寬帶隙半導體材料與紫外光探測器

1、寬禁帶半導體材料寬禁帶半導體材料紫外光探測器紫外光探測器 隨著科技發(fā)展，紫外偵測技術越來越多的在隨著科技發(fā)展，紫外偵測技術越來越多的在軍事、工業(yè)、民用等方面得到愈發(fā)廣泛的應軍事、工業(yè)、民用等方面得到愈發(fā)廣泛的應用用SG01S系列紫外探測器系列紫外探測器紫外探測器紫外探測器EryF-德國德國sglux公司公司 軍事上，導彈預警、制導、紫外通訊、生化軍事上，導彈預警、制導、紫外通訊、生化分析等方面都有紫外探測的需求分析等方面都有紫外探測的需求AAR-47紫外告警設備紫外告警設備AAR-54（V）紫外告警設備）紫外告警設備紫外日盲型紫外日盲型CCD探測器，可用于日探測器，可用于日盲探測、導彈或火箭尾

2、煙檢測盲探測、導彈或火箭尾煙檢測 在民用上，明火探測、生物醫(yī)藥分析、臭氧在民用上，明火探測、生物醫(yī)藥分析、臭氧檢測、海上油監(jiān)、太陽照度檢測、公安偵查檢測、海上油監(jiān)、太陽照度檢測、公安偵查等等個人防護用紫外探測個人防護用紫外探測紫外火焰探測器紫外火焰探測器武漢隔爆型紫外火焰探測器武漢隔爆型紫外火焰探測器 光探測器的原理：光探測器的原理： 采用對光敏感的器件作傳感器，檢測入射的采用對光敏感的器件作傳感器，檢測入射的光功率并把其變化轉化為相應的電流。一般光功率并把其變化轉化為相應的電流。一般要滿足四點要求要滿足四點要求（1 1）在系統(tǒng)工作要求的波長區(qū)域范圍內(nèi)，有高的）在系統(tǒng)工作要求的波長區(qū)域范圍內(nèi)，

3、有高的量子效率；量子效率；（2 2）響應速度快；）響應速度快；（3 3）具有好的線性輸入）具有好的線性輸入- -輸出性質；輸出性質；（4 4）能在需要的環(huán)境下可靠的工作）能在需要的環(huán)境下可靠的工作 紫外光的偵測紫外光的偵測( (200400nm) ) 由于臭氧等氣體對紫外線的強烈吸收，由于臭氧等氣體對紫外線的強烈吸收，2.3eV 2.3eV）的半導體的半導體n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導體寬禁帶半導體 1. 1.半導體及其帶隙半導體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導體材料具有寬禁帶的半導體材料n準一維納米材料的合成準一維納米材料的合成 1.

4、1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器禁帶寬度大禁帶寬度大熱導率很高熱導率很高擊穿電場高擊穿電場高電子飽和漂移速率大電子飽和漂移速率大化學穩(wěn)定性好化學穩(wěn)定性好抗輻射能力極佳抗輻射能力極佳 由上述特點，非常適于制作高溫、高頻、抗由上述特點，非常適于制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成的電子器件輻射、大功率和高密度集成的電子器件 此外，其較寬的帶隙此外，其較寬的帶隙對藍綠光或紫外光非常對藍綠光或紫外光非常敏感敏感，可據(jù)此制作相應的發(fā)光器件及光探測，可據(jù)此制作

5、相應的發(fā)光器件及光探測器，匯報選題即由此而來器，匯報選題即由此而來n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導體寬禁帶半導體 1. 1.半導體及其帶隙半導體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導體材料具有寬禁帶的半導體材料n準一維納米材料的合成準一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 Eg2.3eV的半導體材料均可稱作寬禁帶半導的半導體材料均可稱作寬禁帶半導體材料體材料 根據(jù)已有的研究，寬禁帶半導體材

6、料主要集根據(jù)已有的研究，寬禁帶半導體材料主要集中在中在金剛石，金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（化硼以及氧化物（如如ZnO，Ti O2等）等）和和固溶固溶體等體等半導體材料半導體材料禁帶類型禁帶類型禁帶寬度禁帶寬度Eg/eVEg/eVGaN直接直接3.39ZnO直接直接3.37TiO2間接間接金紅石金紅石3.0，銳鈦礦銳鈦礦3.2C-BN間接間接6.4金剛石金剛石間接間接5.47AlN直接直接6.2SiC間接間接4H-SiC3.23，6H-SiC3.0Ga2O3（高溫）（高溫）直接直接4.85.1n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導體寬禁帶半導體 1

