基于二氧化钛/钛酸锶异质结的紫外光探测器及制备方法
【专利摘要】本发明公开了基于二氧化钛/钛酸锶异质结的紫外光探测器，紫外光探测器从下到上依次包括超薄硅片衬底、采用溶胶凝胶法在硅片衬底上生长的纳米SrTiO3薄膜与纳米ZnO薄膜构成的ZnO/SrTiO3异质结有源层、在ZnO/SrTiO3异质结有源层上用磁控溅射法制备的Au叉指电极；待探测的紫外光从金属叉指电极的上方入射。相应地，本发明还提供了基于二氧化钛/钛酸锶异质结的紫外光探测器的制备方法。本发明制备的ZnO/SrTiO3异质结金属?半导体?金属紫外光探测器具有制备方法简单，成本低廉，有望大规模生产的特点，对波长250nm?350nm的紫外线具有良好的检测性能。
【专利说明】
基于二氧化钛/钛酸锶异质结的紫外光探测器及制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电器件领域，具体涉及一种以超薄硅片为衬底、以纳米ZnO/SrTi03( 二氧化钛/钛酸锶)异质结有源层为基体材料、以Au为金属叉指电极的高性能紫外光探测器及其制备方法。
【背景技术】
宽禁带半导体基紫外光探测器由于体积小、效率高、成本低、功耗低等优点，在军事、民用、航天、环保、防火等领域具有重要的应用价值，是近年来光电探测领域的研究热点之一。
用于紫外光探测器的半导体材料有很多，目前主要集中在SiC、Ti02和GaN等材料中。但是用以上材料制备紫外光电探测器，不仅制备工艺难度大，生产成本高，对加工条件和设备的要求也很苛刻。ZnO作为一种宽禁带半导体材料，其价格低廉，具有非常好的耐候性、物理和化学稳定性、良好的光电特性，因此在紫外光探测方面具有明显的优势，但是ZnO基紫外探测器的响应恢复时间较长，且暗电流大。
近几年，由于良好的光电性能，钙钛矿材料逐渐被用于光电器件的研制。作为钙钛矿材料的一种，SrT13的物理化学性质稳定，并且在可见盲区显现出了优异的光电特性，因此被作为制作可见盲型紫外探测器的基体材料，但是SrT13基紫外探测器的响应度很低，有较大的提升空间。
[0005]Zn0/SrTi03异质结有源层综合了ZnO和SrT13两种材料的优点，降低了器件的响应时间及暗电流，提高了器件的响应度，相对于独立的ZnO基探测器与SrT13基探测器，器件性能得到显著提高。因此，Zn0/SrTi03异质结在紫外探测器制作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基于Zn0/SrTi03异质结有源层的紫外光探测器及该探测器的制备方法。
本发明采用超薄硅片作为衬底，以Zn0/SrTi03异质结有源层作基体材料制备紫外光探测器，不但摆脱了宽禁带半导体紫外光探测器缺乏合适衬底的困境，还可以有效利用两种材料的优势。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。
本发明的紫外光探测器从下到上依次包括超薄硅片衬底、采用溶胶凝胶法在硅片衬底上生长的纳米SrTi03薄膜与纳米ZnO薄膜构成的ZnO/SrTi03异质结有源层、在ZnO/SrTi03异质结有源层上用磁控溅射法制备的Au叉指电极;待探测的紫外光从金属叉指电极的上方入射。其中超薄硅片衬底的厚度为0.5?2mm，纳米ZnO薄膜的厚度为10?50nm，纳米SrT13薄膜的厚度为100?200nm，金属叉指电极的指间距、指宽度、厚度分别为5?30μηι、5?30μηι、50?150nmo
本发明所述的基于Zn0/SrTi03异质结有源层的金属-半导体-金属结构紫外光探测器的制备步骤如下:
(一)纳米ZnO溶胶的制备
