专利名称：MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，尤其是采用 MgZnO合金薄膜作为半导体层，构成了金属一半导体一金属MSM结构的光电 导探测器原型器件的方法。
背景技术：
紫外探测器被广泛的应用于天文学、燃烧工程、水净化处理、火焰探测、 生物效应、天际通信以及环境污染监测等领域。紫外探测技术的关键是研制高 灵敏度、低噪声的紫外探测器。目前，己投入商用的紫外探测器，主要有紫外 真空二极管、紫外光电倍增管、紫外增强器、紫外摄像管和固体紫外探测器等， 其中常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极管。硅基紫外光电管需要附带滤 光片，光电倍增管则需要在高电压下工作，而且体积笨重、效率低、易损坏且 成本较高，对于实际应用有一定的局限性。因此，人们开始关注宽带隙半导体 紫外探测器。在过去十年中，为了避免使用昂贵的滤光器，实现紫外探测器在 太阳盲区下(200 300nm)工作，SiC、金刚石薄膜、GaN基和ZnO基等宽带隙半 导体紫外探测器，已引起研究人员的广泛重视。随着ZnO基量子阱材料制备工艺 的成熟，已使得生长晶格匹配的量子阱结构成为可能，且如果在ZnO基材料中掺 入Mg、 Zn、 Cd，可使其禁带宽度横跨盲阳紫外区和可见光区。 '
利用MgZnO合金薄膜作为半导体层，利用真空蒸发方法在薄膜上镀制的Al 叉指状电极，制备出金属一半导体一金属(MSM)结构的光电导探测器原型器 j牛(Averin S V等人(Averin S V ,Sachot R. High2speed MSM2photodetectors. 13t h Int Crimean onference， Microwave & Telecommunication Technology, 2003， 9 :190)曾对这禾中
3MSM结构进行电磁场模拟，结果显示电场强度主要集中在材料表面附近，电场 强度的有效渗透深度很低)。由于玻璃衬底和MgZnO薄膜之间较大的晶格失配 及热膨胀系数的差异，常会导執薄膜成三维岛状生长，影响薄膜的晶体质量， 而且晶格失配还常会在沉积的MgZnO薄膜中引入应力，这种应力及应力弛豫都 会对半导体的性能产生较大的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种可显著改善所沉积薄膜的晶体质量的MgZnO基 光电导型紫外探测器的制作方法。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的 一种MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括下述步
骤
步骤一对玻璃基底进行清洗；
步骤二在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为200—800nm的 MgZnO合金薄膜层；
步骤三在常压下，于空气中对溅射MgZnO合金薄膜层的玻璃基底进行 退火处理；退火温度为250°C-450。C，退火时间2h;
步骤四利用真空蒸发方法在退火后的MgZnO合金薄膜上镀100-300nm 的A1叉指状电极。
所述步骤一中对玻璃基底进行清洗，清洗液采用浓硫酸和双氧水，以体积 百分比7: 3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精和去 离子水各超声清洗15—30min。所述步骤二中的溅射工艺参数为溅射功率为 300W，本底真空为1.4X1(T Pa，溅射压强为0. 5—1 Pa。
本发明通过对玻璃衬底表面进行预处理，采用溅射工艺实现MgZnO合金薄 膜的生长；对镀制好的MgZnO合金薄膜进行空气中不同温度下的退火处理以释放其应力，改善了所沉积薄膜的晶体质量。从不同温度下退火处理的MgZnO薄 膜原子力显微镜照片可看出，随着退火温度的增加，薄膜表面变得平滑，并且 平均粒径变大，退火处理使表面原子发生迁移，从而改善了薄膜的表面粗糙度。 薄膜的厚度约为200—800nm。
对不同条件下制备的器件用中心波长为264rnn的紫外灯在距离15on处照射 下进行I-V特性测量，各个器件的I-V特性曲线显示，在-20V 20V的周期电压范 围内恒定紫外光照下，各器件总体呈现暗电流和光照电流均随外加偏压呈线性 增长，这说明所制备的探测器电极接触大部分是良好的欧姆接触。暗电流很小， 光照电流与暗电流差别较大，这说明本发明制备的探测器具有良好的响应特性。 由于选用的光源波段属于紫外，器件良好的I一V特性也说明MgZnO基探测器对 紫外波段响应明显。