7、. 1.半導體及其帶隙半導體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導體材料具有寬禁帶的半導體材料n準一維納米材料的合成準一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 一維納米材料是指一維納米材料是指在三維空間內(nèi)有兩維尺寸在三維空間內(nèi)有兩維尺寸處于納米量級的材料體系處于納米量級的材料體系 一維納米材料的種類一維納米材料的種類納米棒：細棒狀結構，一般長徑比納米棒：細棒狀結構，一般長徑比10納米帶：長徑比納

8、米帶：長徑比10，一般寬厚比，一般寬厚比3納米管：細長并具有空心管狀結構納米管：細長并具有空心管狀結構納米電纜以及同軸納米線納米電纜以及同軸納米線一維納米材料一維納米材料 材料在兩個維度受到限制材料在兩個維度受到限制準一維納米材料準一維納米材料 材料的結構可能是二維或三維，但其性質材料的結構可能是二維或三維，但其性質由材料的某一方向的鏈決定由材料的某一方向的鏈決定 目前用于制備準一維納米線的最主要方法為目前用于制備準一維納米線的最主要方法為氣相合成法，除此之外還有以下幾種方法：氣相合成法，除此之外還有以下幾種方法：模板法模板法 通過模板產(chǎn)生通過模板產(chǎn)生限域空間限域空間從而從而獲得所需形狀獲得所

9、需形狀的材料的材料 可大致分為硬可大致分為硬模板和軟模板模板和軟模板水熱法及溶劑熱法水熱法及溶劑熱法 在密閉反應器在密閉反應器中以水溶液作中以水溶液作反應體系，加反應體系，加熱高壓從而無熱高壓從而無極合成極合成 溶劑熱法則是溶劑熱法則是以有機溶劑代以有機溶劑代替水替水電旋涂法電旋涂法 將兩種不混溶將兩種不混溶液體分置共軸液體分置共軸毛細噴頭內(nèi)外毛細噴頭內(nèi)外層噴出液體，層噴出液體，通過通過溶膠溶膠- -凝膠凝膠獲得納米線獲得納米線 用于制備大量用于制備大量納米管納米管n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導體寬禁帶半導體 1. 1.半導體及其帶隙半導體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的

10、特點 3. 3.具有寬禁帶的半導體材料具有寬禁帶的半導體材料n準一維納米材料的合成準一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 氣相合成法的特點氣相合成法的特點優(yōu)勢：可生長幾乎任何無機材料的準一維納優(yōu)勢：可生長幾乎任何無機材料的準一維納米材料米材料/ /結構，操作簡單易行結構，操作簡單易行不足：一般需要較高溫度，難以制造有機材不足：一般需要較高溫度，難以制造有機材料、無機料、無機- -有機負荷材料及金屬離子摻雜體系有機負荷材料及金屬離子摻

11、雜體系 氣相法主要有兩種機制氣相法主要有兩種機制VLSVLS及及VS VLS( (Vapor-Liquid-Solid) )汽液固機制（有催化汽液固機制（有催化劑）劑） VLS法是制備無機材料的納米線最廣泛的方法是制備無機材料的納米線最廣泛的方法，可用來制備的納米線體系包括元素半導法，可用來制備的納米線體系包括元素半導體體( (Si，Ge），），III-V族半導體族半導體( (GaN，GaAs，GaP，InP，InAs) )，IIVI族半導體族半導體( (ZnS，ZnSe，CdS，CdSe），以及氧化物），以及氧化物( (ZnO，Ga2O3，SiO2) )等。等。 生長過程生長過程1 1：催化

12、劑與氣相反應物碰撞、聚：催化劑與氣相反應物碰撞、聚集形成合金液滴；集形成合金液滴；2 2：過飽和后開始成核；：過飽和后開始成核；3 3：欠飽和的液滴繼續(xù)吸收氣相并成核，在液：欠飽和的液滴繼續(xù)吸收氣相并成核，在液滴約束下成長為一維結構的納米線滴約束下成長為一維結構的納米線 VLS機制的主要特點為催化劑，在合成的納機制的主要特點為催化劑，在合成的納米結構頂端會有催化劑納米顆粒的形成。常米結構頂端會有催化劑納米顆粒的形成。常以此區(qū)別以此區(qū)別VLS和和VS機制機制Au-Ge VLS機制中，常采用激光燒蝕法、熱蒸發(fā)法機制中，常采用激光燒蝕法、熱蒸發(fā)法以及金屬有機化學氣相沉積法以及金屬有機化學氣相沉積法