采用溶胶-凝胶法制备纳米ZnO溶胶:室温条件下，将5?1mL硫酸锌加入到50?10mL无水乙醇中，搅拌20?40分钟后，滴加入5?I OmL冰醋酸作为催化剂，使硫酸锌和乙醇形成易水解酯，再经过30?90分钟的搅拌，得到均匀透明的淡白色溶液;然后缓慢加入5?1mL乙酰丙酮以抑制酯类水解，此时溶液颜色变深，继续搅拌I?2小时;最后将5?1mL去离子水以0.5?lmL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌I?2小时，得到均匀透明的白色溶胶，将其放置陈化4?6小时，得到纳米ZnO溶胶。
(二)纳米SrT i 03溶胶的制备
采用溶胶-凝胶法制备纳米SrT13溶胶:室温条件下，将0.2?0.4g醋酸锶溶解于3?6mL醋酸中，搅拌均匀后，滴加0.3?0.6mL钛酸四丁酯，搅拌30?90分钟，得到白色均匀溶液，最后将10?20mL乙醇作为溶剂加入到上述溶液中，继续搅拌I?2个小时，得到均匀透明的溶胶，将其放置陈化4?6小时，得到纳米SrT13溶胶。
(三)衬底的处理
首先分别用丙酮、乙醇棉球擦硅片至干净，再将硅片衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5?10分钟，最后用氮气吹干备用；
(四)ZnO/SrT13异质结有源层的制备
采用旋涂的方法将陈化的纳米SrT13溶胶旋涂在处理后的硅片衬底上形成薄膜，旋涂速度为2500?3500转/分钟；100?120°C下烘干10?30分钟，然后将薄膜放入马弗炉中于550?700 °C烧结2?4小时，自然冷却至室温;重复旋涂与烧结过程3?5次，从而在硅片上制备得到100?200nm厚的纳米SrTi03薄膜；
采用同样的旋涂方法将陈化的纳米ZnO溶胶旋涂在上述纳米SrT13薄膜上，经相同温度烧结;再重复纳米ZnO溶胶的旋涂与烧结过程I?3次;从而在SrT13纳米薄膜上得到厚度为10?50nm的纳米ZnO薄膜，由此得到Zn0/SrTi03异质结有源层；
(五)制备Au叉指电极
在制备好的Zn0/SrTi03异质结有源层上采用标准光刻工艺制备叉指电极:在有源层上旋涂一层厚度为I?2μπι的光刻胶(正胶BP212，转速为2500-3500转/分钟)，70?90°C条件下前烘10?30分钟；在光刻机上采用与金属叉指电极图形互补的掩模板曝光光刻胶40?50秒，经过10?15秒的显影(显影液由上述正型光刻胶显影液与去离子水按体积比2:1配成)，最后在120?130°C下坚膜5?20分钟，从而在Zn0/SrTi03异质结有源层上得到所需要的光刻胶叉指电极图形；
采用磁控溅射技术制备金属电极，将光刻后表面有光刻胶叉指电极图形的硅片衬底置于真空室中，抽真空至2.0 X 10—3?4.0 X 10—3Pa ；然后通Ar气，溅射气压为0.4?1.0Pa，溅射功率为50?100W，溅射时间5?20分钟，溅射靶材为Au靶;最后将硅片衬底置于丙酮中超声5?30秒，未被曝光的光刻胶及覆盖其上的金属即被剥离，将器件用去离子水冲洗后吹干，从而制备得到基于Zn0/SrTi03异质结的金属-半导体-金属平面结构紫外光探测器，叉指电极的指间距、指宽度、厚度分别为5?30μηι、5?30μηι、厚度为50?150nm。
为了进行器件性能的对比，我们采用同样的方法以硅片为衬底制备了 ZnO基与SrT13基紫外探测器。 本发明制备的Zn0/SrTi03异质结金属-半导体-金属紫外光探测器具有制备方法简单，成本低廉，有望大规模生产的特点，对波长250nm-350nm的紫外线具有良好的检测性能。
【附图说明】
图1为本发明的器件的结构示意图；
如图1所示，紫外光直接照射在Zn0/SrTi03异质结有源层上，产生光电流;各部件名称为:1-娃片，2-金属叉指电极，4-纳米SrTi03薄膜，3-纳米ZnO薄膜。
【具体实施方式】
实施例1:
