[发明专利]一种硅基双异质结可见盲紫外探测器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基双异质结可见盲紫外探测器及其制造方法，尤其是通过在p-Si衬底和宽禁带半导体n-ZnO基薄膜之间插入一层绝缘体材料MgO而获得的具有可见盲紫外响应的双异质结光电探测器及其制造方法。

背景技术

作为第三代半导体的核心基础材料，ZnO具有非常优越的光电性能，其室温禁带宽度为3.37eV、自由激子结合能为60meV，已成为继GaN(自由激子结合能为25meV)之后又一重要的宽禁带半导体材料，在低阈值、高效率的短波长光电子器件领域有着极为广阔的应用前景。ZnO基紫外探测器是目前最被看好的应用之一。由于ZnO基薄膜具有很好的光电导特性，在民用及军事上都有重大的应用价值，如臭氧检测仪、火焰传感器、污染监测仪、保密通讯、导弹羽烟探测器及飞行器探测器等。特别是在光电对抗这一军事高技术领域，紫外对抗与反对抗技术已占据愈来愈重要的位置，开发可工作在更高温度下、更高效和更可靠的中紫外探测器对提高紫外报警技术水平具有举足轻重的作用。禁带宽度为3.37eV的本征ZnO经掺杂后，如掺Mg形成ZnMgO合金，其禁带宽度可以随Mg含量的增加而变宽，从而使得探测范围能够向中紫外乃至深紫外方向扩展，这在民用和军事领域都有着极其重要的应用价值。

p-n结二极管光电探测器因其很高的探测率在现有的三种半导体光电探测器(光电导型，p-n结型，Schottky型)中最具优势，但是由于ZnO材料在制备p型上存在困难，目前国际上还没有很好的方法制备出较高载流子浓度的稳定可控的p-ZnO，因此对以其他p型材料(NiO，SiC，Si等)为基础的异质结二极管的研究受到越来越多的关注。由于硅材料具有低廉的价格和成熟的半导体集成电路工艺，所以Si基ZnO器件将有巨大的潜力。硅材料作为一种窄带隙半导体，光响应波长范围非常广，覆盖了部分红外，整个可见和部分紫外波段。在可见光或近红外波段，硅基探测器已经用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于红外热成像、红外遥感等方面。而对于紫外光探测，往往需要仅针对某个波段的紫外光进行响应，不受其他波段比如可见光的干扰，这样的器件可以工作在波长范围更广的背景辐射环境中。硅材料由于其本身的性质决定了它很难达到这个要求，而通过与ZnO的紫外光导特性相结合，可以解决这一问题。但是目前已有的n-ZnO/p-Si异质结光探测器件大都对可见光仍然存在响应(I.-S.Jeong，et al，Appl.Phys.Lett.83，2946(2003)；C.H.Park，et al，Appl.Phys.Lett.82，3973(2003)；S.Mridha，et al，J.Appl.Phys.101，083102(2007)；)，无法在可见光环境中对紫外光进行探测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅基双异质结可见盲紫外光电探测器及其制造方法。利用这种方法，能够在廉价并且具有成熟集成工艺的半导体硅衬底上制造出可见盲紫外光电探测器。

本发明提供的硅基双异质结可见盲紫外光电探测器，包括：p型Si(111)衬底，MgO绝缘层，n-ZnO基薄膜层，n型欧姆接触电极，p型欧姆接触电极；其中，MgO绝缘层、n-ZnO基薄膜层、n型欧姆接触电极依次设置在p型Si(111)衬底的正面，p型欧姆接触电极设置在p型Si(111)衬底的背面。

进一步，所述p型Si衬底材料的空穴载流子浓度大于等于1×10¹⁷cm^-3。

进一步，所述MgO绝缘层厚度为5～100nm。

进一步，所述n-ZnO基薄膜层为纤锌矿相的ZnO薄膜或纤锌矿相的MgZnO、BeZnO合金薄膜，其室温禁带宽度大于等于ZnO的禁带宽度，即大于等于3.37eV。

进一步，所述n-ZnO基薄膜层的电子载流子浓度小于等于1×10¹⁸cm^-3，其厚度为100nm～500nm。

本发明提供的制备具有可见盲紫外响应的硅基异质结光电探测器的方法，具体为：

1)在清洁的Si衬底上用外延生长设备生长MgO绝缘层，并在MgO上生长n-ZnO基薄膜层；

2)用公知的光刻技术和公知的金属薄膜沉积方法，在n-ZnO基薄膜层上沉积n型欧姆接触电极；

3)在Si衬底背面沉积p型欧姆接触电极。