专利名称：肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法
技术领域：
本发明属于纳米材料和纳米功能器件制备技术领域，特别是提供了一种肖特基接 触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法。该种方法构建出的紫外光探测器件紫外光 可以从背面入射，结构简单，成本低廉，性能稳定。
背景技术：
紫外光探测器由于在国防、紫外天文学、环境监测、火灾探测、涡轮引擎燃烧效率 监测、可燃气体成分分析和生物细胞癌变检测等方面有着广阔的应用前景，具有极高的军 事和民用价值，是近年来国际上光电探测领域的热点之一。半导体紫外探测器由于具有体 积小、光谱响应范围宽、量子效率高、动态工作范围宽和背景噪声小的优点，在紫外探测器 市场中占有的份额越来越大。ZnO是宽禁带直接带隙半导体材料，并且具有生长温度低、激子复合能量高(60 meV)、电子诱生缺陷较低、阈值电压低等优点，因此在紫外光探测器件方面具有巨大潜力， 而且相比较Si和GaN基探测器件具有明显优势。传统Si基探测器的发展已有很长时间， 但需要附加笨重的滤波器去掉可见光背景干扰，且无法胜任高温和腐蚀性环境。ZnO禁带宽 度(3. 37 eV)是Si的3倍，在可见光和红外范围没有响应(长波截止波长为365 nm)，这对 在红外和可见光背景下探测紫外光具有特殊意义，而且其热稳定性、化学稳定性好。比较宽 禁带材料GaN基紫外光探测器，ZnO不需要昂贵的外延生长方法，而且易于找到晶格匹配的 衬底材料，这有利于降低制备SiO的成本，提高产品质量，也易于制作高性能的紫外光探测 器件。目前，关于ZnO基紫外光探测器的报道主要分为两类MSM结构和p_n结。由 于制备稳定的P型SiO比较困难，阻碍了 p-n结光电器件发展。对紫外探测器件而言， MSM结构探测器件不需要进行ρ型掺杂，结构简单，造价低，易于集成，并且具有高灵敏度 和高响应度等特点而受到青睐。而MSM结构又包括欧姆接触型和肖特基接触型两种探 测器，其中肖特基接触型探测器，光电响应性能更好，所以现在大部分研究工作集中在这 一方面。早期基于SiO的紫外光探测器件主要应用的是ZnO薄膜，但近几年，人们开始 利用ZnO纳米阵列来构建高灵敏度的紫外光探测器件。一维ZnO纳米阵列具有结构机 制简单、生长成本低廉、纳米结构可控、比表面积大、吸光性能好等优点，例如文献(Z L Wang and J H Song, Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays. Science, 2006，312: 242-246 禾口 A Bera and D Basakj Carrier relaxation through two-electron process during photoconduction in highly UV sensitive quasi-one-dimensional ZnO nanowires, App 1. Phys. Lett. 2008，93，053102)所介绍 的。然而，在ZnO纳米阵列紫外探测器领域仍有很多问题有待进一步研究，例如可靠性和 重复性好、无催化剂的低温合成方法，ZnO纳米阵列紫外光探测器件的简单稳定的原理性设 计、组装、测控技术及机理分析等。针对以上研究背景，采用水热法合成了在低温和无催化剂的条件下可控、可靠、高质量的SiO纳米阵列；并利用生长优良的ZnO纳米阵列组装出肖特基接触型紫外光探测器， 对其在两种波长紫外光(365 nm和254 nm)照射下的响应性能进行了测试作出相应的机理 分析。对于测试结果的机理分析至今未见报道。
发明内容
迄今为止，关于ZnO纳米阵列紫外光探测器件，对其高质量制备一维ZnO纳米阵列 的方法，器件简单稳定的构建过程，以及对器件在不同紫外光照射下的响应性能分析的研 究并不多。本方法实现了高质量一维ZnO纳米阵列的可控制备、探测器件的简单可靠构建 及光电响应性能的灵敏稳定。我们发明的目的是降低ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制造 成本，提高器件的响应性能，为器件以后的实际应用奠定实验和理论基础。本发明的技术方案是一种肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方 法，具体包括以下工艺步骤
