一种以石英为衬底，以纳米TiO₂薄膜为基本紫外光探测材料，以Ni为金属电极的背入射式紫外光探测器及其制备方法。
背景技术
紫外光探测器具有抗干扰能力强和适用于恶劣环境(如高温环境)等优良特性，在科研、军事、航天、环保、防火和许多工业控制领域具有重要应用价值。
传统的紫外光探测器主要以硅基紫外光电管和光电倍增管等为主，它们虽然灵敏度高，但是存在需附加滤光片或体积大、易损坏、需在高电压下工作等缺点，难以满足现代电子技术发展的需要。近年来，基于导弹紫外辐射探测的紫外报警和跟踪技术发展极为迅猛，并对紫外光探测器件提出更高的要求。因此效率高、成本低、易于集成、适于在恶劣环境下工作的新型宽禁带半导体紫外光探测器及大尺寸紫外成像器件成为国际上光电探测领域关注的热点。
目前用于紫外光探测器的宽禁带半导体材料很多，主要包括SiC、ZnO和GaN类III-V族化合物等。但是，迄今为止，却没有一种宽禁带半导体紫外光探测器及成像器件能成为这一领域的主流产品。其中主要的原因是缺少制备大规模集成器件的衬底材料和有效的技术手段。此外，用这些材料制备紫外光探测器，不仅本身的制备工艺难度大，对设备和加工条件的要求苛刻，成本也太高。
由于宽禁带半导体TiO₂材料价格低廉，本身具有非常好的耐候性、物理和化学稳定性、适宜的光电特性，而且在材料制备方面有众多成熟的手段，以满足不同应用的需要，因此在紫外光探测方面显示出独特的应用前景。
发明内容
本发明目的是提供一种以TiO₂纳米晶薄膜为基体的金属-半导体-金属平面双肖特基势垒结构的背入射式紫外光探测器及该探测器的制备方法。
TiO₂作为一种氧化物半导体材料，禁带宽度较大，为3.0～3.2ev，对可见光几乎不吸收，对350nm以下的紫外线具有良好的吸收特性，是制备紫外光探测器的理想材料。本发明将器件制成金属-TiO₂-金属平面结构，利用TiO₂具有选择吸收紫外光的特性，将其吸收的光子转化为电信号，从而达到对紫外线进行探测的目的。这种器件由两个背靠背的肖特基势垒组成，工作时总有一个势垒处于反偏，因此器件的暗电流小，具有高灵敏度、高响应度等特点，并且器件结构简单、造价低、易于集成。
本发明采用石英做为衬底，以TiO₂作基体材料来制备新型紫外光探测器，摆脱了长期以来宽禁带半导体紫外光探测器缺乏合适衬底的困境，为大面积、阵列化紫外光探测器和紫外成像系统的研究奠定基础。同时本发明采用的工艺简单且与半导体平面工艺兼容、易于集成，适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。
本发明采用石英为衬底，因此可将器件制成背入射工作模式，从而增大器件的有效工作区域，使器件灵敏度提高到500A/W。同时由于常规方法制备的TiO₂为N型材料，采用背入射结构，不会引起由于空穴迁移率低而产生的响应速度慢的问题。
本发明所涉及的探测器，其特征在于：从下到上依次包括石英衬底、采用溶胶凝胶法在石英衬底上生长的纳米晶TiO₂薄膜、在纳米晶TiO₂薄膜上用磁控溅射法制备的Ni插指电极。待探测的紫外光从石英衬底处入射。TiO₂薄膜厚度为0.10～0.20μm，金属Ni插指电极的厚度为0.04～0.1μm，插指电极宽度为5～30μm，插指电极间距为10～60μm。
本发明所述的MSM平面结构背入射式TiO₂紫外光探测器的制备步骤如下：
(一)衬底的处理
将石英衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5～10分钟，在100～120℃下烘干备用；
(二)纳米晶体TiO₂薄膜的制备
采用溶胶-凝胶技术在清洗过的石英衬底上生长TiO₂纳米薄膜：15～25℃温度条件下，将5～20mL钛酸四丁酯于500～1000转/分钟搅拌下滴加到50～200mL无水乙醇中，再滴加入5～20mL冰醋酸，经过30～90分钟的搅拌，得到均匀透明的淡黄色溶液；
再将5～20mL去离子水以0.5～2mL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌1～2小时，得到均匀透明的淡黄色溶胶，将其放置陈化2～6小时待用；
