一種采用單肖特基結(jié)構(gòu)的氧化鋅紫外雪崩探測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用單肖特基結(jié)構(gòu)的氧化鋅紫外雪崩探測(cè)器，屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一軍民兩用的光電探測(cè)技術(shù)。因此，開(kāi)展紫外探測(cè)器的研究對(duì)于國(guó)防安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)均具有重要的意義。近年來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測(cè)器因其體積小、重量輕、工作時(shí)不需濾光片及無(wú)需制冷等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是可以取代真空光電倍增管和Si光電倍增管的第三代紫外探測(cè)器。在眾多寬禁帶半導(dǎo)體材料中，ZnO材料因其具有抗輻射能力強(qiáng)、飽和漂移速率高、擊穿電壓高以及生長(zhǎng)溫度低等優(yōu)點(diǎn)成為紫外探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，ZnO紫外探測(cè)器已取得了一定的研究成果，許多種結(jié)構(gòu)的ZnO紫外探測(cè)器都已被制備出來(lái)，例如:光導(dǎo)型、肖特基型以及p-n結(jié)類型等。雖然對(duì)于ZnO紫外探測(cè)器的研究已取得進(jìn)展，然而現(xiàn)階段器件性能仍不理想，這是制約其走向?qū)嵱秒A段的主要因素，因此提高器件性能是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。
[0003]雪崩探測(cè)器被認(rèn)為是理想的高性能光電探測(cè)器。該類探測(cè)器具有高靈敏度和高內(nèi)增益的顯著優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器可在PN、PIN和肖特基結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于ZnO材料，由于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可重復(fù)的P型摻雜仍然很困難，因此至今未有關(guān)于ZnO PN和PIN結(jié)構(gòu)紫外雪崩探測(cè)器的報(bào)道。發(fā)明人在2012年成功制備了 Au/Mg0/Zn0/Mg0/Au結(jié)構(gòu)的ZnO雙肖特基型紫外雪崩探測(cè)器。然而該結(jié)構(gòu)雪崩探測(cè)器存在著雪崩閾值電壓過(guò)高的缺點(diǎn)。由于該結(jié)構(gòu)器件具有雙肖特基勢(shì)皇，器件在正向偏置和反向偏置的MgO層都會(huì)有電勢(shì)降落，這使得電場(chǎng)不能集中于反向偏置的介電層。若要使該處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到雪崩閾值，就需要加大器件兩端的電壓，這便使該結(jié)構(gòu)器件具有過(guò)高的雪崩閾值電壓。雖然該結(jié)構(gòu)探測(cè)器在雪崩倍增后具有較高的響應(yīng)度，然而由于其工作電壓較高，因此不能稱其具有真正意義上的高靈敏度。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)真正意義上的高性能ZnO紫外雪崩探測(cè)器，需要對(duì)Au/Mg0/Zn0/Mg0/Au結(jié)構(gòu)雪崩器件進(jìn)行優(yōu)化:為了降低器件的雪崩閾值電壓，用Au/Mg0/Zn0/Al單肖特基結(jié)構(gòu)替換之前所使用的Au/MgO/ZnO/MgO/Au雙肖特基結(jié)構(gòu)，這樣便可降低器件整體電阻，使得電場(chǎng)更加集中于反向偏置的介電層，促使該處的雪崩效應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到了降低器件雪崩閾值電壓的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)Au/Mg0/Zn0/Mg0/Au雙肖特基結(jié)構(gòu)的ZnO紫外雪崩探測(cè)器，存在著雪崩閾值電壓過(guò)高的缺點(diǎn)。本發(fā)明目的在于提出一種采用單肖特基結(jié)構(gòu)的氧化鋅紫外雪崩探測(cè)器，以ZnO薄膜作為紫外光的吸收層，以MgO介電薄膜作為載流子雪崩倍增層，設(shè)計(jì)Au/Mg0/Zn0/Al肖特基結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為單肖特基結(jié)構(gòu)，其肖特基勢(shì)皇存在于Au/Mg0/Zn0—側(cè)，金屬Al與ZnO材料為歐姆接觸。
[0006]進(jìn)一步地，本發(fā)明是利用磁控濺射在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)ZnO薄膜，然后再利用磁控濺射在ZnO薄膜上沉積MgO介電層，接著利用真空鍍膜機(jī)分別在ZnO薄膜和MgO介電層上蒸鍍鋁電極和金電極，這樣便形成了 Au/MgO/ZnO/Al結(jié)構(gòu)。
