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电极宽度对ZnO基MSM紫外光电探测器性能的影响
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　　摘 要：利用射频磁控溅射技术，选用靶材为ZnO陶瓷靶材，在石英衬底上制备ZnO 薄膜。并且制备了叉指电极，指宽分别为 3μm、5μm、8μm的金属-半导体-金属型紫外光电探测器，研究了不同指宽对探测器性能的影响。结果表明：指宽为3 um的探测器响应性能明显高于其它两种类型探测器。 中国论文网 /7/view-7261313.htm　　关键词：ZnO薄膜；射频磁控溅射；不同电极宽度；MSM型紫外光电探测器 　　近年来， 由于紫外光电子器件广阔的应用前景，宽禁带半导体材料ZnO已经引起了人们广泛的关注. ZnO是一种新型的直接宽隙II-VI 族化合物半导体材料， 晶体结构为六方纤锌矿结构，其室温禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV。ZnO原材料资源丰富、价格低廉、无毒无污染、制备工艺简单。ZnO具有高熔点、高热稳定性及化学稳定性等优点，因此是制作紫外光电探测器的理想材料。在军事、民用等方面有着巨大的应用前途。近年来，科研工作者们分别采用金属有机气相沉积法（MOCVD）、激光脉冲沉积法（PLD）、分子束外延法（MBE）等方法制备了不同类型的ZnO合金薄膜[3-5]。采用射频磁控溅射法制备ZnO薄膜材料时，其衬底材料选择为石英衬底，溅射反应气体则为氩气、氧气一定比例的混合气体，这种ZnO薄膜制备方法研究较少，尤其是不同指宽对紫外光电探测器性能的影响方面研究。 　　本文利用射频磁控溅射方法，用氧气和氩气作为溅射气体在石英衬底上制备了ZnO薄膜，并对其结构和光学性质进行分析研究。通过射频磁控溅射所成的ZnO薄膜会具有良好的致密性和均匀性，有利于得到高质量的ZnO薄膜。通过测试分析不同类型的探测器的光响应光谱，得出最优指宽的叉指型电极。 　　一、实验 　　本实验利用射频磁控溅射方法在石英衬底上制备ZnO 薄膜。所使用的靶材是纯度99.99%的ZnO陶瓷靶材。石英衬底分别用酒精，丙酮，去离子水超声清洗五分钟，然后使用氮气吹干，待吹干后立即放入薄膜生长腔体。使用分子泵将薄膜生长腔体内真空抽到5×10-4Pa，之后把纯度为99.999%的氩气和氧气通入到生长腔体，气体流量分别设为50sccm、50sccm，溅射功率控制在110W，薄膜的生长温度控制在673K，石英衬底转数控制在8r/min，薄膜生长过程中生长腔体内的的压强保持在5Pa。薄膜的生长时间为2h。同样使用射频磁控溅射的方法在ZnO 薄膜上表面溅射生长约100nm后的Au，使用光刻的方法刻出叉指型电极。指间距均为5μm，制备出指宽分别为 3μm、5μm、8μm的紫外光电探测器。 　　二、结果与讨论 　　图1 所示为利用射频磁控溅射方法，用ZnO靶材生长的ZnO薄膜的X 射线衍射（XRD）图谱。图中在34.44°处有一个高强度的尖锐的衍射峰，对应于六角纤锌矿ZnO晶体的（002）取向。XRD 的半高宽对于样品的晶体质量来说是一个有力的表征手段。在得到半高宽值为0.25°后，可以通过下面的公式计算得到平均晶粒尺寸d 即 　　d = 0.94λ/B cosθ （1） 　　式中d 是晶粒的平均尺寸，λ是波长（1.54?），测B是衍射峰半高宽度，θ是Bragg 衍射角。通过计算晶粒的直径为213.2nm，大的晶粒尺寸有利于减少晶粒的界面和表面缺陷，从而形成高质量的ZnO薄膜，这对于制备高性能紫外光电探器件是积极有益的。 　　图2 ZnO基MSM光电探测器件结构示意图，通过湿法刻蚀得到Au电极，为了研究电极宽度对器件性能的影响，我们制备了电极宽度 h 分别为3，5，8μm的ZnO基MSM光电探测器。 　　图3 所示为指宽分别为 3μm 的ZnO基MSM型紫外光电探测器在1-7 V 偏压下的响应图谱。由图可见随着电压的增大，器件的响应度逐渐上升。响应图谱中截止边清晰，呈直线型。图3 所示为指宽分别为 3μm、5μm、8μm 的ZnO基MSM型紫外光电探测器在5 V 偏压下的响应图谱。图2中3个器件的响应峰值均位于380nm。指宽为3μm的探测器响应度最高达到0.058 A/W，5μm的探测器响应度最高达到0.041 A/W，8μm的探测器响应度最高达到0.03 A/W。本文中由于外加电场恒定为5 V，若增大指宽，则落于叉指电极间电阻上的电压增大，会使耗尽区上的分压减小，耗尽区会比窄叉指电极的情况下变窄。MSM 结构光电探测器的有效光响应区即为耗尽区。因此探测器的反应接收区变小，则可分离的光生载流子减少，器件的响应度降低。反之，则器件的响应度升高。 　　三、结论 　　用射频磁控溅射方法制备了高质量的ZnO薄膜。利用Au 叉指电极，在ZnO薄膜上制备了电极指宽不同的金属-半导体-金属结构紫外光电探测器。研究发现，随着叉指电极宽度的缩小，光响应度增大。在相同偏压下，电极宽度3μm 的器件响应度比宽度8μm 的器件增大了2倍。上述现象是由于叉指电极宽度的缩小导致器件耗尽区宽度增大，因此更多的光生载流子得到有效分离，从而提高了光电流输出。本文的结果表明，对MSM 结构的紫外光电探测器件来说，在一定的工作偏压下，过大的叉指电极宽度会减小实际的耗尽区宽度。因此叉指电极宽度的选取要充分考虑到耗尽区宽度和偏压大小。 　　参考文献： 　　[1] KlingshirnC.TheLuminescence ofZnOunder OneandTwo-Quantum Excitation[J].Phys Status Solid （b），7. 　　[2] Schreiber P， Dang T， PickenpaughT. Solar-blind UV region and UV detector development objectives [J]. SPIE， 1999， 3629： 230-248. 　　