13、激光燒蝕法（激光燒蝕法（laser ablation）是利用激光在）是利用激光在特定氣氛下轟擊靶材，將催化金屬和目標材特定氣氛下轟擊靶材，將催化金屬和目標材料的原材料一同用激光蒸發(fā)，同時結合一定料的原材料一同用激光蒸發(fā)，同時結合一定氣體，在襯底或反應腔壁上沉積納米材料氣體，在襯底或反應腔壁上沉積納米材料 熱蒸發(fā)法（熱蒸發(fā)法（thermal evaporation）：將一種）：將一種或幾種反應物，在高溫區(qū)通過加熱形成蒸汽或幾種反應物，在高溫區(qū)通過加熱形成蒸汽，然后用惰性氣體運送到反應器低溫區(qū)，從，然后用惰性氣體運送到反應器低溫區(qū)，從而生長準一維納米材料而生長準一維納米材料 物質的物理蒸發(fā)和再沉積

14、物質的物理蒸發(fā)和再沉積 物理過程物理過程固體粉固體粉末物理末物理蒸發(fā)蒸發(fā) 形成蒸汽后發(fā)生化學變化，形成蒸汽后發(fā)生化學變化，所得材料與前驅體反應物所得材料與前驅體反應物化學組成不同化學組成不同 化學過程化學過程化學氣化學氣相沉積相沉積 金屬有機化學氣相沉淀法（金屬有機化學氣相沉淀法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）：利用金屬有機）：利用金屬有機物分解溫度較低的特點，在較低溫度下產(chǎn)生物分解溫度較低的特點，在較低溫度下產(chǎn)生足夠蒸汽壓形成氣相反應物足夠蒸汽壓形成氣相反應物 存在缺陷：存在缺陷：1. 1.不是所有半導體化合物都可找到合適的有不是所有半導體化

15、合物都可找到合適的有機金屬前驅體，普適性較差；機金屬前驅體，普適性較差；2. 2.前驅體合成困難、昂貴，不利于大規(guī)模制前驅體合成困難、昂貴，不利于大規(guī)模制備；備；3. 3.常伴隨有毒氣體，需配備相應吸收裝置常伴隨有毒氣體，需配備相應吸收裝置 VS機制機制（Vapor-Solid）則是在無催化劑的條）則是在無催化劑的條件下、不經(jīng)過合金液滴成核的過程，直接利件下、不經(jīng)過合金液滴成核的過程，直接利用端部的螺旋位錯不斷單向生長直至形成（用端部的螺旋位錯不斷單向生長直至形成（準）納米線的另一種氣相沉積機制。這種機準）納米線的另一種氣相沉積機制。這種機制的顯著特點為有螺旋位錯貫穿整個納米線制的顯著特點為有

16、螺旋位錯貫穿整個納米線的生長的生長 VLS和和VS作為兩種氣相合成的機制，各有其作為兩種氣相合成的機制，各有其特點，總體來說特點，總體來說VLS機制的應用更加廣泛。機制的應用更加廣泛。二者的相同點和差異比較詳見翟老師的博士二者的相同點和差異比較詳見翟老師的博士論文前言論文前言n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導體寬禁帶半導體 1. 1.半導體及其帶隙半導體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導體材料具有寬禁帶的半導體材料n準一維納米材料的合成準一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器

17、1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 一直以來一直以來, , 高靈敏紫外探測多采用對紫外敏高靈敏紫外探測多采用對紫外敏感的光電倍增管和類似的真空器件。紫外增感的光電倍增管和類似的真空器件。紫外增強型硅光電二極管是固體探測器的代表。二強型硅光電二極管是固體探測器的代表。二者技術雖然日益成熟，但均存在無法回避的者技術雖然日益成熟，但均存在無法回避的缺陷缺陷隨著半導體材料的發(fā)展，采用寬禁隨著半導體材料的發(fā)展，采用寬禁帶半導體的紫外探測器成為研究的熱點帶半導體的紫外探測器成為研究的熱點探測器類型探測器類型缺陷缺陷光電倍增管等真空器件光電倍增管等真空