[0007]該類型雪崩探測(cè)器具體的工作原理為:當(dāng)在器件兩端施加偏壓時(shí)(即金電極接電源負(fù)極，鋁電極接電源正極)，負(fù)極處的Au/MgO/ZnO肖特基勢(shì)皇會(huì)發(fā)生反向偏置，由于MgO層的介電性質(zhì)，絕大部分偏壓將會(huì)降落在MgO層。當(dāng)紫外光照射到該結(jié)構(gòu)上時(shí)，如果光的能量大于或等于ZnO材料禁帶寬度，ZnO薄膜將會(huì)吸收入射光子產(chǎn)生光生的電子空穴對(duì)。這些載流子在電場(chǎng)作用下分開(kāi)并向各自對(duì)應(yīng)的電極運(yùn)動(dòng)，即電子向正極(鋁電極)運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)極(金電極)運(yùn)動(dòng)。隨著外加偏壓的增加，當(dāng)MgO介電層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到雪崩閾值時(shí)，進(jìn)入MgO層的光生空穴將會(huì)獲得較高的動(dòng)能并與其晶格發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞，產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，這些新產(chǎn)生的載流子又會(huì)在高電場(chǎng)中獲得較高的動(dòng)能，繼續(xù)與MgO晶格發(fā)生碰撞離化，再產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)。這樣的連鎖反應(yīng)繼續(xù)下去，最終將使器件內(nèi)載流子產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)，這樣便在Au/MgO/ZnO/Al結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)ZnO紫外雪崩探測(cè)器。
[0008]本發(fā)明通過(guò)下述具體步驟制備:
[0009]步驟1.Zn0薄膜的制備
[0010]ZnO薄膜在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中作為紫外光的吸收層。在本發(fā)明中，利用磁控濺射作為ZnO薄膜生長(zhǎng)設(shè)備，選用高純ZnO陶瓷靶作為靶材，反應(yīng)氣體為高純氧氣，惰性氣體為氬氣。薄膜沉積襯底為c面藍(lán)寶石，生長(zhǎng)溫度為300°C，生長(zhǎng)時(shí)間為2小時(shí)，腔體內(nèi)壓強(qiáng)為2Pa JnO薄膜厚度約為500nmo
[0011]步驟2.MgO介電薄膜的制備
[0012]MgO介電薄膜在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中作為載流子的雪崩倍增層。在本發(fā)明中，利用磁控濺射作為介電層生長(zhǎng)設(shè)備，選用高純鎂金屬靶作為靶材，反應(yīng)氣體為高純氧氣，惰性氣體為氬氣。為了只在ZnO薄膜表面的一部分區(qū)域沉積MgO薄膜，將石英蓋在ZnO薄膜表面的另一部分區(qū)域，這樣便只在沒(méi)有石英覆蓋的區(qū)域生長(zhǎng)MgO介電層。MgO薄膜的生長(zhǎng)溫度為300°C，生長(zhǎng)時(shí)間為2小時(shí)，設(shè)備腔體內(nèi)壓強(qiáng)為SPa13MgO薄膜厚度約為60nm。
[0013]步驟3.構(gòu)建Au/MgO/ZnO/Al結(jié)構(gòu)的ZnO紫外雪崩探測(cè)器
[0014]在已制備ZnO薄膜和MgO介電層基礎(chǔ)上，利用真空鍍膜機(jī)先后兩次分別在ZnO薄膜和MgO介電層上蒸鍍鋁電極和金電極。在制備鋁電極時(shí)，將帶有矩形條狀空隙(長(zhǎng)度為5mm，寬度為2mm)的薄銅片(厚度為0.5mm)覆蓋在整塊樣品表面，將銅片的矩形條狀空隙置放在ZnO薄膜表面，這樣便只在ZnO薄膜表面蒸鍍上鋁電極。在制備金電極時(shí)，將帶有矩形條狀空隙的薄銅片覆蓋在整塊樣品表面，將銅片的矩形條狀空隙置放在MgO薄膜表面，這樣便只在MgO薄膜表面蒸鍍上金電極。制備鋁電極和金電極所使用的原材料為高純鋁粒(0.08g)和金粒(0.1g)，設(shè)備所使用的蒸鍍舟為鎢舟，蒸鍍時(shí)工作電流為5A，腔體內(nèi)壓強(qiáng)為2 X 10—3Pa，蒸鍍時(shí)間為I分鐘。金電極和鋁電極的厚度約為10nm，長(zhǎng)度為5mm，寬度為2mm，電極間距為
0.5mm，這樣便形成了 Au/Mg0/Zn0/Al結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明的有益效果及特點(diǎn):本發(fā)明所設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)由于具有單肖特基勢(shì)皇，因此外加電場(chǎng)能夠更加集中于反向偏置的介電層，促使該處的雪崩效應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明與已報(bào)道的氧化鋅紫外雪崩探測(cè)器相比，具有低雪崩閾值電壓的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而將達(dá)到降低器件雪崩閾值電壓的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是Au/MgO/ZnO/Al結(jié)構(gòu)ZnO紫外雪崩探測(cè)器在無(wú)光照條件下的伏安特性曲線。為了研究器件雪崩閾值電壓，通常是在無(wú)光照的條件下測(cè)試器件的伏安特性曲線。圖中器件電流