一种背对背肖特基结构的BeMgZnO基紫外探测器及其制备方法与流程

本发明属于紫外探测技术领域。更具体地，涉及一种背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器及其制备方法。

背景技术：

紫外探测是继红外探测和激光探测之后发展起来的另外一种重要的探测技术，广泛应用于军事和日常生活中。对于军事上来说，由于喷气机、火箭和导弹在发射和飞行的过程中辐射出大量的紫外线，因此发展紫外探测技术将有助于提高我们的空间防务，保障我们的国土安全。在民用方面，紫外探测也有广泛的应用，比如矿井可燃气体和汽车尾气的监测、环境污染的监测、dna测试和海底漏油监测等等。

目前，商用的紫外探测器主要有光电倍增管、si紫外探测器和gan宽禁带半导体探测器，他们有一定的优势，但也有一些明显的不足。光电倍增管需要在高压下工作，因此需配带有高压源而显得体积笨重，而且易损坏。si紫外探测器有三个明显的缺点：（1）对可见光有很强的吸收，因此需要附带一个复杂的滤光系统，提高了造价；（2）对紫外线的吸收很强，造成紫外光的穿透深度很浅，降低了量子效率；（3）空间抗辐照性差，限制了其在太空的应用。宽禁带半导体gan作为第三代半导体材料，具有宽禁带、不需要滤光系统、轻巧便携等优点，而且通过algan合金化可以使禁带宽度在3.4ev到6.2ev之间连续可调。但是gan材料的生长温度高，能耗高，热稳定性和空间抗辐照特性较差，这些都限制了其在太空探测的应用。

另外，zno作为另一种宽禁带的半导体，具有生长温度低，原材料丰富，激子束缚能高、电子诱生缺陷低等优势。目前报道可以通过掺入be和mg形成合金使得zno的禁带宽度从3.4ev向更宽的禁带调节。因此基于zno合金的紫外探测器具有很好的应用前景。一般情况下光电探测器可分为：无结型探测器（光电导型）和结型探测器（肖特基势垒型、pn结型和pin结型）。在这些光电探测器中，光电导型探测器虽然具有很高的光电流增益，但是响应速度较慢；pn结型和pin结型虽然具有高响应速度，暗电流更低（因为更高的势垒），可在零偏压下（光伏模式）工作等优点。但是由于在zno材料体系中，p型掺杂存在很大的困难，因此很难实现高效率的pn结型和pin结型器件。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种背对背肖特基型bemgzno合金的肖特基结型紫外探测器，是一种响应截止波长200nm~380nm内连续可调的具有高响应度、快速响应速度、自驱动以及便于集成的紫外光电探测器。

本发明的目的是提供一种背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器。

本发明另一目的是提供所述背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器的制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器，包括衬底、缓冲层、外延层和肖特基接触的金属接触电极层；所述缓冲层生长在衬底上，外延层生长在缓冲层上，肖特基接触的金属接触电极层蒸镀沉积在外延层上。

其中，所述缓冲层为不同厚度的mg、mgo、zno、beo、bezno或mgzno中的一种或多种组合材料组成；缓冲层起到释放衬底与bemgzno外延层之间应力的作用。

优选地，所述缓冲层的厚度为5～500nm。

所述外延层为bemgzno合金。

优选地，通过控制生长时间，bemgzno合金外延层的厚度控制在为50nm～5μm，载流子浓度低于10¹⁷/cm³。

bemgzno外延层可通过be-mg的协同效应对合金的能带进行调节（通过控制合金中be和mg组份进行调节），be对合金的相结构具有稳定的作用，而mg则可以有效调节合金的禁带宽度，达到bemgzno合金的禁带宽度在近紫外区到深紫外区连续可调（200～380nm），该外延层的电子浓度控制在10¹⁷/cm³以下。

所述缓冲层和外延层的厚度通过生长时间来控制。

所述金属接触电极层包括内侧的钛（ti）、镍（ni）、铂（pt）、金（au）、银（ag）或钼（mo）等功函数较高的单层金属或金属复合层和外侧蒸镀的金（au）层；金（au）层起到防止接触金属氧化和优化导电性能的作用，提升电极的导电性和抗氧化性。

