基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測(cè)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于紫外光探測(cè)器領(lǐng)域，具體涉及一種基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測(cè)器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測(cè)技術(shù)是近年來(lái)光電探測(cè)領(lǐng)域的研究熱門之一。是繼激光、紅外以及可見(jiàn)光探測(cè)以外的又一門新興探測(cè)技術(shù)。紫外探測(cè)在軍民兩用領(lǐng)域有著廣泛的需求背景，可應(yīng)用于生物與化學(xué)分析、工業(yè)檢測(cè)、天文科學(xué)研究、發(fā)射器校準(zhǔn)、火焰探測(cè)、光電對(duì)抗、紫外通信等多個(gè)領(lǐng)域[龍維剛.全固態(tài)高靈敏紫外探測(cè)器技術(shù)的研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電，2014，35(5).]。它在軍事、醫(yī)療、科研和其他工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如，紫外探測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)方面也有著廣泛的應(yīng)用，特別是近幾年在皮膚病診斷方面有著獨(dú)特的應(yīng)用效果。利用紫外探測(cè)技術(shù)在檢測(cè)診斷皮膚病時(shí)可直接看到病變細(xì)節(jié)。也可用它來(lái)檢測(cè)癌細(xì)胞、微生物、血色素、紅血球、白血球、細(xì)胞核等，這種檢測(cè)不但迅速、準(zhǔn)確，而且直觀、清楚。[光電子技術(shù).2014.24(2): 129-133.]。目前已投入商業(yè)和軍事應(yīng)用的紫外線探測(cè)器件主要以硅基紫外光電管和紫外光電倍增管為主，它雖然有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但是同樣存在需附加濾光片、體積大、易受損、需在較高電壓較低溫度下工作等缺點(diǎn)，這就大大制約了其進(jìn)一步的應(yīng)用。
[0003]固體紫外探測(cè)器又可以分為寬禁帶紫外線探測(cè)器以及硅基紫外線探測(cè)器兩類。硅基半導(dǎo)體材料擁有比較成熟的制備技術(shù)，制備工藝相對(duì)比較完善，因此硅基材料己成為制作紫外探測(cè)器最主要的材料。利用硅基半導(dǎo)體材料制造的硅基紫外探測(cè)器的體積一般較小，重量較輕，并且無(wú)需復(fù)雜的電路，大大提高了紫外探測(cè)器的適用范圍，但由于其大部分禁帶寬度較窄，除了吸收紫外光外還吸收可見(jiàn)光[Fresenius J Anal Chem.2001.371(8):1070-1075]。與硅基半導(dǎo)體相對(duì)應(yīng)的還有一種寬禁帶紫外探測(cè)器，該類傳感器以半導(dǎo)體材料作為紫外光敏感材料，主要利用只吸收紫外光的寬禁帶材料的電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、禁帶寬度大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)適用于制作高頻、大功率、抗輻射的探測(cè)器，使寬禁帶薄膜的紫外探測(cè)器也已邁上了產(chǎn)業(yè)化道路。事實(shí)上，常規(guī)大小的二氧化鈦薄膜雖然屬于寬禁帶的半導(dǎo)體，但是這種材料在接受紫外線照射時(shí)，其吸收紫外線的能力相當(dāng)?shù)拖?，而處于納米尺度下的二氧化鈦薄膜則完全不同，這種材料會(huì)展示出相當(dāng)高的紫外線吸收能力[Shen H,Shan C X，Li B H,Xuan B,Shen D Z.Appl Phys Lett，2013，103:232112]。除此之外，這種納米尺度的二氧化鈦薄膜耐用性很好、在制作時(shí)的工藝流程也相對(duì)簡(jiǎn)單。以上所列出的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)就使得納米尺度的二氧化鈦薄膜非常有希望成為研制新型的寬禁帶半導(dǎo)體紫外線探測(cè)器所急需的一種替換性材料。
[0004]本發(fā)明中，我們利用鈀膜的催化效應(yīng)和二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的放大效應(yīng)，開(kāi)發(fā)出了一種具有紫外光敏感特性的鈀/ 二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)材料，可使二氧化鈦對(duì)紫外光敏感性大大提高。例如，二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)從無(wú)光向有光轉(zhuǎn)換時(shí)，電流變化較大，表現(xiàn)出了良好的紫外光敏感性;反向電壓下，該異質(zhì)結(jié)在不同紫外光功率下光電流變化明顯，且隨著光功率的增大，光電流增大，當(dāng)反向電壓大于2伏特時(shí)，光電流趨于穩(wěn)定；在反向電壓2伏特時(shí)，光電流與暗電流之比最大，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均在?
