一種ZnO基p?i?n結構紫外探測器及其制備方法技術

本發明專利技術屬于光電探測器技術領域，具體涉及一種基于極化誘導空穴法的ZnO基p?i?n結構紫外探測器及其制備方法。本發明專利技術探測器包括襯底、緩沖層、n型ZnO層、i型ZnO絕緣層、p型Mg組份梯度線性漸變的MgZnO層以及在p、n型層上沉積的金屬接觸電極。在薄膜結構中，緩沖層起到釋放襯底與n型ZnO層之間應力的作用，n型ZnO層提供電子，i型ZnO絕緣層起到加寬耗盡層的作用，p型漸變Mg組份的MgZnO層則提供空穴。通過電極蒸鍍的方法在n型層上制作金屬負極，在p型層上制作金屬正極。本發明專利技術利用極化場誘導離化的空穴提供層：Mg組份梯度線性漸變的MgZnO層（摻N、P等），解決了ZnO材料p型摻雜困難的問題，該器件在紫外波段具有廣泛的應用前景。

A n ZnO based P I structure ultraviolet detector and its preparation method

The invention belongs to the technical field of photoelectric detector, in particular relates to a preparation method of n ZnO based P I structure UV detector polarization induced hole method and its system based on. The detector of the invention comprises a substrate, a buffer layer, a n type ZnO layer, a I type ZnO insulating layer, a p type Mg component, a linearly graded MgZnO layer and a metal contact electrode deposited on the P and N layers. In the film structure, the buffer layer between the release substrate and N type ZnO layer stress effect, N type ZnO layer provides electronic, I type ZnO insulating layer to widen the depletion layer, P MgZnO layer Mg gradient component provides a hole. The metal negative electrode is fabricated on the N layer by means of electrode evaporation, and the metal anode is fabricated on the P layer. The invention utilizes the polarization field induced ionization hole provide layer: Mg component gradient linear gradient layer (MgZnO doped with N, P, ZnO) to solve the difficult problem of P type doping, the device has a wide application prospect in ultraviolet band.