18、器件體積大、工作電壓高體積大、工作電壓高固體探測器固體探測器響應可見光，需附帶濾光片響應可見光，需附帶濾光片傳統(tǒng)探測器的缺陷傳統(tǒng)探測器的缺陷 寬禁帶半導體紫外光探測器具有抗干擾能力寬禁帶半導體紫外光探測器具有抗干擾能力強和適用于惡劣環(huán)境強和適用于惡劣環(huán)境 ( ( 如高溫環(huán)境如高溫環(huán)境) ) 等優(yōu)良特等優(yōu)良特性性 , , 在科研在科研 、 軍事軍事 、 航天航天 、 環(huán)保環(huán)保 、 防火防火和許多工業(yè)控制領域具有重要應用價值和許多工業(yè)控制領域具有重要應用價值戰(zhàn)術場景不同波段的戰(zhàn)術圖像戰(zhàn)術場景不同波段的戰(zhàn)術圖像 在發(fā)展寬禁帶半導體在發(fā)展寬禁帶半導體UV detector的同時，老的同時，老一代探測器

19、依然存在。一代探測器依然存在。 總體來看，目前總體來看，目前 用于制作紫外光探測器的材用于制作紫外光探測器的材料主要有料主要有 Si, , SiC, , GaN, , ZnO以及金剛石等以及金剛石等 除此之外，其他一些寬禁帶半導體材料諸如除此之外，其他一些寬禁帶半導體材料諸如TiO2、-Ga2O3也開始被用來研發(fā)新型紫外探也開始被用來研發(fā)新型紫外探測器測器n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導體寬禁帶半導體 1. 1.半導體及其帶隙半導體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導體材料具有寬禁帶的半導體材料n準一維納米材料的合成準一維納米材料的合成 1. 1

20、.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 GaN基紫外探測器基紫外探測器 氮化鎵基氮化鎵基(GaN Based)材料是指元素周期表中材料是指元素周期表中的的III 族元素鋁、鎵、銦和族元素鋁、鎵、銦和V族元素氮形成的族元素氮形成的化合物化合物(GaN、AlN、InN) 以及由它們組成的以及由它們組成的多元合金多元合金(InGaN、AlGaN等等) 鋁鎵氮材料（纖鋅礦結構）禁帶寬度可從鋁鎵氮材料（纖鋅礦結構）禁帶寬度可從3.4 eV（ GaN ）連續(xù)變化到）連續(xù)變化

21、到6.2 eV（ AlN ），對），對應探測器的截止波長應探測器的截止波長365 nm200 nm 上世紀上世紀80年代中期之前，年代中期之前，GaN材料的應用很材料的應用很受限制，主要原因有三方面：受限制，主要原因有三方面：1. 1.體材料合成及其困難；體材料合成及其困難；2. 2.晶格失配問題（沒有與晶格匹配的合適外晶格失配問題（沒有與晶格匹配的合適外延襯底）延襯底）3. 3.P型摻雜的困難：型摻雜的困難：GaN中摻雜中摻雜Mg易被氫原子易被氫原子鈍化，失去受主性質鈍化，失去受主性質 突破性進展：突破性進展： 1986年日本的年日本的Amano和和1991年的年的Nakamura研研究發(fā)現(xiàn)

22、究發(fā)現(xiàn), , 在在低溫生長的緩沖層上低溫生長的緩沖層上可獲得高質可獲得高質量量GaN外延薄膜外延薄膜 另有實驗發(fā)現(xiàn)另有實驗發(fā)現(xiàn), , 低能電子輻照或氮氣中中溫低能電子輻照或氮氣中中溫退火可以破壞退火可以破壞Mg-H絡合體絡合體, , 從而激活受主從而激活受主, , 實實現(xiàn)高濃度摻雜現(xiàn)高濃度摻雜 目前在藍寶石襯底上生長目前在藍寶石襯底上生長GaN外延薄膜幾乎外延薄膜幾乎都采用了先低溫生長緩沖層、再高溫生長外都采用了先低溫生長緩沖層、再高溫生長外延膜的兩步工藝延膜的兩步工藝 低溫緩沖層的作用：低溫緩沖層的作用：解決晶格失配問題解決晶格失配問題, , 為為外延生長提供了成核中心和應力釋放中心外延生長

23、提供了成核中心和應力釋放中心 Alx Ga1- x N 材料的優(yōu)點材料的優(yōu)點: : 隨隨Al 組分變化組分變化, , 帶隙帶隙從從365nm ( ( x = 0) ) 到到200nm( ( x = 1) ) 可調(diào)可調(diào), , 覆蓋覆蓋了地球上大氣臭氧層吸收的主要窗口了地球上大氣臭氧層吸收的主要窗口240 290nm, , 不需要濾光系統(tǒng)就能制作成日盲紫外不需要濾光系統(tǒng)就能制作成日盲紫外探測器探測器. .在苛刻的物理和化學環(huán)境中具有很高在苛刻的物理和化學環(huán)境中具有很高的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性, , 具有耐高溫抗輻射的特性具有耐高溫抗輻射的特性. . 肖特基結構、肖特基結構、MSM探測器示意圖探測器示意圖