采用溶胶凝胶技术制备ZnO薄膜，室温下分别将1mL硫酸锌加到10mL无水乙醇中，再滴加入1mL冰醋酸作为催化剂，经过60分钟的搅拌，得到均匀透明的淡白色溶液;缓慢加入1mL乙酰丙酮以抑制水解，溶液颜色变深，继续搅拌I小时;最后将1mL去离子水以lmL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌2小时，得到均匀透明的淡白色溶胶，将其放置陈化6小时。
采用溶胶凝胶技术制备SrT13纳米薄膜，常温下将0.25g醋酸锶溶解于5mL醋酸中，搅拌均匀后，滴加0.4mL钛酸四丁酯，搅拌30分钟，得到白色均匀溶液，最后将1mL乙醇作为溶剂加入上述溶液中，继续搅拌I个小时，得到均匀透明的溶胶，将其放置陈化6小时。
采用旋涂法将陈化的SrT13溶胶旋涂在清洗后的硅片衬底上，旋涂速度为3000转/分钟，然后在烘箱中120 °C烘干10分钟，旋涂次数为5次，之后将薄膜放入马弗炉中烧结2h，烧结温度为700°C，自然降温冷却，得到膜厚为150nm的SrT13薄膜;然后将ZnO溶胶以同样的方法旋涂在SrT13薄膜上，旋涂次数为I次，经过相同温度煅烧后，ZnO薄膜厚度为20nm，由此得到Zn0/SrTi03异质结有源层薄膜。
采用标准光刻工艺在制备好的异质结薄膜上制备叉指电极:在薄膜上旋涂一层光刻胶(正胶BP212，转速为3200转/分钟)，80°C条件下前烘20分钟;在光刻机上利用与金属叉指电极图形互补的掩模板(指间距与指宽均为20μπι，器件有效面积为0.38mm2)对光刻胶进行曝光，时间为45秒，再经过10秒的显影(显影液由上述正型光刻胶显影液与去离子水按体积比2:1配成)，最后在120°C下坚膜5分钟，得到所需要的电极图形。
采用磁控溅射技术制备金属电极，将光刻后表面有叉指电极图形的硅片衬底置于真空室中，抽真空至4.0 X 10—3Pa;然后通Ar气，溅射气压为0.5Pa，溅射功率为80W，溅射时间5分钟，溅射靶为Au靶，得到的金属薄膜的厚度为150nm，最后将硅片衬底置于丙酮中超声10秒，未被曝光的光刻胶及覆盖其上的Au即被剥离，将器件用去离子水冲洗后吹干，得到ZnO/SrT13异质结金属-半导体-金属平面结构紫外光探测器，其结构如图1所示。
实施例2:
采用溶胶凝胶技术制备ZnO薄膜，室温下分别将1mL硫酸锌加到10mL无水乙醇中，再滴加入1mL冰醋酸作为催化剂，经过60分钟的搅拌，得到均匀透明的淡白色溶液;缓慢加入1mL乙酰丙酮以抑制水解，溶液颜色变深，继续搅拌I小时;最后将1mL去离子水以lmL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌2小时，得到均匀透明的淡白色溶胶，将其放置陈化6小时。 采用溶胶凝胶技术制备SrT13纳米薄膜，常温下将0.25g醋酸锶溶解于5mL醋酸中，搅拌均匀后，滴加0.4mL钛酸四丁酯，搅拌30分钟，得到白色均匀溶液，最后将1mL乙醇作为溶剂加入上述溶液中，继续搅拌I个小时，得到均匀透明的溶胶，将其放置陈化6小时。
采用旋涂法将陈化的SrT13溶胶旋涂在清洗后的硅片衬底上，旋涂速度为3000转/分钟，然后在烘箱中120 °C烘干10分钟，旋涂次数为5次，之后将薄膜放入马弗炉中烧结2h，烧结温度为700°C，自然降温冷却，得到膜厚为150nm的SrT13薄膜;然后将ZnO溶胶以同样的方法旋涂在SrT13薄膜上，旋涂次数为2次，经过相同温度煅烧后，ZnO薄膜厚度为35nm，由此得到Zn0/SrTi03异质结有源层薄膜。
采用标准光刻工艺在制备好的异质结薄膜上制备叉指电极:在薄膜上旋涂一层光刻胶(正胶BP212，转速为3200转/分钟)，80°C条件下前烘20分钟;在光刻机上利用与金属叉指电极图形互补的掩模板(指间距与指宽均为20μπι，器件有效面积为0.38mm2)对光刻胶进行曝光，时间为45秒，再经过10秒的显影(显影液由上述正型光刻胶显影液与去离子水按体积比2:1配成)，最后在120°C下坚膜5分钟，得到所需要的电极图形。
