（微电子学与固体电子学专业论文）zno紫外光电探测器的研究.pdf

摘要 摘要 随着紫外探测技术优越性的凸显，人们对紫外探测器的研究越来越关注。新 型紫外探测器要求器件具有“日盲”特性，以消除红外一可见光带来的背景噪声、 提高准确探测率。传统的紫外探测器如s i 探测器已不能满足此要求，宽禁带半 导体由于其大的禁带宽度可以制备成“太阳盲”探测器，因而引起了人们的关注。 z n o 是一种新型的宽禁带半导体材料，它具有光电导响应度高、外延生长温度低、 成本低、材料无毒、易刻蚀等优点，因而z n o 紫外光电探测器前景非常广阔。 由于z n o 材料尚处于研究的初始阶段，其p 型掺杂材料难以获得，本文仅对光 电导型抽o 光电导探测器进行了研究。 本文根据理论和模拟结果，考虑到工艺条件的要求和限制，设计了叉指型 z n o 探测器的器件结构尺寸及抗反射膜厚度。勐o 探测器的制各采用l i m o 丘工 艺，a 批h 作欧姆接触金属。 在此基础上本文研究了未合金a l ，舳金属与z n o 膜的欧姆接触特性；对比 研究了s i 0 2 、s i 3 n 4 抗反射膜对z n o 探测器i - v 特性、光电响应特性的影响，同 时采用a e s 、) 四s 表面分析手段对测量结果进行了深入分析：对于器件在空气 中储存对探测器的性能影响也进行了研究。 随后测得了z l l o 紫外光电导探测器的光一暗电流、光谱响应曲线和光电响 应时间。结果表明z n o 紫外光电导探测器的在正向偏压下暗电流与光电流随外 加偏压线性增加；探测器的截止波长为3 6 8 锄，在截至波长2 0 n m 范围内，响应 度下降了1 5 ；探测器在脉冲紫外光辐照下响应时间达m s 级。 根据z n o 紫外光电探测器的具体特性参数设计了实用的紫外光电探测电路， 探测器电路系统包括器件偏置模块、探测信号放大模块及信号显示模块。将制备 的盈o 光电探测器应用到紫外光电探测电路中，能有效对紫外辐照光进行探测， 且电路显示的信号电压与外加紫外辐照量呈线性关系。 最后，对电镀加厚半导体器件压焊点处金属层的工艺进行了初步的研究。电 镀金属为金，电镀液采用无氰硫酸盐镀金液。研究了电镀层厚度与电镀时间和阴 极电流密度之间的关系，结果表明两者均表现出线性关系，电镀的较佳阴极电流 北京工业大学工学硕士学位论文 密度为o 0 7 3 5 d m 2 。 关键词z n o 单晶薄膜；光电响应；紫外探测器：抗反射膜；电镀 a b s t r a c t b e c a u s eo f 1 er e 1 a r k a b l ea d v a n t a g c so fu v d e t e c t i l l gt e c l l n o l o g y ，m l l c hm o r e 血e r e s th a sb e e i lp a i do nt h er e s e a r c ho fu vd 吐e c t o r sr e c e n t ly h lo r d e rt om i i l i m i z e 也eb i g hb a c k g r o u n da n dm ec h a n c e so f 脚s ed e t e c t i o n ，i ti sr e q u i r 醴也eu vd e t e c 妇s s h o l l l db e “s o l a r - b l i n d ”o n e s 弧a tm e a i l sm a tt l l e ys h o u l db ei 1 1 s e l l s m v et oi n 丘a 向 a i l dv i s i b l el i 曲t a sm e 劬l m t i o n a lu vd e t e l 加r sg u c h 勰s i l i c o n - b a s e dd e t e c t o r sc a l l t m e e tm er e q u i 胁饥t s ，w i d e b a i l d g a ps 谢c o n d u c t o r ，w h i c hi se x c d l e i l tm a t e r i a lf o r t l l er e a l i z a t i o no f “s o l a r b l i n d ”d e t e 咖r 胁r i c a t i o n h 船b e c o m et l l ec o n c 锄w u r t z m c z n oi sa 丽d e - b 姐d g 印s 砌c o n d u c t o r ，8 n dh 嬲也ea d v 锄t a g eo