[发明专利]TiO2-ZrO2复合氧化物薄膜紫外光探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电器件技术领域，具体涉及一种以超薄石英为衬底，以纳米TiO₂-ZrO₂复合氧化物薄膜为基体，以Au、Pt或Ni为金属插指电极，以Al或Ag为光反射层的低表面态密度的高性能半导体紫外光电探测器及其制备方法。

背景技术

宽禁带半导体基紫外光探测器由于体积小、效率高、成本低、功耗低等优点，在军事、民用、航天、环保、防火等领域具有重要的应用价值，是近年来光电探测领域的研究热点之一。

用于紫外光探测器的半导体材料有很多，目前主要集中在SiC、ZnO和GaN等材料中。但迄今为止，没有哪一种宽禁带半导体紫外光探测器及成像器件能成为这一领域的主流产品。其中主要的原因是缺少制备大规模集成器件的衬底材料和有效的技术手段。另外，用以上材料制备紫外光电探测器，不仅制备工艺难度大，生产成本高，对加工条件和设备的要求也很苛刻。由于TiO₂材料价格低廉，具有非常好的耐候性、物理和化学稳定性、良好的光电特性，因此在紫外光探测方面具有明显的优势。

但是TiO₂紫外探测器的响应度还有待进一步提高，测试范围也有待于扩展。TiO₂-ZrO₂复合材料综合了TiO₂和ZrO₂的优点，已经在光催化领域得到了重要的应用。相对于TiO₂纳米材料，TiO₂-ZrO₂复合材料具有更高的比表面积和更强的热稳定性，成膜后薄膜表面更加平整光滑，减少了由多层薄膜引起的龟裂。另外，TiO₂-ZrO₂复合材料不但在物理性质和化学性质有了一定的提升，材料的禁带宽度还可以根据复合物中Ti和Zr的不同比例从3.0eV(TiO₂)调整到7.8eV(ZrO₂)，有望制作出日盲区深紫外探测器。因此，TiO₂-ZrO₂基紫外探测器显示出独特的应用前景。

发明内容

本发明目的是提供一种以TiO₂-ZrO₂复合氧化物薄膜为基体的金属-半导体-金属结构的氧化物半导体光伏型紫外光探测器及该探测器的制备方法。

采用超薄绝缘(石英)衬底，以TiO₂-ZrO₂复合氧化物薄膜作基体材料制备紫外光探测器，不但摆脱了宽禁带半导体紫外光探测器缺乏合适衬底的困境，为阵列化紫外光探测器和紫外成像系统的研究奠定基础；还可以有效扩展器件的测试范围。同时本发明采用的工艺简单且与半导体平面工艺兼容、易于集成、适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。器件的制作方法简单方便，性能优越。通过调整TiO₂-ZrO₂复合薄膜材料的不同配比，可以使探测器的响应峰值在200nm到350nm紫外波段范围内可调。

本发明所述的TiO₂-ZrO₂复合氧化物薄膜紫外光探测器，其特征在于：由超薄石英衬底、采用溶胶凝胶法在石英衬底上制备的纳米TiO₂-ZrO₂复合氧化物薄膜、在纳米TiO₂-ZrO₂复合氧化物薄膜上用磁控溅射法制备的Au、Pt或Ni金属插指电极、在超薄石英衬底背面蒸镀的Al或Ag光反射层构成，待探测的紫外光从金属插指电极的上方入射；其中石英衬底的厚度为0.25～5mm，纳米TiO₂-ZrO₂薄膜的厚度为100～200nm，纳米TiO₂-ZrO₂薄膜中ZrO₂与TiO₂的摩尔比为0.25～4∶1；金属插指电极的指间距、电极宽度、厚度分别为2～50μm、2～50μm、0.05～0.2μm；Al或Ag光反射层的厚度为100～200nm，光反射层的作用是增加光的吸收效率。

另外，在制备金属插指电极之前，还可以采用高强度紫外清洗机对纳米TiO₂-ZrO₂复合氧化物薄膜进行处理，从而能够大大减少材料表面的表面态密度，提高肖特基结的质量，提升器件性能。