【技術實現步驟摘要】
一種ZnO基p-i-n結構紫外探測器及其制備方法
本專利技術屬于光電探測器
，具體涉及一種基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器及其制備方法。
技術介紹
由于在民用上和軍事上的巨大應用潛力，紫外探測器一直以來都受到了很廣泛的關注。在民用領域，紫外探測器可用于海洋石油勘探、環境紫外線監測和森林火災預警等方面；在軍事應用上，紫外探測器可應用于導彈羽煙追蹤、空間衛星通訊等方面。目前商業上成熟應用的紫外探測器有光電倍增管、Si探測器和寬禁帶半導體GaN基探測器。對于光電倍增管，其正常工作需要外加高電壓，因此增加了探測器的體積，不方便攜帶；對于Si探測器，由于Si的帶隙約為1.12eV（~1100nm），因此需要外加昂貴的濾光片，增加了探測器的成本；對于寬禁帶半導體GaN基紫外探測器，雖然具有方便攜帶的優點，但是由于GaN薄膜的生長溫度高（通常在1000℃以上），需要高要求的生長設備，而且所生長的薄膜中位錯等缺陷密度較高，因此也不利于高質量紫外探測器的實際應用。ZnO是另一種可以跟GaN媲美的寬禁帶半導體，其禁帶寬度接近，但ZnO的生長溫度較低（通常在500℃左右即可），而且原材料價格便宜，制備的設備要求沒有GaN材料嚴格，而且所制備器件的空間抗輻射性更強。一般情況下光電探測器可分為：光電導型、肖特基勢壘型、雪崩型、PN結型和PIN結型。在這些光電探測器中，光電導型探測器雖然因為有源區中少數載流子陷阱效應而具有很高的光電流增益，但是卻犧牲了器件的響應速度；肖特基勢壘型探測器雖然具有響應速度快的優點，但是金屬的接觸勢壘較低，暗電流較大，而且重復高效穩定肖特基接觸的制備也是一個需要解決的難題；雪崩型探測器利用載流子的碰撞離化雪崩效應產生了極大的增益，但需要在較高的反向偏壓下工作；相比之下，p-n結和p-i-n結型探測器則兼具有更高的響應速度，暗電流更低（因為更高的勢壘），易于耦合焦平面陣列（FPA）讀出電路，可在很低的偏壓甚至零偏壓下（光伏模式）工作等優點，而且p-i-n結型探測器還可通過調整i型層的厚度來調整器件的量子效率跟工作速度。本專利技術提出一種基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器。針對p型ZnO，由于：1，受主能級較深；2，具有強自補償效應；3，受主元素不穩定等問題而較難得到高效空穴濃度的難題。我們提出了制備Mg組份梯度線性漸變的MgZnO合金（O極性），利用梯度應變產生的極化場誘導離化空穴，產生高濃度的三維空穴氣體，解決目前ZnO所遇到的p型困難的問題。具體的物理原理示意圖如附圖2所示，由于ZnO是一種極性半導體，平衡晶格偏離理想的六方纖鋅礦結構，因此自發極化和應變極化效應都很強。在MgZnO/ZnO突變的界面，由于兩層之間的應力水平不一樣，壓電極化場的強度也不一樣，在界面的地方將產生束縛表電荷。根據高斯定理，如果ZnO和MgZnO是O極性的，界面處的表電荷為帶正電的空穴。因此我們通過控制MgZnO中Mg組份梯度線性漸變，產生梯度線性漸變的應變極化場，利用極化場離化受主，在每一層原胞界面都產生空穴，從而形成三維空穴氣體，大大提升p型層的空穴濃度，解決了目前ZnO所遇到p型摻雜困難的問題。根據我們的調研，目前關于利用極化誘導空穴方法制備ZnO基p-i-n結構的紫外探測器尚未見到相關的專利和文獻報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器及其制備方法，以獲得在波長范圍短于380nm（ZnO的本征吸收波長）內具有高響應度、快速響應速度以及便于集成的紫外光電探測器。本專利技術提出的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，包括：襯底1，襯底上生長的緩沖層2，緩沖層上生長的n型ZnO層3，i型ZnO層4，p型MgZnO層5，以及n、p型層上的金屬接觸電極6；其中，n型ZnO層的厚度為50nm~5μm，i型ZnO層的厚度為10nm~500nm，p型MgZnO層的厚度為10nm~500nm；在n型ZnO和p型MgZnO層上面的為金屬接觸電極6；其中，p型MgZnO層5為Mg組份梯度線性漸變的O極性MgZnO合金，利用梯度應變產生的極化場誘導離化空穴，產生高濃度的三維空穴氣體。本專利技術中，所述的襯底1可為藍寶石Al2O3、單晶硅Si、單晶氮化鎵GaN、單晶砷化鎵GaAs和單晶氧化鎂MgO等。本專利技術中，所述的緩沖層2可以是Mg、MgO、ZnO、BeO、BeZnO和MgZnO中的一種或多種組合材料組成。本專利技術中，所述的n型層3為摻Ga或Al的ZnO，厚度為50nm~5μm，其電子濃度控制在1017/cm3~1020/cm3范圍內。本專利技術中，所述的i型層4為高溫生長的高質量ZnO薄膜，厚度為10nm~500nm，其本征載流子濃度控制在1014/cm3~1016/cm3范圍內。本專利技術中，所述的p型層5為Mg組份線性漸變的MgZnO薄膜，受主摻雜元素包括Li、Na、P、As、N等，可通過控制MgZnO層中Mg組份梯度線性漸變產生的極化場，利用極化場對受主進行離化，產生高濃度的三維空穴氣，本層的厚度為10nm~500nm，空穴濃度在1016/cm3~1019/cm3范圍內。本專利技術中，所述的接觸金屬電極6為鈦Ti、鋁Al、鎳Ni、鉑Pt、金Au、銀Ag、鉬Mo、鉭Ta、鈷Co、鋯Zr和鎢W等單層金屬或金屬復合層。接觸電極層的厚度為30nm~500nm，然后在接觸電極上再蒸鍍一層10nm~500nm厚的金Au層，起到防止接觸金屬氧化和優化導電性能的作用。本專利技術提出的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，其光譜響應范圍為波長短于380nm的紫外線。本專利技術提出的ZnO基p-i-n結構紫外探測器的制備方法，具體步驟為：①在生長前先對襯底1進行清洗，其中對于藍寶石襯底Al2O3、GaN單晶襯底，清洗步驟為：在H2SO4:HCl=3:1的酸中加熱，之后分別在丙酮和異丙醇IPA（或丙醇）中超聲清洗，然后用去離子水沖洗干凈，最后用氮氣槍吹干裝入生長腔，在生長腔中用高溫處理。Si襯底的清洗步驟為：先后分別在硫酸H2SO4和雙氧水H2O2中、氫氟酸HF中、氨水NH3.H2O和雙氧水H2O2中、鹽酸HCl中清洗，然后用去離子水沖干凈，在氮氣槍下吹干后裝入生長腔直接生長。GaAs單晶襯底和MgO單晶襯底則不用生長前清洗；②在襯底處理完后，在襯底1上生長一層緩沖層2；③生長完緩沖層后，開始n型ZnO層3的生長，n型ZnO的厚度可通過生長時間的長短控制，摻雜元素為Al或Ga，電子的濃度可通過控制摻雜元素的流量或者蒸汽壓來調節；④生長完n型層ZnO后，開始i型ZnO層4的生長，生長溫度比n型層的生長溫度高100℃~200℃左右，生長條件為富氧狀態；⑤生長完i型層ZnO后，接著開始p型MgZnO層5的生長，其中MgZnO層中的Mg含量從0%~30%線性梯度漸變，摻雜元素為Li、Na、N、As、P等；⑥薄膜制備完后先后用丙酮、異丙醇IPA（丙醇）等化學試劑和去離子水對薄膜的表面進行清洗，以得到干凈的表面；⑦清洗完樣品后，用光學掩膜的方法在薄膜上面做圖案，把需要刻蝕的部分裸露出來，不需要刻蝕的部分則用光刻膠覆蓋。然后采用標準ICP刻蝕的方法把p型層和i型層薄膜刻蝕掉，使部分n型層裸露出來；⑧刻蝕本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于極化誘導空穴法的ZnO基p?i?n結構紫外探測器，其特征在于，包括：襯底，襯底上生長的緩沖層，緩沖層上生長的n型ZnO層，i型ZnO層，p型MgZnO層，以及n、p型層上的金屬接觸電極；其中，n型ZnO層的厚度為50?nm~5?μm，i型ZnO層的厚度為10?nm~500?nm，p型MgZnO層的厚度為10?nm~500?nm；在n型ZnO和p型MgZnO層上面的為金屬接觸電極；其中，p型MgZnO層為Mg組份梯度線性漸變的O極性MgZnO合金，利用梯度應變產生的極化場誘導離化空穴，產生高濃度的三維空穴氣體。