fl a g e rp h o t o r c s p o n s e ， l o wg r 0 谢h 搬n p 麟炯r e ，l o wc 0 鸥i 越o c l l i 姨a i l de 鹤i n e s st o e t c h t a k i i l gt h e a d v a n t a g eo f z n oi n t oa c c o u 此z n ou vp h o t o d e t e c t o r h 够ag o o dp m s p e c t t h ez n o p h o t o c o n d u c t i 、r cd e t e c t o rw 越s t i l d i e di i lt h i s 也e s i s ，懿历oi so ni t si 1 a t i l r es t a g e 姐di ti sh a r dt 0a d h i e v ep t y p em a t e r i a l a c c o r d m gt od g t c c t o r 血e o r ya z l ds i i l l m a t i o r e s i l l t ，也ei n t 础疵a t c dd e e 胁d e s 仃u 咖r eo f m ez n o p h o t o d c t e c t o r 孤d 廿l et h i c k n e s so f 血ea rc o 啦w 盯ed e s i 弘e d 1 1 l e1 i 昏o f ft e c b n i q u ew 船1 l s e df o rm e 伍b d c a t i o no fz n od e t e 曲0 r ，a n d 灿a uw a s u s e da s 血ec o n t a c tm e t a l t h e i l ，吐l ec e t - v o l t a g ep r o p e n i e so f j u ，a ud 印o s i t e do nz n o 丘l mw 踮s t l l d i e d t h ei n 日u c n c eo fs i 0 2 弛ds i 3 a rc o a t i n go nt l l ei - vp r o p e m e s 锄dp h o t 0 瞄p o n s e o f z n 0 五1 1 n w 勰c o m p a r e d w t l l a e s 觚d x p s t e c h n i q u e s w e h a da d e 印l o o k i nm e m e 懿l 】工啪曲tr e s l | l t h l f l u 鼢c eo fs t o r 斛罾eo nt h ec h a m c t e r i s t i c so fz n od e t e c t a rw a s a l s ot a k e i n t oa c c o m t t h ed a r k l i 曲tc l 】哪s p e c 加珊r e s p o n s e 姐dr e s p o s et i m eo fm ez n 0u v d d e c t o rw e r ed i s c u s s e d ，t o o t h ed 础【a n dp h 酏m l u m 妃a t e d 伽m t si n c f e 勰e d 1 i 1 1 e 盯l y 丽t l lb i 船v 0 1 t a g e t h e 叫胁f rw a v e le i 】哐啦o ft 1 1 ed e t e c t o rw a s3 6 8 m na n dt h e p h o t o r e s p o n s ed 工叩p c d8 0 a c r o s sl l l ec u t o f r w a v d c i l g mw i n 血2 0 姗t h er e s p o l l s e d m ew a so nm i c s e c o i l d so r i l e r a c c o 池gt o 龇c h a r a c t e r i s t i c so f 也ez n od e t e c t o r ，ap r a 曲c a lu vd c t e c t i o n c i r c u i tw a sd e s i 驴e d 1 1 1 ed e t e c t i o nc i r c l l i tc o 蜮s t 。