专利名称：一种异质pn结型日盲紫外探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种日盲紫外探测器，属于半导体光电探测技术领域。
背景技术：
近年来，紫外光探测器在 环境保护、紫外通讯、生物医学研究
以及天文学等领域的应用日益增长，新型高性能低成本紫外光探测器的研究 受到普遍关注。其中日盲型紫外探测器是国际上研究的热点。由于大气臭氧 层的强烈吸收，220nm-280nm波段的太阳辐射光无法到达地球表面，被称为 日盲区。因此，工作于这一波段的日盲型紫外探测器不受太阳辐射背景的干 扰，虚警率低，精确度高，在实际应用中具有极大优势。
与曰盲波段对应的材料禁带宽度为4.4eV-5.4eV，因此宽禁带半导体材料 GaN等成为最近十几年来紫外探测器研究的重点。但是GaN基材料存在组 分复杂、制备困难、难以与硅集成等问题。
锌铍镁氧薄膜作为一种新型宽禁带半导体光电材料，可在保持单一六方纤 锌矿结构的前提下，通过控制薄膜中锌、铍及镁的含量实现禁带宽度在 3.7~4.9eV之间连续可调。当其禁带宽度调节至4.4eV时，对应的光吸收截 止边约为280nm，有望用作日盲紫外探测器中的光电响应材料。
本发明拟提供一种日盲紫外探测器，采用锌铍镁氧薄膜与p-Si形成异质 pn结实现日盲区的光电转换。其优点在于不受太阳光背景干扰，成本低，无 需外加工作电压，结构简单且易于与Si集成。
发明内容
本发明的目的是提供一种异质pn结型日盲紫外探测器，工作波段为 220nm-280nm的日盲区。
本发明的异质pn结型日盲紫外探测器，其特征是自上而下依次由顶电极， 锌铍镁氧薄膜，p-Si衬底和底电极叠置而成。上述的锌铍镁氧薄膜作为光电响应材料，分子通式为Zni.x.yBexMgyO，其 中x、 y为摩尔分数，且(Kx〈1， 0<y<l， 0<x+y<l。该材料易于与Si集成， 具有优异的结晶性能，可在保持单一六方纤锌矿结构的前提下，通过调节薄 膜中Be和Mg的含量调节禁带宽度至4.4eV，从而控制探测器工作波段至日 盲区(220~280nm)。薄膜厚度大于lOOnm以保证光电响应量子效率。
上述的顶电极和底电极为金属(如Pt， Au， Ag， Al， Ti和Cu等)可与 锌铍镁氧薄膜，p-Si形成良好的欧姆接触，同时保护良好的透光性。或者为 透明导电化合物(如ITO或Al、 Ga和Ag中任一种掺杂的ZnO)，它们可与 锌铍镁氧薄膜及P-Si衬底形成良好的欧姆接触的同时保持良好的透光性。其 中，ITO为In掺杂的氧化铟。顶电极和底电极厚度分别为20 30nrn，当电 极厚度为20 30nm时，其电极层也为透明薄膜，具有良好的透光性。本发 明有限推荐的透明导电化合物为金属Al掺杂的ZnO。
本发明的异质pn结型日盲紫外探测器，其工作过程是锌铍镁氧薄膜与 p-Si形成异质pn结，入射光产生的电子-空穴对可在内建电场作用下分开， 导致载流子漂移出耗尽层形成外部电路电流，从而获得响应信号。
本发明的优点在于不受太阳光背景干扰，成本低，无需外加工作电压，结 构简单且易于与Si集成。有望在 环境保护、紫外通讯、生物医学
以及天文学等领域具有重要的应用前景。
图1是本发明的异质pn结型日盲紫外探测器的结构示意图。 图2是锌铍镁氧薄膜的X射线衍射图谱(XRD)。 图3是锌铍镁氧薄膜的光学透过谱。
图4是本发明的异质pn结型日盲紫外探测器的光电响应谱。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。 参照附图l，本发明的异质pn结型日盲紫外探测器，自上而下依次由顶 电极l，锌铍镁氧薄膜2， p-Si衬底3和底电极4叠置而成。
本实例中，锌铍镁氧薄膜采用脉冲激光沉积法制备，具体工艺步骤如下a) 衬底清洗采用p-Si〈0O衬底，用丙酮、乙醇、HF酸和去离子水标 准超声清洗，放入成膜室中。本底真空度为10'4Pa，保持衬底温度为60(TC。