【技術特征摘要】
1.一種基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，其特征在于，包括：襯底，襯底上生長的緩沖層，緩沖層上生長的n型ZnO層，i型ZnO層，p型MgZnO層，以及n、p型層上的金屬接觸電極；其中，n型ZnO層的厚度為50nm~5μm，i型ZnO層的厚度為10nm~500nm，p型MgZnO層的厚度為10nm~500nm；在n型ZnO和p型MgZnO層上面的為金屬接觸電極；其中，p型MgZnO層為Mg組份梯度線性漸變的O極性MgZnO合金，利用梯度應變產生的極化場誘導離化空穴，產生高濃度的三維空穴氣體。2.根據權利要求1的基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，其特征在于，所述的襯底選自藍寶石Al2O3、單晶硅Si、單晶氮化鎵GaN、單晶砷化鎵GaAs和單晶氧化鎂MgO。3.根據權利要求1的基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，其特征在于，所述緩沖層是Mg、MgO、ZnO、BeO、BeZnO和MgZnO之中的一種或多種材料組成。4.根據權利要求1的基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，其特征在于，所述n型ZnO層為摻Ga或Al的ZnO，其電子濃度控制在1017/cm3~1020/cm3范圍內。5.根據權利要求1的基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，其特征在于，所述i型ZnO層為高溫生長的ZnO薄膜，其本征載流子濃度控制在1014/cm3~1016/cm3范圍內。6.根據權利要求1的基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，其特征在于，所述p型MgZnO層為Mg組份梯度線性漸變的MgZnO薄膜，受主摻雜元素包括Li、Na、P、As或N，通過控制MgZnO層中Mg組份梯度漸變產生的極化場，利用極化場對空穴進行誘導離化，產生高濃度的三維空穴氣，空穴濃度在1016/cm3~1019/cm3范圍內。7.根據權利要求1的基于極化誘導空穴法的ZnO基p-i-n結構紫外探測器，其特征在于，所述接觸金屬電極選自鈦、鋁、鎳、鉑、金、銀、鉬、鉭、鈷、鋯和鎢W單層金屬或金屬復合層；接觸電極層的厚度為30nm~500nm，在接觸電極上再蒸鍍有一層10nm~500n...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇龍興，方曉生，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：上海,31