采用旋涂的方法将陈化的溶胶旋涂在石英衬底上形成薄膜，旋涂速度为1000～3000转/分钟；最后将薄膜连同衬底放入马弗炉中烧结，温度400～800℃，时间为1～4小时，之后关闭电源冷却至室温，重复旋涂与烧结过程3～5次，即在石英衬底上得到所需TiO₂薄膜，薄膜厚度为0.10～0.20μm。
(三)光刻胶插指结构的制备
在制备好的纳米晶TiO₂薄膜上采用标准光刻工艺制备与插指电极结构互补的光刻胶插指结构，光刻胶覆盖处最终成为无金属插指电极的区域。
具体方法是在TiO₂薄膜上旋涂一层厚度为1～2μm的光刻胶(BP212，正型薄胶，转速2500～3500转/分钟)，在70～90℃条件下前烘10～30分；采用与金属插指电极结构互补的掩模板曝光光刻胶40～50秒，经过10～20秒的显影(显影液由上述正型光刻胶显影液与去离子水按1∶1配成，显影后露出TiO₂薄膜，其形状及位置即为需要制作的金属插指电极的形状及位置)，最后在110～130℃下坚膜20～30分，得到所需要的光刻胶插指结构，光刻胶插指结构的宽度为10～60μm，光刻胶插指结构的间距为5～30μm；
(四)采用磁控溅射技术制备金属Ni插指电极
将表面有光刻胶插指结构的基底置于磁控溅射真空室中，抽真空至2.0×10^-3～4.0×10^-3Pa；然后通Ar气，调节气压至0.4～1.2Pa，溅射功率为50～100W，溅射20～40分钟，溅射的电极材料为Ni；得到的金属插指电极的宽度为5～30μm，金属插指电极的间距为10～60μm；金属插指电极的厚度为0.04～0.1μm。最后将基底置于丙酮中超声，未被曝光的光刻胶及覆盖其上的Ni被剥离掉，用去离子水冲洗后吹干，得到MSM平面结构背入射式TiO₂紫外光探测器。
附图说明
图1：本发明的器件结构图；
图2：本发明所制备器件的暗电流特性曲线；
图3：本发明所制备器件在5V偏压下的光响应特性曲线。
薄膜2、Ni插指电极3、入射紫外光4。
如图2所示，可知器件的暗电流在nA量级，说明器件的暗电流特性良好；
如图3所示，从450nm到350nm，器件的光响应曲线基本水平。当光波长到达350nm附近时，有一个明显的吸收边，说明本发明器件在紫外波段有良好的响应，可以用作探测紫外线。
具体实施方式
首先采用溶胶凝胶技术，在清洗过的石英衬底上生长厚度为0.15μm的TiO₂纳米薄膜。具体方法是常温下将10mL钛酸四丁酯于1000转/分钟搅拌下滴加到100mL无水乙醇中，再滴加入10mL冰醋酸，经过60分钟的搅拌，得到均匀透明的淡黄色溶液；再将10mL去离子水以1mL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌2小时，得到均匀透明的淡黄色溶胶，将其放置陈化5小时。采用旋涂的方法将陈化的溶胶旋涂在石英衬底上，旋涂速度为2500转/分钟；然后将薄膜放入马弗炉中烧结2h，烧结温度为600℃，得到TiO₂薄膜。薄膜的厚度约为150nm。
在制备好的TiO₂薄膜上，采用标准光刻工艺制备与金属插指电极结构互补的光刻胶插指结构，光刻胶覆盖处将成为无金属插指电极的区域。光刻胶插指结构的插指宽度为40μm，光刻胶插指结构的插指间距为20μm，相对应的，金属插指电极的宽度为20μm，金属插指电极的间距为40μm。
采用磁控溅射技术在光刻胶插指结构上溅射一层Ni。操作中本底真空度3.0×10^-3帕斯卡，溅射气体为Ar气，气压0.8帕斯卡，溅射功率为80瓦，溅射时间30分钟。最终得到的Ni电极的厚度为0.05μm。在丙酮中超声处理后，光刻胶及覆盖其上的Ni被剥离掉，即获得本专利所发明的器件。其结构如图1所示。
器件制作之后，对器件的光电特性进行测试。在暗室中测量器件的暗电流，如图2，可知器件的暗电流在nA量级。将本发明器件与阻值为5.1M的电阻R串联，用30W的氘灯为光源照射在本发明器件上，测量电阻R两端电压，间接得到流经器件的电流。使用单色仪，连续改变照射在器件上的光波长，以5nm为一个量度，在450nm到250nm范围内，测量器件的光响应，器件外加偏压为5V，得到光响应曲线，如图3。由图可知，从450nm到350nm，光响应曲线基本水平，此时器件对光没有响应。当光波长到达350nm附近时，有一个明显的吸收边，并且随着波长减少，响应度逐渐增大，说明本发明在紫外波段有良好的响应，可以用作探测紫外线。