优选地，单层金属或金属复合层的厚度为30nm～500nm。优选地，金（au）层的厚度为10nm～500nm。

优选地，所述衬底为蓝宝石（al2o3）、单晶硅（si）、单晶氮化镓（gan）、单晶砷化镓（gaas）或单晶氧化镁（mgo）等。

本发明的背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器不仅避免了p型层掺杂的困难，器件还具有快速响应、暗电流低和自驱动等优点。其光谱响应范围为波长短于380nm的紫外线，截止响应波长可根据外延层bemgzno合金的带隙连续可调，即在近紫外到深紫外范围内（200nm～380nm）连续可调。

另外，上述背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器的制备方法如下：

s1.在生长前先对衬底进行清洗：

s2.在清洗后的衬底上生长一层缓冲层；

s3.在缓冲层上生长一层bemgzno合金，即为外延层，合金的禁带宽度通过控制合金中be、mg的组份进行调节；

s4.步骤s3制备得到的产物先进行表面清洗，然后用光学掩膜的方法在表面做叉指图案，再利用显影剂把需要蒸镀电极的部分裸露出来；

s5.在做完叉指图案的样品上镀上金属接触电极层，形成肖特基接触，然后用丙酮把未裸露部分的光刻胶洗掉，完成器件。

其中，优选地，步骤s1所述衬底的清洗方法如下：

当衬底为蓝宝石（al2o3）衬底或单晶氮化镓（gan）衬底时，清洗步骤为：在h2so4：hcl=3：1的酸中加热15～45min，之后分别在丙酮和异丙醇（或丙酮和丙醇）中超声清洗15～45min，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气枪吹干装入生长设备的生长腔，在生长腔中用500～900℃的高温处理15min～60min，把表面的水蒸气和有机物除掉；所述生长设备为磁控溅射法、分子束外延法、金属有机气相沉积法或激光脉冲沉积法所使用的设备；

当衬底为单晶硅（si）衬底时，清洗步骤为：先在硫酸（h2so4）和双氧水（h2o2）中清洗1～5min，接着在氢氟酸hf中清洗1min～3min，把si表面的sio2氧化层腐蚀掉，紧接着在氨水（nh3.h2o）和双氧水（h2o2）中清洗3～15min，接着再次在氢氟酸（hf）中清洗1～3min，最后在盐酸（hcl）中清洗3～15min后用去离子水冲干净，用氮气枪吹干然后装入生长腔直接生长；

当衬底为单晶砷化镓（gaas）衬底或单晶氧化镁（mgo）衬底时，则不需要清洗。

优选地，步骤s2在衬底上生长一层缓冲层或步骤s3在缓冲层上生长一层bemgzno合金的具体生长方法均为磁控溅射法（sputter）、分子束外延法（mbe）、金属有机气相沉积法（mocvd）或激光脉冲沉积法（pld）。

优选地，步骤s4所述表面清洗是用丙酮和异丙醇，或丙酮和丙醇等化学试剂进行清洗。

优选地，步骤s5中镀上金属接触电极层的方法为电子束蒸镀法（热蒸发法）。

本发明针对zno材料体系p型掺杂困难的问题，采用了较为简单的肖特基接触金属来形成势垒，而且zno基的肖特基势垒型探测器制备较为简单，可通过蒸镀与外延层型层形成肖特基接触的金属电极来形成，不仅避免了p型掺杂的困难的问题，同时还具有响应速度快、响应度高、暗电流低、量子效率高、势垒高度高和自驱动等优点，而且可以在无偏压的情况下工作。另外，bemgzno合金是一种新型的合金材料，一方面利用了be对结构稳定的优势，另一方面利用了mg对能带调节的优势，可通过调节合金中be、mg的组份对合金的带隙进行调节，实现截止响应波长在近紫外到深紫外区连续可调。

本发明具有以下有益效果：

本发明新开发了背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器，利用了肖特基结效应和bemgzno合金禁带宽度在近紫外到日盲区连续可调的优势（可通过控制合金中be和mg的组份），利用了be-mg互补效应，实现了器件的响应截止波长在近紫外到深紫外连续可调。

而且本发明所制备的背对背肖特基结构紫外探测器不需要进行p型掺杂（在zno体系中p型掺杂极其困难），避免了p型掺杂的困难，具有暗电流低、响应速度快、响应度高、制备工艺简单、可在零偏压下工作等优点，在紫外波段（波长短于380nm）具有广泛的应用。

另外，本发明器件还可与半导体平面工艺相容，有利于大规模集成。

附图说明

图1是本发明背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器的剖视图和俯视图；1-衬底，2-缓冲层，3-bemgzno外延层，4-肖特基接触金属电极。