[3] Du X L，Mei Z X，Liu Z LControlled growth of high-quality ZnO-based films and fabrication of visible-blind and solarblindultra-violet detectors [J]. Adv. Mater. 2009， 21（45）： . 　　[4] Gruber T， Kirchner C， Kling R， et al. ZnMgOepilayers and ZnO-ZnMgO quantum wells for optoelectronic applications inthe blue and UV spectral region [J] .Appl. Phys. Lett. ， ）： . 　　[5] Xu X L，Lu L，Wang Y，et al. Photoluminescence and structure propertiesofZn1-xMgxO films grown by RF magnetronsputtering [J]. J. Phys. ：CondensedMatter， 2006， 18（4）： .
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光电探测器综述(PD)技术分析.doc16页
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光电探测器综述
摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOS
Abstract: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, high performance, low power consumption and low cost of photoelectric detector
Photodetector
and optoelectronic integrated circuit
has become a major new challenge. Especially high response speed ，high quantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector, is not only the needs for development of optical communication technology, but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has the very high research value. This paper reviews the development of different characteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the photodetector development direction in the next few years,the study of high performance photoelectric detector,
the structure, and related technology, manufacturing, has very important practical significance.
Key Word: photodetector, Si ,CMOS
一、光电探测器
光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。（光
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李莹滢,程传伟,董祥,高俊珊,张海黔.叉指电极中ZnO纳米棒网络状结构紫外探测器的研制[J].Journal of Semiconductors,):
叉指电极中ZnO纳米棒网络状结构紫外探测器的研制
作者单位&,,,&&,,,&&,,,&&,,,&&,,,&
摘要:&利用低温水热法，在金叉指微电极阵列中，制备了网络状的ZnO纳米棒紫外光电导型探测器。对该探测器在紫外光照下的I-V特性以及光电响应特性进行了测试研究。结果表明，室温下网络状的ZnO纳米棒对紫外光照有较灵敏的响应，它可以应用于化学、生物传感器，以及纳米光电子开关器件的研究中。
关键词:&&&&&&&
基金项目:&国家自然科学基金（No.）
Facile fabrication of UV photodetectors based on ZnO nanorod networks across trenched electrodes
Abstract:&Using a low temperature hydrothermal synthesis method, ZnO nanorod networks have been directly grown across trenched Au microelectrodes arrays, which were modified with a layer of ZnO seeds. The characteristics of the current–voltage (I–V) and the photo response were obtained both in the dark and under ultraviolet illumination. The bridged nanorod network demonstrated a highly sensitive response to UV illumination in atmo-sphere at room temperature. It can be useful for nanoscale optoelectronic applications, serving as chemical sensors, biological sensors, and switching devices.