采用磁控溅射技术制备金属电极，将光刻后表面有叉指电极图形的硅片衬底置于真空室中，抽真空至4.0 X 10—3Pa;然后通Ar气，溅射气压为0.5Pa，溅射功率为80W，溅射时间5分钟，溅射靶为Au靶，得到的金属薄膜的厚度为150nm，最后将硅片衬底置于丙酮中超声10秒，未被曝光的光刻胶及覆盖其上的Au即被剥离，将器件用去离子水冲洗后吹干，得到ZnO/SrT13异质结金属-半导体-金属平面结构紫外光探测器，其结构如图1所示。
实施例3:
采用溶胶凝胶技术制备ZnO薄膜，室温下分别将1mL硫酸锌加到10mL无水乙醇中，再滴加入1mL冰醋酸作为催化剂，经过60分钟的搅拌，得到均匀透明的淡白色溶液;缓慢加入1mL乙酰丙酮以抑制水解，溶液颜色变深，继续搅拌I小时;最后将1mL去离子水以lmL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌2小时，得到均匀透明的淡白色溶胶，将其放置陈化6小时。
采用溶胶凝胶技术制备SrT13纳米薄膜，常温下将0.25g醋酸锶溶解于5mL醋酸中，搅拌均匀后，滴加0.4mL钛酸四丁酯，搅拌30分钟，得到白色均匀溶液，最后将1mL乙醇作为溶剂加入上述溶液中，继续搅拌I个小时，得到均匀透明的溶胶，将其放置陈化6小时。
采用旋涂法将陈化的SrT13溶胶旋涂在清洗后的硅片衬底上，旋涂速度为3000转/分钟，然后在烘箱中120 °C烘干10分钟，旋涂次数为5次，之后将薄膜放入马弗炉中烧结2h，烧结温度为700°C，自然降温冷却，得到膜厚为150nm的SrT13薄膜;然后将ZnO溶胶以同样的方法旋涂在SrT13薄膜上，旋涂次数为3次，经过相同温度煅烧后，ZnO薄膜厚度为50nm，由此得到Zn0/SrTi03异质结有源层薄膜。
采用标准光刻工艺在制备好的异质结薄膜上制备叉指电极:在薄膜上旋涂一层光刻胶(正胶BP212，转速为3200转/分钟)，80°C条件下前烘20分钟;在光刻机上利用与金属叉指电极图形互补的掩模板(指间距与指宽均为20μπι，器件有效面积为0.38mm2)对光刻胶进行曝光，时间为45秒，再经过10秒的显影(显影液由上述正型光刻胶显影液与去离子水按体积比2:1配成)，最后在120°C下坚膜5分钟，得到所需要的电极图形。
采用磁控溅射技术制备金属电极，将光刻后表面有叉指电极图形的硅片衬底置于真空室中，抽真空至4.0 X 10—3Pa;然后通Ar气，溅射气压为0.5Pa，溅射功率为80W，溅射时间5分钟，派射革E为Au革E，得到金属薄膜的厚度为150nm，最后将娃片衬底置于丙酮中超声10秒，未被曝光的光刻胶及覆盖其上的Au即被剥离，将器件用去离子水冲洗后吹干，得到ZnO/SrT13异质结金属-半导体-金属平面结构紫外光探测器，其结构如图1所示。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于Zn0/SrTi03异质结有源层的紫外光探测器，其特征在于:从下到上依次包括超薄娃片衬底、采用溶胶凝胶法在娃片衬底上生长的纳米SrTi03薄膜与纳米ZnO薄膜构成的Zn0/SrTi03异质结有源层、在Zn0/SrTi03异质结有源层上用磁控溅射法制备的Au叉指电极，待探测的紫外光(I)从金属叉指电极的上方入射。2.如权利要求1所述的一种基于Zn0/SrTi03异质结有源层的紫外光探测器，其特征在于:硅片衬底的厚度为0.5?2mm，纳米SrT13薄膜的厚度为100?200nm，纳米ZnO薄膜的厚度为10?50nm;金属叉指电极的指间距、指宽度、厚度分别为5?30μηι、5?30μηι、0.05?0.15μ??