图2是本发明背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器的原理结构图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1制备背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器

1、本发明提供的背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器的结构示意图如图1所示，原理结构示意图如图2所示。

具体结构如下：

包括衬底、缓冲层、外延层和肖特基接触的金属接触电极层；所述缓冲层生长在衬底上，外延层生长在缓冲层上，肖特基接触的金属接触电极层蒸镀沉积在外延层上。

所述缓冲层为不同厚度的mg、mgo、zno、beo、bezno或mgzno中的一种或多种组合材料组成；所述缓冲层的厚度为5～500nm。

所述外延层为bemgzno合金。bemgzno合金外延层的厚度控制在为50nm～5μm，载流子浓度低于10¹⁷/cm³。

所述金属接触电极层包括内侧30nm～500nm厚的钛（ti）、镍（ni）、铂（pt）、金（au）、银（ag）或钼（mo）等功函数较高的单层金属或金属复合层和外侧蒸镀的10nm～500nm厚的金（au）层。

所述衬底为蓝宝石（al2o3）、单晶硅（si）、单晶氮化镓（gan）、单晶砷化镓（gaas）或单晶氧化镁（mgo）等。

2、本发明背对背肖特基结构的bemgzno基紫外探测器的制备方法如下：

（1）在生长前先对衬底进行清洗，不同衬底的清洗方法不同，具体如下：

蓝宝石衬底（al2o3）、gan单晶衬底的清洗步骤为：在h2so4：hcl=3：1的酸中加热15min～45min，之后分别在丙酮和异丙醇ipa（或丙醇）中超声清洗15～45min，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气枪吹干装入生长腔，在生长腔中用500～900℃的高温处理15～60min，把表面的水蒸气和有机物除掉。

单晶硅（si）衬底的清洗步骤为：先在硫酸（h2so4）和双氧水（h2o2）中清洗1～5min，接着在氢氟酸（hf）中清洗1～3min，把si表面的sio2氧化层腐蚀掉，紧接着进一步在氨水（nh3.h2o）和双氧水（h2o2）中清洗3～15min，最后在盐酸（hcl）中清洗3～15min后用去离子水冲干净，在氮气枪下吹干后装入生长腔直接生长。

单晶砷化镓（gaas）衬底和单晶氧化镁（mgo）衬底则不需要生长前清洗。

（2）清洗完衬底后开始薄膜生长，即在衬底上生长一层缓冲层。根据生长方法的不同，可用的方法包括磁控溅射（sputter）法、分子束外延法（mbe）、金属有机气相沉积法（mocvd）或激光脉冲沉积法（pld）等。

首先开始缓冲层的生长，各固体源的束流可通过控制固态源的加热温度、溅射功率或者激光的脉冲功率来调节，气体源则通过质量流量计来控制；缓冲层的厚度为10nm～500nm，厚度可通过生长时间精确控制。

（3）生长完缓冲层后，开始外延层bemgzno合金的生长，即在在缓冲层上生长一层bemgzno合金。固体源的束流可通过控制固态源的加热温度、溅射功率或者激光的脉冲功率来调节，气体源则通过质量流量计来控制；外延层的厚度为50nm～5μm，厚度可通过生长时间的长短精确控制。

（4）薄膜制备完后先后用丙酮和异丙醇ipa（或丙醇）等化学试剂对薄膜的表面进行清洗，以得到干净的表面；然后用光学掩膜的方法在薄膜上面做叉指图案，利用显影剂把需要刻蚀的部分裸露出来。

（5）在做完叉指图案的样品上，用电子束蒸镀（热蒸发）的方法在其上面镀上金属电极，金属电极包括接触电极层和金层，形成肖特基接触，然后用丙酮把未裸露部分的光刻胶洗掉，完成器件的制备。。

所述接触电极层包括钛（ti）、铂（pt）、金（au）、银（ag）、钼（mo）等功函数较高的单层金属或金属复合层（根据所需接触的不同进行选择），接触电极层的厚度为30nm～500nm；然后在接触电极层上再蒸镀一层10nm～500nm厚的金（au）层。

其中，步骤（2）和（3）各层的生长过程中所采用的金属生长源为高纯的mg、zn和be金属或mgo、zno和beo陶瓷靶材，氧源则采用高纯的射频等离子氧源。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。