Keywords:&&&&&&&
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全文下载次数:&&2248MSM型TiO_2/LaAlO_3基紫外探测器的研制--《吉林大学》2014年硕士论文
MSM型TiO_2/LaAlO_3基紫外探测器的研制
【摘要】：在这个物质生活高度繁荣的时代，人们对高科技生活的渴望推动着科学技术的不断进步。面对信息爆炸式的增长，对信息采集传感器的要求也越来越严苛，紫外探测器作为信息传感器的重要分支受到越来越多的重视。
现阶段紫外探测器的研究已经由光电倍增管逐步过渡到宽禁带半导体材料，TiO2作为一种宽禁带半导体材料被广泛的应用在紫外探测技术中，但是目前的TiO2基紫外探测器存在暗电流大、响应恢复时间慢等缺点。为了改进这些缺点，我们从器件结构上入手，在最初TiO2基紫外探测器的基础上尝试引入TiO2/LaAlO3异质结结构，制备全新结构的紫外探测器，最终使器件的暗电流降低了两个数量级，光暗电流比高达五个数量级，响应恢复时间也得到了明显的改善。
经过溶胶凝胶法、旋涂、烧结等过程我们制备了纳米TiO2薄膜，并利用XRD、SEM、UV-VIS、AFM等手段对其进行了表征。通过表征，材料XRD衍射峰明显，表面光滑平整、细腻紧凑、起伏微小，吸收边发生在320nm附近，这些特征预示着我们制备了性能优良的纳米TiO2薄膜，为器件的制作打下了坚实的基础。
我们将TiO2旋涂在LaAlO3衬底上使之构成异质结接触，然后经过光刻、磁控溅射、超声剥离等工艺，最终制备完成MSM型TiO2/LaAlO3基紫外探测器。器件的有效面积为0.38mm2，叉指电极的指宽与指间距为20μm，电极材料采用Pt。
紫外探测器制作完成之后我们对其光电性能进行了测试，首先我们测试了器件的I-V特性，以30W的氘灯作为光源，在波长为260nm紫外光照射下器件的光电流可以达到3.2μA，无光照条件下暗电流为50pA，光暗电流比可以高达五个数量级，这在已知的报道中是最高的。经理论分析得，低暗电流、高灵敏度主要基于三方面原因：Pt在金属中拥有最高的功函数，高的肖特基势垒导致低的暗电流；MSM结构由两个背靠背的肖特基结构成，电流的大小由反偏的那个结决定；引入TiO2/LaAlO3异质结会在接触界面处形成一个耗尽层，使TiO2导电沟道变窄，电阻变大。然后我们计算了器件的响应度，在250-450nm波长范围内器件对波长具有很好的选择性，在260nm附近器件的响应度达到峰值31.7A/W。最后我们测试了器件的响应恢复时间，器件的上升时间为550ms，下降时间为380ms，这与此前的TiO2基紫外探测器相比取得了明显的进步，经分析我们认为TiO2/LaAlO3异质结内建电场对紫外探测器的快速响应起到了至关重要的作用。
最终经过全新的器件结构设计，我们制备了一个低暗电流、高灵敏度、快速响应的MSM型TiO2/LaAlO3基紫外探测器，相信它的应用前景将更加广泛，对我们的生活影响将更加深远。
【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TN23【目录】：
摘要4-6Abstract6-10第一章 绪论10-15 1.1 论文的研究背景及意义10-11 1.2 国内外进展情况11-13 1.3 本论文的主要内容13-15第二章 纳米 TiO_2薄膜材料的制备及表征15-30 2.1 TiO_2纳米薄膜的晶体结构15-18 2.2 TiO_2纳米材料的应用18 2.3 LaAlO_3的晶体结构18-19 2.4 TiO_2溶胶凝胶以及纳米薄膜的制备19-22
2.4.1 TiO_2溶胶凝胶的制备19-21
2.4.2 TiO_2纳米薄膜的制备21-22 2.5 TiO_2纳米薄膜及 LaAlO_3晶体的表征22-30
2.5.1 TiO_2纳米薄膜的表征22-28
2.5.2 LaAlO_3晶体的表征28-30第三章 TiO_2/LaAlO_3基紫外探测器的制作30-38 3.1 紫外探测器的分类30-35 3.2 MSM 型紫外探测器的制作35-38
3.2.1 光刻35-36
3.2.2 磁控溅射36-37
3.2.3 电极剥离37-38第四章 紫外探测器光电性能的测试38-48 4.1 LaAlO_3基紫外探测器的研制38-40
4.1.1 LaAlO_3基紫外探测器暗电流的测试38-39
4.1.2 LaAlO_3基紫外探测器光电流以及响应度的测试39-40 4.2 TiO_2/LaAlO_3基紫外探测器的研制40-45
4.2.1 TiO_2/LaAlO_3基紫外探测器 I-V 特性的测试40-43
4.2.2 TiO_2/LaAlO_3基紫外探测器响应度的测试43-44
4.2.3 TiO_2/LaAlO_3基紫外探测器响应时间的测试44-45 4.3 叉指间距对探测器光电流及响应度的影响45-48第五章 总结48-50参考文献50-55作者简介及学习期间所取得的科研成果55-56致谢56
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