do f 恤弓ep a r t s ：t h eb i a sm o d u l e ， t 1 1 e 锄p 1 诲e rp a n ，孤dm cd i s p l a ym o d u l e t h ed c t 蒯0 nm u i tw i m z n 0u v d e t e c t o rh a dar e s p o n s et ou v1 i g h t ，a n d 血ev 0 1 t a g es i 弘a 1d i s p l a y e di 1 1 c r c 髂e d 1 i n c a d y 谢mu v r a d i a i i o ni n b e i l s i 咄 t t 北京工业太学工学硕士学位论文 l 船t l y ，t l l ep l a t i n gp m c 器sf o rr e d 印o s i t i n gb o n d i n gp a d so fs 锄i c o n d u c t o r d e “c e sw a ss t i l d i e d ，t o o a uw a st l l ep l a 廿r 培m 呖la i l ds u l p l l i t cs 0 1 l n i o nf 峙ef 0 m c y a n o g e nw a su s e da sg o l dp l 撕n gs 0 1 u t i o n t h er e l a t i o nb e 柳e e i lt 1 1 i c k s so f p l a t e d f i l i n 孤dp l a t i n g d m e ，c u 玎饥t d c n s 时w a ss m d i e d a n dn l er e s l l l ts h o w c d 也e r e w 嬲a l i n e a rr e l a t i o ne 】【i s t e d 1 1 1 eb e s tc 盯e n td s i t yf o r9 0 1 dp l a t i n gw 蹈0 0 7 0 3 5 d i n 2 k e yw o r d sz n os i i l 西ec r = 归t a l 矗l 驰p h o t o r e s p o n s e ，u vd e t e c t o r ，a rc o a t i i l p l a t i l l g - - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蕉亟吼出口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲丝亟导师签名2 丝日期也址p 1 1 课题背景 第1 章绪论 电磁辐射波谱中波长在1 0 堋m n 范围豹电磁波称为紫外线。通常将紫外辐 射区划分为几个子区，最常见的划分如下所示 1 】： 近紫外n u v4 0 扯3 0 0 n l n 中紫外m u v3 0 0 之0 0 衄 远紫外 f u v2 0 1 0 0 超紫外班1 0 0 1 0 根据各波段紫外光的性质作用，为了研究应用的方便，也有其它的划分方式【2 】。 在自然界中，太阳是晟强烈的紫外辐射源。太阳辐射的紫外线穿过大气层时， 由于大气热流层中氧原子对波长小于1 7 5 n m 的紫外辐射的强烈吸收，对流层中 臭氧对3 0 晌m 以f 的紫外辐射的强烈吸收，只有波长为3 0 o 衄m 范围的近紫 外线能透过大气层到达地面。因而通常把大气吸收较少的近紫外区称为“大气的 紫外窗口”，而把太阳紫外辐射中几乎被完全吸收的谱区称之为“日盲区”( 太阳 盲区) 1 。紫外辐射在大气层中传播时还受到强烈的散射作用，使近地大气中 紫外辐射是均匀散布的。紫外线的“日盲”特性以及散射造成的均匀背景使得紫 外探测器能可靠分辩及跟踪尾焰或羽烟中释放的紫外辐射，这在军事和民用方面 有非常重要的作用。在军用方面，紫外探测技术主要用于紫外线制导、紫外线告 警、紫外线通讯、紫外线干扰：而在民用方面，主要应用在紫外天文学、医学、 燃烧工程、水净化处理、火焰探测、生物效应、天际通信及环境污染监视等方面 脚。紫外探测的潜在优势使得世界各国均把紫外探测技术列为当今研究开发的重 点课题。紫外光探测器被认为是和蓝光发光二极管、蓝光激光器同样重要的器 件。美国在1 9 9 7 年规定的宽禁带半导体的发展目标中把生产寿命在1 0 0 0 小时的 紫外光探测器和寿命为1 0 0 0 小时的蓝光发光二极管、蓝光和紫光激光器并列为 g a n 材料研究的目标。 人们对紫外光的研究始于1 9 世纪末期，对紫外探测技术的研究则始于2 0 吐 人们对紫外光的研究始于1 9 世纪末期，对紫外探测技术的研究则始于2 0 世 北京工业大学工学硕士学位论文 纪5 0 年代f 4 。