步骤1.制备一维ZnO纳米阵列
首先在FTO透明导电玻璃上旋涂浓度为0. 25、. 5 M的晶种液，接着放入电炉中 35(T400°C烧结30 60分钟，冷却后放入浓度为0. 05 M的生长液中90 95°C生长2014小 时，得到长度为2 3 um排列整齐的一维ZnO纳米阵列，备用；
步骤2.构建器件在上述步骤中制得的一维SiO纳米阵列，以分配剂量为5、ml/lX2 cm2,旋涂速率为2500 3500 rpm,时间为40 60 s均勻旋涂PMMA光刻胶，旋涂后在150 200 °C前烘广3小时；其中，胶层厚度为50(T1000 nm ；用氧等离子体对一维ZnO纳米阵列顶端 的光刻胶在气压为10 Pa，功率为50 100 1，02流量为20 30 sccm，时间为30 60 s进行刻 蚀，使一维SiO纳米阵列顶端露出；其中，刻蚀的厚度为5(T100 nm;通过真空镀膜机在电流 为2(T30 mA,真空度为8 9 Pa,时间为400 800 s下，在露出的一维ZnO纳米阵列顶端进行 沉积金属Pt薄膜，沉积镀膜厚度为50 100 nm，形成Pt电极；然后在电炉中35(T400°C退火 3(Γ60分钟；最后用导电银胶从Pt电极和FTO薄膜电极引出Cu导线，即得到肖特基接触型 ZnO纳米阵列紫外光探测器件。通过对构建的器件，用两种波长(365 nm和254 nm)的紫外光进行探测，发现Pt电 极跟ZnO纳米阵列有很好的肖特基接触特性，器件对紫外光的响应时间很短，响应度很高， 并且光电性能稳定。本发明的优点在于
1.在FTO导电玻璃上构建了基于ZnO纳米阵列的紫外光探测器件，紫外光可以从背面 FTO 一侧入射，极大的提高了 ZnO纳米阵列对紫外光的吸收。2.我们采用Pt作为电极，使其与SiO形成很好的肖特基接触特性，能明显提高器 件的光电响应性能。3.器件的构建过程简单，成本低廉，性能稳定，为以后的实际应用提供了可能。
图1是ZnO纳米阵列的扫描电镜俯视示意图。图2是ZnO纳米阵列的扫描电镜横向示意图。图3是ZnO纳米阵列的拉曼光谱的示意图。
图4是ZnO纳米阵列的PL谱示意图。图5是基于一维ZnO纳米阵列的紫外探测器件的构建过程示意图。图6是器件对365 nm和254 nm两种波长紫外光的光电响应特性曲线，(a)两种 紫外光照下的I-V特性曲线；(b)两种紫外光照下的光电流变化的特性曲线。
具体实施例方式下面结合具体例子对本发明的技术方案进行说明 实施例1
1.水热法生长一维ZnO纳米阵列时，首先在清洗干净的FTO导电玻璃上旋涂浓度为 0.25 M的晶种液(醋酸锌、乙二醇甲醚和乙醇胺按照一定比例的混合溶液)，旋涂速率为 3000 rpm,时间20 s,旋涂3次；在350°C烧结晶种层30分钟；在盛有浓度为0. 05 M生 长液(去离子水、硝酸锌和六次甲基四胺按照一定比例的混合溶液)的反应釜中95°C生长M 小时。反应完毕就可以的得到长度为纩3 um排列整齐的ZnO纳米阵列。2.构建器件时，在SiO纳米阵列上旋涂PMMA光刻胶的分配剂量为5ml/l X 2 cm2, 转速为2500 rpm，时间40 s，旋涂3次，使PMMA胶均勻填充于ZnO纳米阵列之间，胶层厚度 为500 nm ；接着在150 ° C前烘1小时，使PMMA胶与阵列有很好的粘附效果；通过氧等离 子体刻蚀时，设置参数为气压10 Pa，功率50 1，02气体流量20 sccm，反应时间30 s，可 以刻蚀掉50 nm厚度的光刻胶，使阵列的端部露头；选择镀Pt电极，可以使其与ZnO形成 很好的肖特基接触。具体的镀膜参数为电流为20 mA，真空度为纩9 Pa，时间为400 s，电 极厚度为50 nm ；最后350°C退火处理30分钟，可以使电极和ZnO接触特性更好；最后引出 铜导线就可以进行光电性能测试。实施例2