24、一種一種Alx Ga1- x N ( (Al0.25 Ga0.75 N ) )紫外探測器的紫外探測器的響應光譜響應光譜 1998 年，美國年，美國NASA GoddardSpace Flight Center 首次報道了首次報道了256256 GaN 光電導型紫光電導型紫外外焦平面陣列焦平面陣列。1999 年，美國北卡羅來那大年，美國北卡羅來那大學、學、Honeywell 技術中心和美國夜視實驗室技術中心和美國夜視實驗室合作成功實現(xiàn)了基合作成功實現(xiàn)了基GaN/AlGaN p-i-n 型背照射型背照射3232 陣列焦平面探測器的數(shù)字照相機，陣列焦平面探測器的數(shù)字照相機， 響應波段為響應波段為32

25、0365 nm 2005 年，美國西北大學報道了日盲型年，美國西北大學報道了日盲型320256 AlGaN p-i-n型紫外焦平面探測器，型紫外焦平面探測器， 給出了清晰的圖像。給出了清晰的圖像。2006 年，在年，在NASA的支的支持下，持下，BAE、EMCORE、Boston大學、大學、Texas 大學和大學和Cree共同研制了波長在共同研制了波長在260280nm的的256256 AlGaN p-i-n型紫外焦平面探測器型紫外焦平面探測器 在國內(nèi)，從事對在國內(nèi)，從事對GaN基基UV detector研究的單研究的單外主要有中科院半導體研究所、中科院上海外主要有中科院半導體研究所、中科院上

26、海技術物理研究所以及中國電子科技集團公司技術物理研究所以及中國電子科技集團公司第四十四研究所等。研究重點是第四十四研究所等。研究重點是PIN 型型 GaN 與與 AlGaN 外延材料的生長及探測器制作工藝外延材料的生長及探測器制作工藝等等 從已公開的報道看上海技術物理研究所已研從已公開的報道看上海技術物理研究所已研制了制了 GaN基基3232紫外焦平面探測器，但其紫外焦平面探測器，但其性能離實際使用要求還有較大差距。性能離實際使用要求還有較大差距。2007年年該所研制出日盲型該所研制出日盲型AlGaN 128128陣列探測陣列探測芯片，響應波長在芯片，響應波長在255nm，非均勻性為，非均勻性

27、為 25，盲元率在，盲元率在 5左右，器件尺寸左右，器件尺寸5050mm2讀出電路還在研制中。這是目前國內(nèi)已公開讀出電路還在研制中。這是目前國內(nèi)已公開報道的最大尺寸的響應波長最短的日盲型報道的最大尺寸的響應波長最短的日盲型 AlGaN基陣列紫外探測器。與國外相比，國基陣列紫外探測器。與國外相比，國內(nèi)研制的紫外探測器件內(nèi)研制的紫外探測器件陣列規(guī)模較小，性能陣列規(guī)模較小，性能指標有一定差距，無實用化產(chǎn)品指標有一定差距，無實用化產(chǎn)品 吉林大學的吉林大學的Hailin Xue等人在肖特基接觸的基等人在肖特基接觸的基礎上構建了礎上構建了MSM型型TiO2紫外探測器紫外探測器 文獻中提到：文獻中提到：因為

28、因為TiO2 優(yōu)異的物化性質，優(yōu)異的物化性質，通常被運用于光催化和光電池的研究中，而通常被運用于光催化和光電池的研究中，而在紫外光探測上的科研則很少在紫外光探測上的科研則很少本文將采用本文將采用納晶納晶TiO2薄膜與薄膜與Au電極構筑電極構筑MSM型型UV Detector Au電極采用電極采用rf magnetron sputtering（射頻磁（射頻磁控濺射）制得，層厚為控濺射）制得，層厚為260 nm，叉指電極采，叉指電極采用光刻技術制得（未給圖），指間距為用光刻技術制得（未給圖），指間距為20m，總有效面積為，總有效面積為0.38 mm2 TiO2薄膜通過薄膜通過sol-gel法制得，

