[发明专利]一种高速高灵敏的ZnO纳米线阵列射频紫外探测器

说明书

一种高速高灵敏的ZnO纳米线阵列射频紫外探测器，涉及纳米技术与紫外探测领域。复合金属电极层错位设置在ZnO种子层之上，同时边上露出部分种子层以形成台阶状结构，在露出的种子层处斜向上生长有ZnO纳米线阵列。在紫外光照下，ZnO纳米线表面耗尽层的变化使得ZnO纳米线阵列中的电容发生变化，此电容变化将引起的纳米线射频谐振频率的变化，通过检测谐振频率的变化，探测紫外光。本发明采用纳米线阵列的设计可以提高ZnO纳米线阵列的谐振频率，扩大ZnO纳米线阵列的电容变化跨度，进而提高对紫外光的探测灵敏性和可探测紫外光强的范围，提高了紫外光的探测速度和灵敏度。

技术领域

本发明涉及纳米技术与紫外探测领域，特别是一种高速高灵敏的ZnO纳米线阵列射频紫外探测器。

背景技术

紫外探测器在天文观测、军事预警、信息通讯、航天探索和灾害遥感等领域有着重要的应用。由于自然环境中存在着大量对紫外光具有强吸收和散射能力的气体分子和尘埃，待测紫外光到达探测器时的光强往往很弱，这就对紫外探测器灵敏度和响应速度提出了更高的要求。ZnO作为第三代宽禁带半导体材料，具有较高的的禁带宽度(3.37ev)和较大的激子束缚能(室温下为60mv)，其纳米结构可近似为无缺陷晶体，是作为紫外探测器的优越材料。传统ZnO纳米材料的直流紫外探测器主要有光电导型、P-N结型和肖特基型。其中，光电导型紫外探测器应用最为广泛，横向桥接的ZnO纳米线紫外探测器是其中性能较好的一类器件，但是由于工作时氧气吸附过程慢，使得暗电流恢复缓慢，下降时间较长，不适合在短时间内进行重复探测；P-N结型ZnO薄膜紫外探测器具有较低工作偏压，功耗较小，但高质量P型ZnO薄膜难以制备，使得其性能不稳定，因此极大的限制了器件的生产；基于ZnO纳米结构的肖特基型紫外探测器响应速度快、噪音低，但ZnO与金属形成的肖特基势垒有比较大的表面漏电，导致暗电流过大，光增益降低。相比于在直流条件下工作的紫外探测器，在射频系统中，ZnO纳米线的电容变化引起的频率漂移成为一个新的传感自由度来进行传感测量。ZnO具有丰富的纳米结构，纳米线阵列的实现使得探测器整体的电容跨度增大，从而增大纳米线阵列的探测范围，为实现高速、高灵敏紫外探测器提供的新的途径。目前，射频紫外探测只有以AlGaN基设计的射频紫外探测器，该探测器是在蓝宝石衬底上外延生长AlGaN基薄膜，并在AlGaN薄膜上光刻Al叉指电极制备而成。在紫外光照下，光生载流子增加导致该射频紫外探测器的阻抗发生变化，使得谐振频率发生变化，其紫外光探测灵敏度为40KHz/(μw/cm²)。但AlGaN薄膜生产生本高、工艺复杂、设备昂贵且缺乏合适的外延生长材料，因此AlGaN基射频紫外探测器难以得到广泛的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高速高灵敏的ZnO纳米线阵列射频紫外探测器，利用射频信号对电容变化的高敏感性。在空气环境中，无紫外光照时，ZnO纳米线表面形成表面耗尽层，当进行紫外光照时，ZnO纳米线表面耗尽层吸收光子能量产生，使得表面耗尽层减薄，ZnO纳米线表面耗尽层的变化会使得ZnO纳米线阵列中的电容发生变化。此电容变化将引起的纳米线射频谐振频率的变化，通过检测谐振频率的变化，探测紫外光。

本发明提供了一种高速高灵敏的ZnO纳米线阵列射频紫外探测器，复合金属电极层错位设置在ZnO种子层之上，同时边上露出部分种子层以形成台阶状结构，在露出的种子层的侧面斜向上生长有ZnO纳米线阵列；

所述种子层为细长条状，上下表面中的长宽比均为20:1～40:1，宽度不大于10微米，侧面对应的厚度为50纳米～400纳米；

所述复合金属电极包括：钛电极层和金电极层，所述的钛电极层在种子层之上，所述的金电极层设置在钛电极层之上；

露出在金属电极之外的ZnO种子层台阶宽度为3微米～7微米。

所述的钛电极层的厚度为15纳米～40纳米，金电极层的厚度为50纳米～1000纳米。

所述ZnO纳米线直径为50纳米～500纳米，长度为3微米～12微米；