1.水热法生长一维ZnO纳米阵列时，在FTO上旋涂晶种液(醋酸锌、乙二醇甲醚和乙醇 胺)的浓度为0.5 M，旋涂速率为3500 rpm，时间20s，旋涂3次；在电炉中400 ° C烧结 晶种层30分钟；在0.05 M生长液(去离子水、硝酸锌和六次甲基四胺)中95 ° C生长M 小时。反应得到的ZnO纳米阵列相比较实施例1排列更紧密。2.构建器件时，ZnO纳米阵列上旋涂PMMA光刻胶时分配剂量为8ml/l X 2 cm2,旋 涂前先静置10 S,接着设置转速为3500 rpm，旋涂50 s，旋涂3次，胶层厚度为750nm ；在 175 ° C前烘2小时；氧等离子体刻蚀时，设置气压为10 Pa，功率100 1，02气体流量25 sccm，反应时间45 s，刻蚀厚度为75nm;镀Pt电极时电流为25 mA，真空度为8 9 Pa，时间 为600 s，电极厚度为75 nm;在375 ° C退火处理45分钟；最后从器件正负两端电极引出 导线就可以进行光电性能测试。实施例3
1.水热法生长一维ZnO纳米阵列时，在FTO上旋涂晶种液(醋酸锌、乙二醇甲醚和乙醇 胺的混合溶液)的浓度为0. 5 M，旋涂速率为3500 rpm,时间20s，旋涂3次；在电炉中400 ° C烧结晶种层30分钟；在浓度为0.05 M生长液(去离子水、硝酸锌和六次甲基四胺的混 合溶液)中95 ° C生长M小时，即可得到整齐的ZnO纳米阵列。2.构建器件时，ZnO纳米阵列上旋涂PMMA光刻胶时，分配剂量为8ml/l X 2 cm2, 第一转速为600 rpm,旋涂6 s，第二转速为3500 rpm，旋涂60 s，这样的旋涂过程重复3次，胶层厚度为lOOOnm，旋涂的光刻胶层更平滑；在200 ° C前烘3小时；氧等离子体刻蚀 时，设置气压为10 Pa，功率50 W, O2气体流量30 sccm，反应时间60 s，刻蚀厚度为100 nm;镀Pt电极时电流为30 mA，真空度为8 9 Pa，时间为800 s，电极厚度为100 nm;在400 ° C退火处理60分钟；最后从器件正负两端电极引出导线就可以进行光电性能测试。
权利要求
1. 一种肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法，其特征在于 步骤1.制备一维ZnO纳米阵列首先在FTO透明导电玻璃上旋涂浓度为0. 25、. 5 M的晶种液，接着放入电炉中 350^400 °C烧结30 60分钟，冷却后放入浓度为0. 05 M的生长液中90 95 °C生长2014小 时，得到长度为2 3 um排列整齐的一维ZnO纳米阵列，备用；步骤2.构建器件在上述步骤中制得的一维ZnO纳米阵列，以分配剂量为5、 ml/1 X 2 cm2，旋涂速率为2500 3500 rpm，时间为40 60 s均勻旋涂PMMA光刻胶，旋涂后在 15(T20(TC前烘广3小时；其中，胶层厚度为50(T1000 nm ；用氧等离子体对一维ZnO纳米阵 列顶端的光刻胶在气压为10 Pa，功率为50 100 W，O2流量为20 30 sccm，时间为30 60 s 进行刻蚀，使一维SiO纳米阵列顶端露出；其中，刻蚀的厚度为5(T100 nm;通过真空镀膜机 在电流为2(T30 mA，真空度为8 9 Pa，时间为400 800 s下，在露出的一维ZnO纳米阵列顶 端进行沉积金属Pt薄膜，沉积镀膜厚度为5(T100 nm，形成Pt电极；然后在电炉中350 400 °C退火3(Γ60分钟；最后用导电银胶从Pt电极和FTO薄膜电极引出Cu导线，即得到肖特基 接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件。
全文摘要
本发明提供了一种肖特基接触型ZnO纳米阵列紫外光探测器件的制备方法，具体工艺为先在清洗干净的FTO导电玻璃上生长ZnO纳米阵列；接着，在生长优良的ZnO纳米阵列上旋涂PMMA光刻胶，使光刻胶渗透入阵列的间隙；然后进行前烘，使胶与阵列紧密粘连；前烘后进行氧等离子体刻蚀，刻蚀掉阵列端部的PMMA光刻胶，便于下一步的电极沉积；用真空镀膜机进行金属电极的沉积，厚度为50~100nm;退火处理一下使电极与ZnO纳米阵列更好地接触；最后，从Pt电极和FTO电极上引出铜导线就可以进行光电性能测试。本发明的优点在于制备出的器件紫外光可以从背面照射，结构简单，成本低廉，性能稳定，为以后的实际应用提供了可能。
文档编号H01L31/0224GK102142482SQ20111000441
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月10日 优先权日2011年1月10日
发明者张晓梅, 张跃, 张铮, 林伟花, 秦子, 闫小琴 申请人:北京科技大学