29、原料為法制得，原料為Ti(OC4H9)4，制備過程略，制備過程略5V偏壓下，暗電流偏壓下，暗電流1.9 nA；250 nm紫外紫外輻照下光電流輻照下光電流2.77 A 光譜響應測試結果如下圖所示，在光譜響應測試結果如下圖所示，在260 nm處處的響應度最大能達到的響應度最大能達到199 A/W，作者認為高，作者認為高響應的原因：紫外光下肖特基勢壘降。更多響應的原因：紫外光下肖特基勢壘降。更多的載流子穿過勢壘，使電流加強的載流子穿過勢壘，使電流加強 然而該探測器的響應時間則很長，然而該探測器的響應時間則很長，5V偏壓下偏壓下檢測如下，響應和回落時間分別為檢測如下，響應和回落時間分別為6s和和15

30、s 作者分析響應慢的原因為廣泛分布于納晶的作者分析響應慢的原因為廣泛分布于納晶的缺陷。而這些缺陷會構成復合中心，從而抑缺陷。而這些缺陷會構成復合中心，從而抑制響應電流的產(chǎn)生制響應電流的產(chǎn)生 展望：如果晶體生長的更好，指間距更短，展望：如果晶體生長的更好，指間距更短，響應將會變得迅速響應將會變得迅速 ZnO薄膜探測器薄膜探測器 ZnO屬屬-族寬禁帶直接帶隙化合物半導體族寬禁帶直接帶隙化合物半導體材料，熔點材料，熔點1975，室溫下，室溫下Eg=3.37eV，激子，激子束縛能為束縛能為60meV，遠大于室溫離解能，遠大于室溫離解能ZnO的三種結構示意圖：的三種結構示意圖：a巖鹽，巖鹽，b閃鋅礦，閃

31、鋅礦，c纖鋅礦纖鋅礦 寬禁帶的寬禁帶的ZnO對紫外光波段高度敏感，其熱對紫外光波段高度敏感，其熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性好，能勝任高溫和腐蝕穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性好，能勝任高溫和腐蝕性環(huán)境性環(huán)境 較較GaN紫外探測器紫外探測器，ZnO不需要昂貴的外延不需要昂貴的外延生長方法，易于找到匹配的襯底材料，成膜生長方法，易于找到匹配的襯底材料，成膜性強且薄膜的外延生長溫度低，具有激子復性強且薄膜的外延生長溫度低，具有激子復合能量高、電子誘生缺陷較低、閾值電壓低合能量高、電子誘生缺陷較低、閾值電壓低等優(yōu)點，有利于制作高性能的紫外光電探測等優(yōu)點，有利于制作高性能的紫外光電探測器器 ZnO薄膜的制備：薄膜的制備：1.

32、濺射法（濺射法（Sputtering）2.脈沖激光沉積（脈沖激光沉積（PLD）3.金屬有機物化學氣相沉積（金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）4.分子束外延（分子束外延（MBE）5.噴射熱分解技術（噴射熱分解技術（Spray Pyrolysis）6.溶膠溶膠-凝膠法（凝膠法（Sol-gel） 浙江大學硅材料國家重點實驗室以浙江大學硅材料國家重點實驗室以Si(Si(111) )襯襯底，用脈沖激光沉積制得底，用脈沖激光沉積制得C軸高度擇優(yōu)取向軸高度擇優(yōu)取向的的ZnO薄膜，并利用剝離技術制備了薄膜，并利用剝離技術制備了Al-ZnO-Al光導型紫外探測器。光導型紫外探測器。Al叉指狀電極叉指狀電極(

33、(下圖下圖) )是是由平面磁控濺射技術沉積得到的由平面磁控濺射技術沉積得到的 由下圖所示合金化后由下圖所示合金化后AI/ ZnO/ A紫外探測器紫外探測器I-V特性可知，特性可知，Al、ZnO間能形成良好的歐姆接間能形成良好的歐姆接觸，而電阻值隨退火溫度升高先下降后上升觸，而電阻值隨退火溫度升高先下降后上升 下降是由于歐姆接觸電阻下降，之后上升是下降是由于歐姆接觸電阻下降，之后上升是因為隨溫度升高因為隨溫度升高AI/ ZnO間形成氧化鋁絕緣層間形成氧化鋁絕緣層 下圖給出了下圖給出了AI/ ZnO/ AI 光導型探測器的光響光導型探測器的光響應曲線，合金化溫度為應曲線，合金化溫度為590。 在在