图1为本发明的紫外探测器的交叉指状电极模板结构示意图； 图2为本发明实施例1的MgZnO合金薄膜经过250。C退火处理后的二维原 子力显微镜图3为本发明实施例1的MgZnO合金薄膜经过250。C退火处理后的三维原 子力显微镜图4为本发明实施例2的MgZnO合金薄膜经过350°C退火处理后的二维原 子力显微镜图5为本发明实施例2的MgZnO合金薄膜经过350。C退火处理后的三维原 子力显微镜图6为本发明实施例3的MgZnO合金薄膜经过450。C退火处理后的二维原 子力显微镜图7为本发明实施例3的MgZnO合金薄膜经过450。C退火处理后的三维原子力显微镜图8为本发明实施例1的MgZnO合金薄膜经过250°C退火处理后，紫外光 照射前后的I-V特性曲线；
图9为本发明实施例2的MgZnO合金薄膜经过350°C退火处理后，紫外光 照射前后的I-V特性曲线；
图10为本发明实施例3的MgZnO合金薄膜经过450°C退火处理后，紫外 光照射前后的I-V特性曲线。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明
实施例l
本发明制备的金属一半导体一金属(MSM)结构的光电导探测器原型器件， 其如图1所示，具体制备步骤如下
1.1对普通玻璃衬底进行清洗，清洗液使用的是浓硫酸和双氧水，它们以
体积百分比7: 3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精
和去离子水各超声清洗15—30min。
1. 2在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为200mn的MgZnO 合金薄膜层，溅射功率为300W,本底真空为1. 4X 10—3 Pa，溅射压强为0. 5 Pa。
1.3在常压下，于空气中进行退火处理，退火温度为250。C、 2h。 1.4利用真空蒸发方法在薄膜上镀厚约200nm的Al叉指状电极。 实施例2
2.1对普通玻璃衬底进行清洗，清洗液使用的是浓硫酸和双氧水，它们以 体积百分比7: 3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精 和去离子水各超声清洗15—30min。
2. 2在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为500nm的MgZnO
6合金薄膜层，溅射功率为300W，本底真空为1.4X10—3Pa，溅射压强为0.8Pa。 2.3在常压下，于空气中进行退火处理，退火温度为350。C、 2h。 2.4利用真空蒸发方法在薄膜上镀厚约300nm的Al叉指状电极。
实施例3
3.1对普通玻璃衬底进行清洗，清洗液使用的是浓硫酸和双氧水，它们以 体积百分比7: 3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒精 和去离子水各超声清洗15—30min。
3. 2在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为800nm的MgZnO 合金薄膜层，溅射功率为300W，本底真空为1.4X10—3 Pa，溅射压强为1 Pa。
3.3在常压下，于空气中进行退火处理，退火温度为450。C、 2h。
3.4利用真空蒸发方法在薄膜上镀厚约100nm的Al叉指状电极。 由晶体生长原理可知，晶体薄膜的生长过程包括原子在表面的输运、晶体 的成核及长大过程。原子在衬底上的吸附、输运、成核及晶粒长大所需的能量 除了部分来自辉光放电产生的低温等离子体外，还有一部分能量是退火温度提 供的。当样品没有加衬底温度时，原子获得的能量比较低，其扩散长度比较短， 不易扩散到合适的成核位置，很容易就近成核，此时往往以Volmer-Weber(V-W) 模式生长，即通常所说的三维岛状模式生长，所制备的薄膜易成为无任何择优 取向的多晶体甚至是非晶体，晶体质量较差。样品经过退火的后处理过程后， 扩散的原子可以获得足够的能量以迁移至适合的成核位置，晶体此时的生长方 式容易实现Frank-Vander Merwe ( F-M)即二维层状模式生长，从而晶体质量得到 改善，在合适的生长条件下，甚至能够得到晶体质量完好的单晶薄膜。按照本发 明所述的方法制造的MgZnO合金薄膜紫外探测器，由于玻璃衬底和MgZnO薄 膜之间较大的晶格失配及热膨胀系数的差异，常会导致薄膜成三维岛状生长， 从而影响薄膜的晶体质量，而且晶格失配还常会在沉积的MgZnO薄膜中引入应 力，这种应力及应力弛豫都会对半导体的性能产生极大的影响，为了改善所沉积薄膜的晶体质量，我们对薄膜进行了退火处理。在空气中不同退火温度下退
