ZnO光敏传感器.doc

课程设计实验报告院 系：电子工程学院专业班级：微电子0803学生姓名：范梦云（07） 学 号：040840872011年12月19日-2011年12月30日 目 录1.引言 2光敏传感器原理及应用简介 2.1 光敏传感器的定义 2.2 一般结构 2.3 主要参数与特性 2.4光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器 2.5 光敏电阻的工作原理 2.6 应用3. 光电导效应 3.1 光电导效应概念 3.2 光电转换 3.3 主要特性参数4. ZnO宽带隙半导体及其基本特性4.1 ZnO半导体基本介绍4.2 纤锌矿型ZnO半导体的晶体结构和基本性质 4.3 纤锌矿型ZnO的能带结构 4.4 ZnO固有缺陷5. ZnO光敏传感器的制作及测试 5.1 实验前准备 5.2光敏传感器的制备5.3测试6 实验结果分析7. 小结 1. 引言 ZnO是一种新型的宽带半导体材料，在能带结构、晶格缺陷、抗辐照特性及电学性质等方面具有特殊性，它是未来半导体光电子领域极具应用潜力的新一代宽带隙半导体材料。ZnO是继GaN、GaAs之后，宽禁带半导体光电材料研究的热点。此次课程设计我们的主要工作是，在对光敏传感器以及ZnO半导体的认识基础上，制作出ZnO光敏传感器，并对其光电导效应进行测试分析。 2光敏传感器原理及应用简介2.1 光敏传感器的定义： 光敏传感器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。2.2 一般结构： 光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更 多的光能。当它受到光的照射时，半导体 片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电阻器结构如右图所示。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。2.3 主要参数与特性：（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。 （5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（6）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。（7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。2.4光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：（1）紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。（2）红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。（3）可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。2.5 光敏电阻的工作原理： 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。2.6 应用： 光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。 3. 光电导效应3.1 光电导效应概念 半导体受到光照射时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，半导体的阻值愈小。这种光照射后电导率发生变化的现象，称为光电导效应。光电导器件常称为光敏电阻。在适当波长的光照射下，其阻值变小，从而使回路电流变大，负载上压降增加，即它的等效电路中应有反映入射光信号的电流源。因此，光敏电阻是有源元件，称其为光电导器件或光电探测器。光敏半导体材料是纯电阻性的。当无光照时，其暗电阻值很大，电路的暗电流很小；当受到一定波长范围的光照时，其电阻值急剧减小，电路电流随之迅速增加。光敏电阻阻值的变化与光照波长有关。因此，应用时应根据光波波长合理选择有不同材料做成的光敏电阻。光敏电阻无极性之分，使用时在两极加上恒定的交流或直流电压均可。3.2 光电转换 当光照射到光电导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下，沿一定方向运动，电路中产生电流。a. 