ο3.权利要求2所述的基于Zn0/SrTi03异质结有源层的紫外光探测器的制备方法，其步骤如下: (1)采用溶胶-凝胶法制备纳米ZnO溶胶和纳米SrT13溶胶； (2)衬底的处理 分别用丙酮、乙醇棉球擦拭硅片至干净，再将硅片依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5?10分钟，最后用氮气吹干； (3)ZnO/ Sr T i 03异质结有源层的制备 采用旋涂的方法将陈化后的纳米SrT13溶胶旋涂在处理后的硅片上形成薄膜，旋涂速度为2500?3500转/分钟，之后将薄膜在100?120°C下烘干10?30分钟，再放入马弗炉中于.550?700°C下烧结2?4小时后自然冷却至室温;重复上述旋涂与烧结过程3?5次，从而在娃片衬底上制备得到100?200nm厚的纳米SrTi03薄膜； 然后采用同样的旋涂方法将陈化后的纳米ZnO溶胶旋涂在SrTi03薄膜上，经过相同温度烧结;再重复纳米ZnO溶胶的旋涂与烧结过程I?3次，从而在SrT13纳米薄膜上得到厚度为10?50nm的纳米ZnO薄膜，由此得到Zn0/SrTi03异质结有源层； (4)制备Au金属叉指电极 在Zn0/SrTi03异质结有源层上旋涂一层厚度为I?2μπι的正型光刻胶，70?90°C条件下前烘10?30分钟;然后在光刻机上，将与叉指电极结构互补的掩膜板与旋涂的光刻胶层紧密接触，曝光光刻胶40?50秒，经过10?15秒的显影，最后在120?130 °C下坚膜5?20分钟，从而在Zn0/SrTi03异质结有源层上得到所需要的光刻胶叉指电极图形； 然后再将表面有光刻胶叉指电极图形的硅片衬底置于真空室中，抽真空至2.0 X 10-3?4.0 X 10-3Pa ；然后通Ar气，溅射气压为0.4?1.0Pa，溅射功率为50?100W，溅射时间5?.20分钟，派射革E为Au革E ；最后将娃片衬底置于丙酮中超声5?30秒，未被曝光的光刻胶及覆盖其上的金属即被剥离，再将器件用去离子水冲洗后吹干，从而制备得到基于Zn0/SrTi03异质结的金属-半导体-金属平面结构紫外光探测器，其中金属叉指电极的指间距、指宽度、厚度分别为 5?30μηι、5?30μηι、0.05 ?0.15ym。4.如权利要求3所述的基于Zn0/SrTi03异质结有源层的紫外光探测器的制备方法，其特征在于:步骤(I)中所述的采用溶胶-凝胶法制备纳米ZnO溶胶是在室温条件下，将5?1mL的硫酸锌加入到50?10mL无水乙醇中，搅拌20?40分钟后，滴加入5?1mL冰醋酸作为催化剂，再经过30?90分钟的搅拌，得到均匀透明的淡白色溶液;然后缓慢加入5?1mL乙酰丙酮以抑制酯类水解，此时溶液颜色变深，继续搅拌I?2小时;最后将5?1mL去离子水以.0.5?lmL/min的速率缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌I?2小时，得到均匀透明的白色溶胶，再将其放置陈化4?6小时，得到纳米ZnO溶胶。5.如权利要求3所述的基于Zn0/SrTi03异质结有源层的紫外光探测器的制备方法，其特征在于:步骤(I)中所述的采用溶胶-凝胶法制备纳米SrT13溶胶是在室温条件下，将0.2?.0.4g醋酸锁溶解于3?6mL醋酸中，搅拌均勾后，滴加0.3?0.6mL钛酸四丁酯，搅拌30?90分钟，得到白色均匀溶液，最后将10?20mL乙醇作为溶剂加入上述溶液中，继续搅拌I?2个小时，得到均匀透明的溶胶，将其放置陈化4?6小时，得到纳米SrT13溶胶。
【文档编号】H01L31/109GK106057959SQ201610490292
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】兰建龙
【申请人】兰建龙