目前，商业化的紫外探测器主要有紫外真空二极管、紫外光电倍 增管、成像型紫步 变像管、紫外增强器、紫外摄像管和硅基紫外探测器等圆，其 中常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极管。光电倍增管有着高灵敏度、对大 于截止波长的光子不敏感等优点，但其易损坏，需工作在高电压下，致使系统笨 重，成本较高。硅基紫外光电管可以避免以上不足，但它量子效率低，对红外一 可见光谱范围光子敏感，且有严重的辐射老化效应。若要排除可见一红外光的干 扰就必须加入贵重且麻烦的滤光片【扪。在很多应用中为了减少误探测率、减少背 景噪声，要求探测器具有仅对紫外光敏感而对可见一红外光不敏感的特性5 1 。新 型紫外光电探测器必须满足以下要求【l 】： ( 1 ) 仅对紫外光敏感，对可见光不敏感； ( 2 ) 高量子效率； ( 3 ) 动态工作范围宽； ( 4 ) 低背景噪声； 第三代宽禁带半导体由于禁带宽度较宽( 2 5 6 2 ，使得制造“太阳盲”紫 外探测器成为可能，因而极大促进了有此需求的军事高技术与民品市场的发展。 现商业化的半导体光电探测器主要有硅光电二极管【6 】、s i c 探测器、g a p 探测器 【7 和m q d w g a n 紫外探测器 8 蝽，但器件的响应度均较低，一般小于1 椭r 。“太 阳盲”紫外探测器可选择的宽禁带半导体材料有族化合物如s i c 、金刚石等： 族n 化物半导体如二元的i n n 、g a n 、a i n ，三元的h l g a n 、a l g a n 和四元的 1 1 1 g a a l n 等；n _ 族化合物如z n o 、z n s e 、z n s l j 等。s i c 是间接带隙半导 体，探测效率不高：g a n 是童接带隙半导体，具有良好的热导性、化学稳定性 和高击穿电压，可工作在恶劣的环境下，是制作u v 探测器的理想材料，其缺点 是材料生长昂贵，难以找到与其匹配的衬底材料，且制备的u v 探测器具有光电 导的持续性( p p c ) 效应，使探测器的性能变坏p ，m 】。及l o 有与g a n 相似的晶格结 构和光学性质，为宽禁带直接带隙半导体，紫外响应度高，且有更高的熔点、低 外延生长温度、低成本、材料无毒、易刻蚀、工艺加工方便等优点，显示出比 g a n 有更大的发展潜力，因此z n o 紫外光电探测器前景非常广阔【l l 1 2 ，1 3 1 。 1 2z n o 性质及研究现状 z n 0 是具有光电、压电、铁电特性的宽禁带直接带隙的新兴半导体材料， 它可以用于超声换能器、偏转器、频谱分析器、高速光开关及微机械；高频滤波 器；紫外探测器、蓝光和紫光发光管或激光器等光电、压电器件领域。这些器件 在大容量、高速光纤通信的波分复用、光纤相位调制、反雷达动态测听、电子侦 听、卫星移动通信、并行光信息处理等民用及军事领域有重要应用。因此，z n o 材料及器件的开发与应用对国民经济的发展起重要作用【囝。 1 2 1 材料性质 1 2 1 1 晶体结构 z n o 在常温下的稳定相是纤锌矿结构，每个锌原子位于4 个相邻氧原子形成 的四面体中心，氧原子的排列与锌类似，其结构如图1 1 所示【1 4 1 。其中( o 0 0 1 ) 面 为z n 原子面，( 0 0 0 t ) 面为。原子面，无对称中心。 田00 1 】 口1 1 司 图l - 1 纤锌矿z n o 晶体结构 f 培1 1 r h ew 盯t 五t es 帆t i l 豫o f z n oc f y g t a l 勐o 室温禁带宽度约为3 2 每、，( 制备条件和方法不同，其值稍有不同，有报 道e g = 3 3 9 v 或3 3 7 e v 【1 6 ，”1 ) ，是典型的直接带隙宽禁带半导体，其禁带宽度和 晶格常数与g a n 非常相近【瑚。优质的z n o 薄膜具有c 轴择优取向生长，其材料 制备一般难以达到完美的化学计量比，一般非故意掺杂z n o 薄膜或体材料均呈n 型 1 4 1 。导致材料呈n 型的主要是z n 间隙原子、氧空位和氢本征缺陷【】。掺入 c d 可以减小z n o 禁带宽度，从3 4 e v 变化到2 9 e v ，而掺入m g 则增大禁带宽 度，其值由3 4 e v 增大到4 2 e v 【4 ，嘲。 1 2 1 2 光电特性 z o 薄膜在可见光区域( 4 0 0 n m 一8 0 0 i l m ) 透射率可达9 0 以上，电阻率可降至 1 0 q q 咖【1 4 】。利用z n o 薄膜在可见光的透射性能及低电阻的特性，可以将其用 作太阳能电池的抗反射层、透明电极和窗口材料。掺a 1 、g a 和i i l 都可获得高电 导率的压。