34、340nm370nm的紫外區(qū)域，的紫外區(qū)域，ZnO薄膜光響應薄膜光響應曲線比較平坦，響應度很低在曲線比較平坦，響應度很低在0.5A/ W左右左右，原因：，原因：PLD法對薄膜損傷大，內(nèi)部缺陷大法對薄膜損傷大，內(nèi)部缺陷大，且表面有沾污，且表面有沾污 廈門大學吳孫桃小組則采用射頻磁控濺射法廈門大學吳孫桃小組則采用射頻磁控濺射法在在SiO2/n-Si襯底上制備襯底上制備ZnO薄膜，并利用此薄膜，并利用此薄膜制作了薄膜制作了Ag-ZnO-Ag叉指結構叉指結構MSM探測器探測器 在在34.49出現(xiàn)強的（出現(xiàn)強的（002）峰，表明）峰，表明ZnO有有良好的良好的c軸擇優(yōu)取向軸擇優(yōu)取向 該課題組對制得的該課

35、題組對制得的ZnO薄膜進行透射，得到薄膜進行透射，得到如下譜圖，可見在可見光下有很高的透射率如下譜圖，可見在可見光下有很高的透射率，平均透射率在，平均透射率在85%左右；左右；370nm附近有吸附近有吸收邊，波長小于收邊，波長小于370nm的紫外光均被吸收的紫外光均被吸收 制作好的制作好的MSM探測器分別在光照和無光照下探測器分別在光照和無光照下的的I-V特性，可看出特性，可看出Ag與與ZnO形成良好肖特基形成良好肖特基接觸。接觸。5V偏壓下器件漏電流和光電流分別為偏壓下器件漏電流和光電流分別為33nA和和1.7A。說明。說明Ag-ZnO-Ag結構能比結構能比Al-ZnO-Al結構更好抑制漏電

36、流結構更好抑制漏電流 Ag-ZnO-Ag探測器的光譜響應曲線如下所示探測器的光譜響應曲線如下所示。響應峰值在。響應峰值在365nm左右，與左右，與ZnO禁帶寬度禁帶寬度基本吻合基本吻合 Changchun Institute of Optics則開展了則開展了Au-ZnO-Au結構紫外探測器的研究工作，制備結構紫外探測器的研究工作，制備ZnO薄膜采取射頻磁控濺射法薄膜采取射頻磁控濺射法IVcharacteristics of ZnO MSM structure with interdigitedconfiguration measured in dark and 365 nm illumina

37、tion 左圖可看到，左圖可看到，3V偏壓下響應峰值在偏壓下響應峰值在360nm附附近；而從右圖可知，近；而從右圖可知，20ns開始快速響應，開始快速響應，250ns時響應趨于完全（時響應趨于完全（The 90%/10% rise/ fall time） Xian Institute of Optics and Precision Mechanics采用采用RF法制作了法制作了ZnO薄膜并以此構薄膜并以此構建了建了Al-ZnO-Al結構紫外探測器。左圖為結構結構紫外探測器。左圖為結構示意圖：黑色部分為叉指電極，白色為示意圖：黑色部分為叉指電極，白色為ZnO。右圖為叉指電極的顯微照片。右圖為叉指

38、電極的顯微照片 左圖為透射率，在左圖為透射率，在375nm附近出現(xiàn)陡峭的吸附近出現(xiàn)陡峭的吸收邊，說明該探測器對收邊，說明該探測器對375nm以內(nèi)的紫外線以內(nèi)的紫外線吸收良好。右圖為無光照和吸收良好。右圖為無光照和365nm光照下的光照下的I-V特性，特性，5V偏壓下光電流偏壓下光電流882A，遠高于無，遠高于無光照的光照的38A 而探測器的功率為而探測器的功率為50W，故可得出在，故可得出在5V偏偏壓下，該壓下，該ZnO薄膜紫外探測器的響應度為薄膜紫外探測器的響應度為18A/W The detector shows fast photoresponse with a rise time of

39、100 ns and fall time of 1.5msn紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導體寬禁帶半導體 1. 1.半導體及其帶隙半導體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導體材料具有寬禁帶的半導體材料n準一維納米材料的合成準一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 這里的納米探測器特指以準一維納米線材料這里的納米探測器特指以準一維納米線材料制作的探測器。多根準一維納米線交叉堆放制作的探測器

40、。多根準一維納米線交叉堆放在一起，置放于電極之間，構成了探測器的在一起，置放于電極之間，構成了探測器的主要部分主要部分 納米線由于其制作簡單，比表面積高，以及納米線由于其制作簡單，比表面積高，以及兩個維度上的載波限制等特點，能給探測器兩個維度上的載波限制等特點，能給探測器性能帶來很大提高；當然，如何將大量的納性能帶來很大提高；當然，如何將大量的納米線集成進器件仍然是一個較大的問題米線集成進器件仍然是一個較大的問題ElectrodeNW Xiaosheng Fang等人采用單晶等人采用單晶ZnS納米帶制作納米帶制作紫外光探測器，制作途徑為紫外光探測器，制作途徑為CVD，制得的，制得的ZnS納米帶