本征型：可用来检测可见光和近红外辐射b. 非本征型（N型为主）：可以检测波长很长的辐射3.3 主要特性参数（1）光电流及增益无光照时流过器件的电流称为暗电流，由入射光引起的称光电流。 增益 可理解为：样品中每产生一个光生载流子所构成的流入外电路的载流子数。减少电极间的间距L，适当提高工作电压，对提高G有利。若G1，即单位时间流过器件的电荷数大于器件内光激发的电荷，从而使电流得到放大。由上式可知：减小样品长度可以大大提高增益； 增加载流子的寿命也可提高增益。 （光敏面做成蛇形，电极做成梳妆是因为这样既可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间的距离，从而即可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。）（2）光电导灵敏度Sg 定义为光电导与输入光照度E之比：其中，：光电导（西门子S）； E ：照度（勒克斯lx）； ：入射通量（流明lm）*灵敏度与光电增益的区别：灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力放入大小（指材料的特性）；增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力（指结构参数）。（3）光电特性光电流与照度的关系： （r：光照指数）由图可知：弱光时，光电流与照度E成线性关系，即得 r=1; 强光时，光电流与照度E成抛物线，即得 r=0.5;强光照下光电特性的分析;光照增强的同时，载流子浓度不断增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势（冷却可以改善）。（4）伏安特性在一定的光照下，光电流与所加电压U的关系：一定的光照下，与电压U的关系；相同的电压下，与电压U的关系。说明：光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律； 光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而耗散功率又和其面积大小、散热情况有关； 伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。 4. ZnO宽带隙半导体及其基本特性4.1 ZnO半导体基本介绍：ZnO属II-VI族宽禁带直接带隙化合物半导体材料，熔点为1975C，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60MeV，远远大于室温离解能。人们早就发现，ZnO对于蓝光、紫光、近紫外波段的光电子器件是一种极具潜力的宽带隙光电子半导体材料。在过去，主要是利用ZnO多晶陶瓷制备压电、气敏传感器等，但是ZnO作为宽带隙半导体的制备、特征 以用于电子/光电子半导体器件的研究，却没有受到像GaN等那样的重视，这主要是由于ZnO高结晶质量薄膜难以制备，高密度缺陷（位错、晶界等等）的晶体致使室温下的ZnO紫外受激发射特性急剧猝灭的缘故。GaN蓝光激射的成功大大激发了其它宽带隙半导体的研究步伐。1997年，Ohtomo研究小组首次报道了蓝宝石衬底上利用激光分子束外延（L-MBE）方法制备高结晶质量的ZnO薄膜，以及该薄膜的室温紫外受激发射现象，从而彻底改变了ZnO这种宽带隙半导体研究在过去很长时间受到冷落的局面。ZnO半导体在能带结构、晶格缺陷、抗辐照特性及电学性质等方面具有特殊性。其具有高的激子束缚能，优良的传输特性，强抗辐照特性以及低成本和环境友好等显著特征，它是未来半导体光电子领域极具应用潜力的新一代宽带隙半导体材料。4.2 纤锌矿型ZnO半导体的晶体结构和基本性质：ZnO有三种晶体结构，即纤锌矿型、闪锌矿型和岩盐矿性。在大气压条件下存在的热稳定相是纤锌矿型ZnO，在立方衬底上才可能形成外延的亚稳态闪锌矿型ZnO结构，而只有在相当高的压强下才可能形成岩盐矿型ZnO结构。通常生长的ZnO都是纤锌矿型晶体结构，纤锌矿型ZnO晶体结构属于六方晶系，其晶体结构示意图如图1所示，晶格常数和物理参数如表1所示。在ZnO晶体结构中，离子半径为0.024nm，半径为0.036nm，Zn-O键长1.9915埃，每个Zn原子与4个O原子构成四面体排布，晶体中负离子配位多面体为Zn-O4四面体。四面体的底面与C（0001）面平行，四面体的顶角正对向C（000-1）面。很明显，Zn原子在C轴方向不是对称分布的，其分布偏向于（0001）面，远离（000-1）面。