薄剧1 9 1 。 z n o 禁带宽度很宽，激子束缚能为g a n 的三倍，在室温下泵浦闽值很低， 因而它是制各紫外、蓝光l d 和l e d 的优良材料1 8 】。利用z n o 的宽禁带和高光 电导特性，可制作紫外探测器。通过与c d o 、m g o 组成的混晶薄膜能够得到可 调的带隙，覆盖了从红光到紫光的光谱范围，有望开发出紫外、绿光、蓝光等多 种发光器件。 1 2 2 研究现状 1 2 2 1p 型掺杂 z n o 的n 型掺杂很容易获得，但其p 型掺杂却非常难以实现 1 8 1 。其主要原 因是氧化锌中诸多的本征缺陷如氧空位v o 和锌间隙原子z n i 等对p 型掺杂具有 高度补偿作用【1 8 0 0 1 。通过理论和反复的实践人们已找到了几种有效的活性n 掺 杂方法并对其进行了理论上的预测和解释。r t s u y a y i m 瓤l a t 0 等提出共掺杂可以 实现p z i o 转换的理论【2 1 丑1 ，其能带示意图如图1 2 所示。随后j o s e p h 等用实 验证实了共掺杂方法可以实现p 型z n o 口3 1 。c a l l y l l i l 盈丑i l g 等则用超声雾化热解 技术实现了砧- n 共掺杂，制得的p z n o 的空穴浓度为5 0 9 1 0 8 c m 。3 【2 耵。 选择合适的n 源、活化手段和生长条件也可以实现z n o 的p 型掺杂。富锌 条件下以n o 、n q 为掺杂剂可以很自然的形成n o 缺陷实现z n o 的p 型转化【2 5 1 。 以n 2 、n 2 0 为n 源，则必须将其通过电子回旋共振或射频等离子体源使之活化 才能得到有效的p 掺杂。m j o s 印h 等将n 2 0 气体通过电子回旋共振获得了p 型 z n o ，载流子浓度为5 1 0 1 9 锄3 【2 6 1 。除了n 原子，人们还对v 族元素的其他原 子如a s 、p 等原子p 掺杂进行了研究，得到的p 型z n 0 的空穴浓度在1 0 1 7 1 0 1 9 c m 。3 数量级【2 7 ，2 吼。 d 第l 章绪论 图l - 2p 型共掺杂半导体的能带示意图，共掺杂形成施主爰主施主络合物，使得受主能级 降低，施主能级上升1 f 谤1 - 2s c h e m 撕c 豇g yd i a 舯m f b r p - t y p ec o d 叩e ds e m i c o n d u c t o r s n e c e p t o r ( a ) l e v e l i s 1 0 w e r e d 觚dm ed o o r ) l m l i sr 8 i s e d 诵l hn 艟f o 咖越i o no f a c 。印锄q o n * c 印t o r c 唧l e x e su p o nc o d 啦g 1 2 2 2 金属一半导体接触 现已报道的z n 0 欧姆接触实现也主要是a 1 、t i 及其与其它金属组成的金属 化体系：非合金a 1 在n 型z n o 上形成2 5 l0 _ 5 n c m 2 的欧姆接触】，t i a u 在 掺a l 外延层上实现的欧姆接触为2 1 0 4 q 锄2 【3 0 】，而等离子体处理过的掺a 1 n z n o 也则达到了7 3 1 0 - 3 一3 1 0 - 渤c i n 2 【3 ”，以t i ，a 】p t ，a u 为接触电阻在口 型乃l o 得到了接触电阻最低的欧姆接触，为3 6 l o _ 7 触n 2 【3 2 1 。 一般合金过的欧姆接触比不合金的欧姆接触性能要好3 3 矧，在2 0 0 3 0 0 。c 下 进行沉积或退火处理可以提高近表面的载流子浓度从而获得最低的接触电阻。 z n o 薄膜的极性对欧姆接触也有一定的影响。( 0 0 0 1 ) o 面有利于欧姆接触，而 ( 0 0 0 1 l 乙面不利于欧姆接触1 3 0 】。 惰性金属如a u 、a g 、p d 与n 型z n o 形成0 6 一o 8 e v 的肖特基势垒 3 5 3 8 】， 但是势垒高度并不与功函数差一致，这表明界面缺陷态对肖特基接触特性的影响 不可忽略；且由于遂穿电流、界面态以及深复合能级的影响，大多数肖特基二极 管的理想因子都比较大【2 0 】。 表面处理对z n 0 肖特基二极管的反向电流值特性影响很大口5 1 。等离子体表 面处理也有助于改善肖特基特性【3 6 1 。对肖特基二极管热稳定性的研究表明，温度 高于3 0 0 k 时a u 肖特基接触特性会退化 3 7 j 引，而a g ，n z n o 肖特基二极管的热稳 定性要比a u 肖特基二极管好【3 刖。