0.0l秒;該異質(zhì)結(jié)在365nm紫外光下，光電流大于在其他波長(zhǎng)單色光下的光電流，表現(xiàn)出較好的紫外敏感性;該異質(zhì)結(jié)在紫外光下的開(kāi)關(guān)比為5700%，大于在其他波長(zhǎng)單色光下的開(kāi)關(guān)比，該器件表現(xiàn)出較好的紫外探測(cè)性。
[0005]二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)利用二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的放大效應(yīng)，提高了器件的響應(yīng)度，器件性能得到顯著提高。因此，二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在紫外光探測(cè)制作方面顯示出獨(dú)特的應(yīng)用前景。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明目的是提供一種基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)的紫外光探測(cè)器及其制備方法。
[0007]本發(fā)明采用有二氧化硅覆蓋的η型硅作為基底，以二氧化鈦納米棒陣列作為基體材料制備紫外光探測(cè)器，利用了二氧化鈦納米棒與硅的異質(zhì)結(jié)的放大效應(yīng)。同時(shí)本發(fā)明采用的工藝簡(jiǎn)單、室溫條件探測(cè)并且與半導(dǎo)體平面工藝兼容、易于集成、適于大批量生產(chǎn)，因而具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0008]本發(fā)明的紫外光探測(cè)器從下到上依次包括保留二氧化硅氧化層的η型硅基底、利用旋涂方法在硅襯底上生長(zhǎng)二氧化鈦點(diǎn)薄膜、通過(guò)水熱法方法誘導(dǎo)種子層生成二氧化鈦納米棒陣列、通過(guò)磁控濺射法制備透光金屬層電極薄膜(可為鈀、銅等)。透光金屬層電極薄膜上的銦點(diǎn)電極和銦電極層分別作為正、負(fù)電極，引出電源線，串聯(lián)接通吉時(shí)利數(shù)字源表2602Β，電源的電壓為-2伏特;其中覆蓋二氧化硅的硅襯底厚度為0.5?2毫米，二氧化鈦納米棒陣列薄膜的厚度為100-600納米，優(yōu)選600納米，金屬層的厚度為10?30納米，優(yōu)選15nm0
[0009]本發(fā)明所述的基于二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)紫外光探測(cè)器及其制備方法，其制備步驟如下:
[0010](一)η型硅基底的處理
[0011]首先用去離子水在超聲波中清洗η型硅基底10?20分鐘，然后用丙酮在超聲波中清洗η型硅基底10?20分鐘，最后再用無(wú)水乙醇清洗η型硅基底10?20分鐘;烘干后，再次重復(fù)上清洗過(guò)程。
[0012](二) 二氧化鈦納米棒陣列薄膜的制備
[0013]將清洗好的型η硅基底放入旋涂?jī)x，抽真空后在保持持續(xù)通入氮?dú)獾谋尘跋逻M(jìn)行旋涂，旋涂時(shí)轉(zhuǎn)速為5000?10000轉(zhuǎn)每秒，旋涂時(shí)間為40?60秒，得到二氧化鈦薄膜;將制備好的二氧化鈦納米薄膜/硅基片放入管式電阻爐中在溫度為800攝氏度下氮?dú)鈿夥罩型嘶穑瑴囟壬仙俾蕿?攝氏度每分鐘，至800攝氏度時(shí)保持2小時(shí)，得到二氧化鈦納米點(diǎn)薄膜/硅異質(zhì)結(jié)；將退火后的二氧化鈦納米點(diǎn)薄膜/硅基片放入盛有濃鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%-38%)和鈦酸四丁酯溶液(比例為30:1)的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱誘導(dǎo)生成二氧化鈦納米棒陣列，背景溫度為120?160攝氏度，水熱時(shí)間為0.5?2小時(shí)，得到二氧化鈦納米棒陣列/娃異質(zhì)結(jié)。
[0014](三)透光金屬層電極薄膜的制備
[0015]在步驟(二)的基礎(chǔ)上，將制備好的二氧化鈦納米棒陣列/硅η硅基底放入濺射室，利用抽真空系統(tǒng)使濺射室處于真空狀態(tài)，直到背景真空達(dá)到目標(biāo)真空度0.5?2.5 X 10—4帕；在維持3帕壓強(qiáng)的前提下，向?yàn)R射室中通入氬氣，待氣壓穩(wěn)定后，開(kāi)始金屬靶濺射，其鈀靶純度為99.9 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，濺射直流電壓、濺射直流電流和濺射時(shí)間分別為0.26千伏、0.20安培和I?3分鐘;再次利用抽真空系統(tǒng)使背景真空達(dá)到I X 10—4?2X10—4帕，2小時(shí)后，取出樣品O
[0016]這樣由上述過(guò)程即可獲得二氧化鈦納米棒陣列/娃異質(zhì)結(jié)材料，該材料對(duì)365nm紫外具有敏感效應(yīng)。例如，二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)從無(wú)光向有光轉(zhuǎn)換時(shí)，電流變化較大，表現(xiàn)出了良好的紫外光敏感性;反向電壓下，該異質(zhì)結(jié)在不同紫外光功率下光電流變化明顯，且隨著光功率的增大，光電流增大，當(dāng)反向電壓大于2伏特時(shí)，光電流趨于穩(wěn)定;在反向電壓2伏特時(shí)，光電流與暗電流之比最大，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均在?0.01秒;該異質(zhì)結(jié)在365nm紫外光下，光電流大于在其他波長(zhǎng)單色光下的光電流，表現(xiàn)出較好的紫外敏感性；該異質(zhì)結(jié)在紫外光下的開(kāi)關(guān)比為5700%，大于在其他波長(zhǎng)單色光下的開(kāi)關(guān)比，該器件表現(xiàn)出較好的紫外探測(cè)性。
[0017]本發(fā)明所提供的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)材料，可以用其開(kāi)發(fā)紫外光敏感器件，該器件無(wú)需加熱器，能在室溫下工作，耗能低，工藝簡(jiǎn)單，靈敏度高，響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間短。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫以及不同紫外光功率下的伏安特性曲線。
[0020]圖3以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫、365nm紫外光光功率為0.1毫瓦每平方厘米時(shí)電流隨著時(shí)間的變化曲線。
[0021]圖4以η型硅片為基底的二氧化鈦納米棒陣列/硅異質(zhì)結(jié)在室溫以及不同波長(zhǎng)單色光(光功率為0.1毫瓦每平方厘米)下的伏安特性曲線。
[0022]圖5以η型硅片為基底的二氧