火的MgZnO薄膜的原子力显微镜照片，所选区域为5pmx5pm。由图中可以看出 随着退火温度的增加，薄膜表面变得平滑，并且平均粒径变大，退火处理使表 面原子发生迁移，从而改善了薄膜的表面粗糙度。薄膜的厚度约为200—800nm。 在上述制备薄膜过程中，我们利用原子力显微镜对样品进行了观察，其结 果如附图所示，其中图2、图3为经过250。C退火处理的MgZnO合金薄膜，图4、 图5为经过350。C退火处理的MgZnO合金薄膜，图6、图7为经过450。C退火处理的 MgZnO合金薄膜。结果显示随着退火温度的增加，薄膜表面变得平滑，并且平 均粒径变大，退火处理使表面原子发生迁移，从而改善了薄膜的表面粗糙度， 获得原子级平整的表面，满足制作高性能光电子器件的要求。图8，图9，图IO 所示为各实施例MgZnO基光电导型紫外探测器件的I-V特性曲线。不同条件下制 备的器件，其I-V特性曲线是利用中心波长为264rnn的紫外灯在距离15cm处照射下 得到的，其中图8为MgZnO合金薄膜经过250。C退火处理后，紫外光照射前后的 I-V特性曲线，图9为MgZnO合金薄膜经过350。C退火处理后，紫外光照射前后的 I-V特性曲线，图10为MgZnO合金薄膜经过450。C退火处理后，紫外光照射前后 的I-V特性曲线。通过对MgZnO基MSM结构光电导探测器原型器件的I-V特性曲 线测试分析，在-20V 20V的周期电压范围内恒定紫外光照下，各光电导探测 器件总体呈现暗电流和光照电流均随外加偏压呈线性增长，这说明所制备的探 测器电极接触大部分是良好的欧姆接触。从图中我们还可以看到在无光照时暗 电流很小，而较小的暗电流有利于改善探测器的信噪比，提高探测器的性能； 光照电流与暗电流差别较大，表明我们制备的探测器具有良好的响应特性。由 于选用的光源波段属于紫外，器件良好的I一V特性也说明我们制备的MgZnO基 光电导探测器对紫外波段响应明显。
8
权利要求
1. 一种MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括下述步骤步骤一对玻璃基底进行清洗；步骤二在无基底温度的情况下，在玻璃基底上溅射厚度为200—800nm的MgZnO合金薄膜层；步骤三在常压下，于空气中对溅射MgZnO合金薄膜层的玻璃基底进行退火处理；退火温度为250℃-450℃，退火时间2h；步骤四利用真空蒸发方法在退火后的MgZnO合金薄膜上镀100--300nm的A1叉指状电极。
2. 根据权利要求l所述的MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，其 特征在于，所述步骤一中对玻璃基底进行清洗，清洗液采用浓硫酸和双氧水， 以体积百分比7: 3的比例混合后煮沸，然后用去离子水冲洗，再使用丙酮、酒 精和去离子水各超声清洗15—30min。
3. 根据权利要求l所述的MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，其 特征在于，所述步骤二中的溅射工艺参数为溅射功率为300W，本底真空为 1.4X10—3 Pa,溅射压强为0.5—1 Pa。
全文摘要
本发明涉及一种MgZnO基光电导型紫外探测器的制作方法，包括对玻璃基底进行清洗，在无基底温度的情况下在玻璃基底上溅射MgZnO合金薄膜层；在常压下，于空气中对溅射MgZnO合金薄膜层的玻璃基底进行退火处理；利用真空蒸发方法在薄膜上镀厚Al叉指状电极。本发明制备的MSM结构的MgZnO合金薄膜基光电导探测器原型器件，改善了所沉积薄膜的晶体质量，探测器暗电流小，光照电流与暗电流差别较大，具有良好的响应特性。
文档编号H01L31/18GK101425553SQ200810231659
公开日2009年5月6日 申请日期2008年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者莉 赵 申请人:彩虹集团公司