b) 锌铍镁氧薄膜制备选择Zn。.7Be(uMg。.20陶瓷片作为靶材，在衬底上 获得锌铍镁氧薄膜。激光能量为200mJ，脉冲频率为5Hz，靶-衬底间距为6cm。
c) 顶电极制备采用孔洞直径O.l mm的掩膜板；采用高纯Ti靶，本底 真空下沉积厚度为5 nm的Ti;采用高纯Pt靶，本底真空下沉积厚度为20 nm 的Pt电极。
d) 底电极制备将Si衬底背面朝上放置；采用高纯Ti靶，本底真空下 沉积厚度为5 nm的Ti;采用高纯Pt靶，本底真空下沉积厚度为20 nm的 Pt电极。
X射线衍射(XRD)分析表明，上述方法制备的锌铍镁氧薄膜具有六方 纤锌矿结构，没有分相产生，结晶质量良好(参见图2)。由图3光学透过谱 所示，光吸收截止边为280nm波长，对应禁带宽度为4.4eV。
图4是本实施例的日盲紫外探测器的光电响应谱。从图可以看出，该探 测器仅在226 280nm波段范围具有显著的光电响应，表明这种探测器具有明 显的日盲特点。只要符合0〈x〈1， 0<y< 1且0〈x+y〈 1条件通过调节Be 和Mg的含量，调节禁带宽度的锌铍镁氧薄膜(厚度大于100nm)配以本发 明所提供的顶电极材料或底电极材料只要形成异质pn结型均具有如实施例l 相仿的日盲特点。
权利要求
1、一种异质pn结型日盲紫外探测器，其特征是自上而下依次由顶电极，锌铍镁氧薄膜，p-Si衬底和底电极叠置而成，所述的锌铍镁氧薄膜与p-Si构成异质pn结结构。
2、 按权利要求l所述的异质pn结型日育紫外线探测器，其特征在于所 述的锌铍镁氧薄膜的组成通式为Zni.x.yBexMgyO，其中x、 y为摩尔分数，且 0<x<l， 0<y<l， 0<x+y<l。
3、 按权利要求l或2所述的异质pn结型日盲紫外线探测器，其特征在 于所述的锌铍镁薄膜为单一的六方纤锌矿结构，通过调节薄膜中Be和Mg 的含量调节禁带宽度，从而控制探测器工作波段至220~280nm日盲区。
4、 按权利要求1-3中任一项所述的异质pn结型日盲紫外线探测器，其 特征在于所述的锌铍镁氧薄膜的厚度大于100nm。
5、 按权利要求l所述的异质pn结型日盲紫外线探测器，其特征在于所 述的顶电极和底电极为Pt， Au， Ag， Al， Ti或Cu;或者为透明导电化合物 ITO或Al、 Ga和Ag中任一种掺杂的ZnO，且与锌铍镁氧薄膜或p-Si衬底 形成欧姆接触。
6、 按权利要求l或5所述的异质pn结型日盲紫外线探测器，其特征在 于顶电极和底电极的厚度各为20 30nm。
7、 按权利要求5所述的异质pn结型日盲紫外线探测器，其特征在于所 述的顶电极为透明的Al掺杂的ZnO。
8、 权利要求l所述的异质pn结型日盲紫外线探测器的应用，其特征在 于应用在导弹预警、紫外通讯或生物医学。
全文摘要
本发明公开了一种异质pn结型日盲紫外探测器，其结构自上而下依次由顶电极，锌铍镁氧薄膜，p-Si衬底和底电极叠置而成。锌铍镁氧薄膜作为光电响应材料，其分子式为Zn<sub>1-x-y</sub>Be<sub>x</sub>Mg<sub>y</sub>O，式中x、y为摩尔分数，且0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1。可在保持单一六方纤锌矿结构的前提下，通过调节薄膜中Be和Mg的含量控制探测器工作波段至日盲区(220～280nm)。锌铍镁氧薄膜与p-Si形成异质pn结结构，入射光产生的电子-空穴对可在内建电场作用下分开，导致载流子漂移出耗尽层形成外部电路电流。本发明的优点在于不受太阳光背景干扰，成本低，无需外加工作电压，结构简单且易于与Si集成，在环境保护、紫外通讯、生物医学研究以及天文学等领域具有重要应用前景。
文档编号H01L31/103GK101533868SQ20091004882
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者张亦文, 逊 曹, 李效民, 长 杨, 高相东 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所