41、呈現(xiàn)多分叉的結構納米帶呈現(xiàn)多分叉的結構 文中提到：文中提到：相比間接禁帶（相比間接禁帶（5.5 eV）的金）的金剛石和直接禁帶（剛石和直接禁帶（3.4 eV）的）的ZnO， ZnS（3.723.77 eV）更適合制作紫外光的探測）更適合制作紫外光的探測器器 納米帶長可達納米帶長可達1mm，寬度取值，寬度取值在在200nm1m之之間，間，a中小圖顯示中小圖顯示出出ZnS納米帶長在納米帶長在襯有襯有Au的的Si基上基上 另有另有XRD衍射峰顯衍射峰顯示出該材料為六方示出該材料為六方纖鋅礦結構纖鋅礦結構 a探測器的光學顯微照片探測器的光學顯微照片; b單根納米帶響應單根納米帶響應UV示意圖示意圖;

42、c（from a）SEM; d I-V curve 優(yōu)秀特性：優(yōu)秀特性：與傳統(tǒng)硅基半導體相比，在相當高的溫度下與傳統(tǒng)硅基半導體相比，在相當高的溫度下仍有效；仍有效；與可見光相比，對與可見光相比，對320nm處的紫外響應高出處的紫外響應高出103偏壓偏壓10 V 多重多重ZnS基納米帶基納米帶UV探測器探測器 開關燈實驗展示了該感應器優(yōu)秀的可逆性和開關燈實驗展示了該感應器優(yōu)秀的可逆性和周期性周期性偏壓偏壓20V P. Feng等人采用單斜等人采用單斜相相Ga2O3納米線制作了納米線制作了日盲型的（紫外）光探測器日盲型的（紫外）光探測器 -Ga2O3 （4.2-4.9eV）納米線搭載于兩）納米線搭

43、載于兩Au電電極之間，無光照條件下暗電流為幾極之間，無光照條件下暗電流為幾pA，254nm光照時電流強度提升光照時電流強度提升103 分別采用了分別采用了XRD、SEM、EDX對產(chǎn)物進行測試對產(chǎn)物進行測試XRDSEMEDX 制作器件的思路：先制作制作器件的思路：先制作Au電極，然后把合電極，然后把合成好的成好的-Ga2O3 灑在電極上即可灑在電極上即可Si基基500 nm SiO250 nm Au a、b分別顯示了無光照及分別顯示了無光照及254 nm紫外照射下的紫外照射下的I-V特性特性 （1 nA=1000 pA） 造成曲線不對稱、非線性造成曲線不對稱、非線性的原因為電極與納米線間的原因為

44、電極與納米線間的歐姆接觸不好的歐姆接觸不好1. -Ga2O3表面自由載流表面自由載流子密度過低子密度過低2.納米線與納米線與Au間晶格失配間晶格失配 實時響應（實時響應（real-time response）及響應時間）及響應時間的測試結果如下圖所示的測試結果如下圖所示 該文獻指出，采用該文獻指出，采用-Ga2O3納米線制作的光導納米線制作的光導型紫外探測器具有非常快的響應和回復速度型紫外探測器具有非?？斓捻憫突貜退俣?，相比之下，諸如，相比之下，諸如ZnO、In2O3等納米線探測等納米線探測器則具有過長的響應時間（器則具有過長的響應時間（10s）和回復時）和回復時間（間（200s），因為這些

45、納米線具有過高的載），因為這些納米線具有過高的載流子密度，即使是在無光照的情況下流子密度，即使是在無光照的情況下 因此作者認為因此作者認為-Ga2O3納米線是非常理想的紫納米線是非常理想的紫外探測材料外探測材料 東京大學的東京大學的Ichiro Yamada等人制作出超長（等人制作出超長（大約大約100m）ZnO納米線并用以制作橋接電納米線并用以制作橋接電極式紫外探測器。該探測器響應速率快，響極式紫外探測器。該探測器響應速率快，響應度高，且單一好，對可見光無響應，為高應度高，且單一好，對可見光無響應，為高性能的日盲型紫外探測器性能的日盲型紫外探測器 制作過程中，為了避免取制作過程中，為了避免取-用過程（用過程（pick and place）的分離，以及使電極）的分離，