一种采用单肖特基结构的氧化锌紫外雪崩探测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用单肖特基结构的氧化锌紫外雪崩探测器，属于光电探测技术领域。
【背景技术】
[0002]紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用的光电探测技术。因此，开展紫外探测器的研究对于国防安全和国民经济建设均具有重要的意义。近年来，宽禁带半导体紫外探测器因其体积小、重量轻、工作时不需滤光片及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。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。目前，ZnO紫外探测器已取得了一定的研究成果，许多种结构的ZnO紫外探测器都已被制备出来，例如:光导型、肖特基型以及p-n结类型等。虽然对于ZnO紫外探测器的研究已取得进展，然而现阶段器件性能仍不理想，这是制约其走向实用阶段的主要因素，因此提高器件性能是解决问题的关键。
[0003]雪崩探测器被认为是理想的高性能光电探测器。该类探测器具有高灵敏度和高内增益的显著优点。半导体雪崩光电探测器可在PN、PIN和肖特基结构中实现的。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。发明人在2012年成功制备了 Au/Mg0/Zn0/Mg0/Au结构的ZnO双肖特基型紫外雪崩探测器。然而该结构雪崩探测器存在着雪崩阈值电压过高的缺点。由于该结构器件具有双肖特基势皇，器件在正向偏置和反向偏置的MgO层都会有电势降落，这使得电场不能集中于反向偏置的介电层。若要使该处的电场强度达到雪崩阈值，就需要加大器件两端的电压，这便使该结构器件具有过高的雪崩阈值电压。虽然该结构探测器在雪崩倍增后具有较高的响应度，然而由于其工作电压较高，因此不能称其具有真正意义上的高灵敏度。
[0004]为了实现真正意义上的高性能ZnO紫外雪崩探测器，需要对Au/Mg0/Zn0/Mg0/Au结构雪崩器件进行优化:为了降低器件的雪崩阈值电压，用Au/Mg0/Zn0/Al单肖特基结构替换之前所使用的Au/MgO/ZnO/MgO/Au双肖特基结构，这样便可降低器件整体电阻，使得电场更加集中于反向偏置的介电层，促使该处的雪崩效应更容易实现，进而达到了降低器件雪崩阈值电压的目的。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术Au/Mg0/Zn0/Mg0/Au双肖特基结构的ZnO紫外雪崩探测器，存在着雪崩阈值电压过高的缺点。本发明目的在于提出一种采用单肖特基结构的氧化锌紫外雪崩探测器，以ZnO薄膜作为紫外光的吸收层，以MgO介电薄膜作为载流子雪崩倍增层，设计Au/Mg0/Zn0/Al肖特基结构。该结构为单肖特基结构，其肖特基势皇存在于Au/Mg0/Zn0—侧，金属Al与ZnO材料为欧姆接触。
[0006]进一步地，本发明是利用磁控溅射在蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜，然后再利用磁控溅射在ZnO薄膜上沉积MgO介电层，接着利用真空镀膜机分别在ZnO薄膜和MgO介电层上蒸镀铝电极和金电极，这样便形成了 Au/MgO/ZnO/Al结构。
[0007]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肖特基势皇会发生反向偏置，由于MgO层的介电性质，绝大部分偏压将会降落在MgO层。当紫外光照射到该结构上时，如果光的能量大于或等于ZnO材料禁带宽度，ZnO薄膜将会吸收入射光子产生光生的电子空穴对。这些载流子在电场作用下分开并向各自对应的电极运动，即电子向正极(铝电极)运动，空穴向负极(金电极)运动。随着外加偏压的增加，当MgO介电层中的电场强度达到雪崩阈值时，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强烈的碰撞，产生大量的电子空穴对，这些新产生的载流子又会在高电场中获得较高的动能，继续与MgO晶格发生碰撞离化，再产生更多的电子空穴对。这样的连锁反应继续下去，最终将使器件内载流子产生雪崩倍增效应，这样便在Au/MgO/ZnO/Al结构中实现ZnO紫外雪崩探测器。
[0008]本发明通过下述具体步骤制备:
[0009]步骤1.Zn0薄膜的制备
[0010]ZnO薄膜在设计的结构中作为紫外光的吸收层。在本发明中，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°C，生长时间为2小时，腔体内压强为2Pa JnO薄膜厚度约为500nmo
[0011]步骤2.MgO介电薄膜的制备
[0012]MgO介电薄膜在设计的结构中作为载流子的雪崩倍增层。在本发明中，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°C，生长时间为2小时，设备腔体内压强为SPa13MgO薄膜厚度约为60nm。
[0013]步骤3.构建Au/MgO/ZnO/Al结构的ZnO紫外雪崩探测器
[0014]在已制备ZnO薄膜和MgO介电层基础上，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。在制备铝电极时，将带有矩形条状空隙(长度为5mm，宽度为2mm)的薄铜片(厚度为0.5mm)覆盖在整块样品表面，将铜片的矩形条状空隙置放在ZnO薄膜表面，这样便只在ZnO薄膜表面蒸镀上铝电极。在制备金电极时，将带有矩形条状空隙的薄铜片覆盖在整块样品表面，将铜片的矩形条状空隙置放在MgO薄膜表面，这样便只在MgO薄膜表面蒸镀上金电极。制备铝电极和金电极所使用的原材料为高纯铝粒(0.08g)和金粒(0.1g)，设备所使用的蒸镀舟为钨舟，蒸镀时工作电流为5A，腔体内压强为2 X 10—3Pa，蒸镀时间为I分钟。金电极和铝电极的厚度约为10nm，长度为5mm，宽度为2mm，电极间距为
0.5mm，这样便形成了 Au/Mg0/Zn0/Al结构。
[0015]本发明的有益效果及特点:本发明所设计的器件结构由于具有单肖特基势皇，因此外加电场能够更加集中于反向偏置的介电层，促使该处的雪崩效应更容易实现。本发明与已报道的氧化锌紫外雪崩探测器相比，具有低雪崩阈值电压的优点，进而将达到降低器件雪崩阈值电压的目的。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的结构示意图。
[0017]图2是Au/MgO/ZnO/Al结构ZnO紫外雪崩探测器在无光照条件下的伏安特性曲线。为了研究器件雪崩阈值电压，通常是在无光照的条件下测试器件的伏安特性曲线。图中器件电流