ZnO警惕不仅具有稳定的化学性质和物理性质，由于ZnO具有典型的纤锌矿六方晶体结构，因此它也是一种常见的压电晶体。由于Zn和O的电负性差异，纤锌矿ZnO既具有共价键晶体的特征也具有离子晶体的特征。 图1 纤锌矿型ZnO的晶体结构示意图表1 纤锌矿型ZnO晶体的基本特性（300K）4.3 纤锌矿型ZnO的能带结构 纤锌矿结构ZnO的导带由S态形成，它的对称性是7。在晶体场分裂与自旋轨道藕合的共同作用下，ZnO的价带分裂成三个子带。它们的对称性分别为7，9和7，如图1.3所示。ZnO的近带边本征吸收和光发射(NBE)主要是由这三个价带的光跃迁决定。因此ZnO中的自由激子有A(导带到重空穴的跃迁)、B(导带到轻空穴的跃迁)和C激子(导带到晶体场劈裂带的跃迁)三种。 关于价带三个子带的对称性顺序，很多年来一直存有争议。直到最近，Lambrecht对磁光激子精细结构进行了认真研究，他们得出的价带对称性顺序分别是A一7，B一9和C一7，见图2。这一结论也逐渐得到了人们的认可。设照射ZnO的激发光的电矢量为E。根据光学跃迁选择定则，A、B激子在E垂直于c轴时具有较大的谐振强度，而当E平行于c轴时，C激子才产生较大的谐振强度。 图2 六方结构ZnO的能带结构与对称性 （由于晶体场分裂和自旋轨道耦合的共同作用，价带劈裂为A、B、C三个子带） 4.4 ZnO固有缺陷ZnO晶体在室温下禁带宽度为3.37eV，本征的ZnO晶体理论上将应具有很好的绝缘性，但是，实际上ZnO晶体是典型的若n型半导体。原因是ZnO作为一种氧化物，在其生成过程中，在特定的环境温度及氧气压力下形成了氧缺位这种非理想化学计量比晶体，因此ZnO晶体中总存在一定浓度的氧空位VO（正电中心）和锌间隙（正电中心），这些固有缺陷作为正电中心可以束缚电子，类似于半导体中的施主杂质，从而在禁带中导带底附近引入施主能级。氧空位属深施主能级，而锌间隙能级较浅，因此可以认为，虽然高温条件下形成的ZnO晶体在快速冷却到室温时存在大量的氧空位和锌间隙，而且更容易形成氧空位，但是相比氧空位而言，作为浅施主的锌间隙在室温环境却更容易电离从而成为主要的施主缺陷。显然，在室温下影响本征ZnO半导体电导特性的缺陷主要是锌间隙，但是氧空位作为深能级点缺陷施主则对半导体的发光性质有很大影响。随着ZnO晶体制备及固有缺陷研究的深入，关于未掺杂ZnO晶体中固有缺陷及其和ZnO物理性质的相互关系，也在逐步深入。对于ZnO半导体电子器件及其光电子器件的应用来说，这也是ZnO半导体基础研究最为关键的方面之一。除了氧空位和锌间隙这两种最主要的点缺陷，ZnO晶体中的各种点缺陷能级示意图如图3所示。显然，锌空位是主要的浅受主缺陷，ZnO半导体光致发光谱的绿光峰的产生和氧空位、氧间隙和锌反位这些深能级点缺陷有关。 图3 本征ZnO点阵缺陷的能级ZnO晶体还具有很强的抗辐照性能，即在高能电子束、质子以及重离子轰击下，也没有产生永久的晶格缺陷，即使在相当强的辐照剂量下也是如此。这主要是因为辐照所产生的Frenkel缺陷对能够快速复合而湮灭。单晶ZnO半导体的电子束辐照实验表明，温度在130K以上时，ZnO在辐射过程中产生的缺陷可以在1分钟之内湮灭，在1.5MeV，电子束的辐照强度下，几乎没有永久性的缺陷产生。这种强的抗辐射性能是Si、GaAs和GaN等化合物半导体所不具备的。 5. ZnO光敏传感器的制作及测试 5.1 实验前准备（1）ZnO浆液的制备：将ZnO干粉用星形球磨机加工磨碎，磨碎后将其导入丝网上，用刮板反复推刮使其透过丝网。取适量放入陶瓷研钵中，配以一定比例的无水乙醇溶液，用钵杵将其混合均匀，成为具有流变性的溶液。（2）掩膜板的设计：此次实验我们用的ITO导电玻璃是，首先在纸上范围内设计出电极图形，如图4所示，然后将掩膜板覆盖在设计的图形上进行刻画。 图4 叉指状电极5.2光敏传感器的制备 步骤一：将ITO导电玻璃用无水乙醇溶液清洗干净，放入烘箱中烘烤； 步骤二：取出烘干的ITO玻璃，用万用表测出能导电的一面并设其为正面， 在反面标上记号； 步骤三：用干净的细毛刷将配置好的ZnO浆液刷在ITO玻璃板的正面，要求所刷的厚膜均匀平整，然后将其放入烘箱中烘烤； 步骤四：将设计好的掩膜板覆盖在已烘干的ZnO厚膜上，刷银浆做电极，注意在刷银浆的过程中应压紧掩膜板，不要使银浆渗入其它区域，刷好银浆后轻轻取下掩膜板，并将其放入烘箱中烘烤。 至此我们已完成了ZnO光敏传感器的制作。5.3测试 挑选出四组ZnO光敏传感器样品，标上序号，用万用表测试其在不同光照及不同受光面积下的电阻值。测试方案：（1）将样品一完全曝光于日光下，测量并记录其电阻值； （2）