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3z n 0 紫外光电探测器研究现状 随着z 1 1 0 材料研究的深入与z n o 材料生长技术的提高，对于z n o 材料的光 电导响应特性以及z n o 紫外探测器的研究也逐渐成为热点。由于高质量的氧化 锌p 型材料生长至今仍是一个难题，人们对z n 0 紫外光电探测器的研究主要集 中在光电导型和肖特基势垒型以及z n o 材料与其它半导体材料形成的异质结构 探测器上。 已报道射频溅射、m 0 c v d 、等离子辅助m o c v d 、p l d 和s 0 1 g d 等方法制 得的z n o 光电探测器【3 9 4 7 1 。器件的性能随着乃l o 薄膜生长技术及器件结构的不 同差异很大。yl i u 用m o c 、，d 技术在r p l a 蓝宝石衬底上生长出高质量的 z n o 外延薄膜，在此基础上制得的m s m 结构光电导探测器的响应度在外加偏 压5 v 时为4 0 0 帆r ，光电响应的上升时间和下降时问分别为l 肛s 、1 5 雌f 3 9 】。q a x u 等利用射频溅射制备了c 轴取向的z i o 膜，获得了5 v 偏压下1 8 w 的光电 响应度，探测器的响应速度也很快，上升时间和下降时间分别为1 0 0 璐、1 5 u s f 4 0 】。 d b 姻a k a 等用s o l - g e l 办o 薄膜制得的z n o 光电导探测器，最大响应度仅为 0 0 4 m ( 3 5 0 i 】m ) ，量子效率为1 4 【4 l 】，器件的光响应衰减也非常缓慢，需要1 6 0 s 衰减到最大值的5 0 。a n a h h 舔用射频磁控溅射获得了电导增益为2 2 0 0 0 的 m s m 型光电导探测器【4 】。 f a b r i c i u s 在玻璃衬底上溅射z n o 制得的肖特基势垒光电二极管响应度为 3 i n a ，w ，量子效率1 ，上升和下降时间分别为2 0 胂、3 0 肛阳】。2 0 0 1 年，s l i 蛳g 等用m o c 、，d 方法外延生长的盈o 薄膜制得的肖特基势垒紫外探测器具有优良 的特性：势垒高度为0 8 4 c v ，理想因子n = 1 5 ，5 v 反向偏压下的漏电流为1 n a 左右，探测器的响应度为1 5 v w ，上升时间和下降时间分别为1 2 璐和5 0 i l s 【4 卦。 由于口掺杂的困难，现仅有m o o n 等人在2 0 0 5 年报道了z n op n 结紫外光电探 测器】。j e o n g 等报道了i l - 2 r m o 恤s i 光电二极管的制作和光电特性【4 5 1 。器件工作 在3 0 v 反向偏压时，对3 1 0 n m 紫外光的响应度为0 5 v w ，对6 5 0 l 】m 红光的响 应度为o 3 v w 。 国内方面，浙江大学和吉林大学相继研制成功z n o 光电导探测器【4 6 - 4 7 】，响 应度在0 5 胴r 左右。中科大则采用平面工艺，在p s i 外延层上溅射沉积掺灿 的z n o 薄膜，研制成功n _ z n o ，p s i 异质结w 增强型光电探测器【4 8 1 。 1 4 本课题意义、主要研究内容及来源 z n o 是一种宽禁带、直接带隙半导体材料，它具有高的紫外光电响应度，因 而是制作“太阳盲区”紫外探测器的理想材料。本课题开展对知。紫外光电探 测器的研究有着理论和实践方面的意义。首先，由于z i d 是一种新兴的宽禁带 半导体材料，它的研究还处于初期阶段，因而对其光电响应特性进行研究有着深 刻的理论价值；而z n o 紫外探测器的研制则是适应了市场对于“太阳盲”紫外 固体探测器的需求，有一定的实用价值。 本课题的主要研究内容有以下四个方面： ( 1 ) 确定z n o 光电探测器的器件结构，根据理论与模拟结果设计z n o 光 电探测器的光刻掩模叛图形；确定z n o 光电探测器的工艺制各参数；完成压囝 光电探测器的制备。 ( 2 ) 对z n o 薄膜的i v 特性、光电响应特性进行研究；探讨s i 0 2 、s i 3 n 4 抗反射膜对豳。薄膜1 - v 特性及光电响应特性的影响；测量z n o 光电探测器的 性能参数并对结果进行讨论。 ( 3 ) 完成z n 0 光电探测系统的设计。整个探测电路系统的设计包括偏置电 路、探测信号放大、显示三大模块三部分，要求探测电路达到禊8 量紫外光辐照量 的目标。 ( 4 ) 半导体器件压焊点电镀金的研究。主要研究电镀金属膜厚度与电镀时 间及阴极电流密度之间的关系，以优化电镀条件、确定合适蠹勺电镀参数，为今后 的电镀增厚压焊点工艺做准备。 本课题由北京市优秀人才培养专项资费资助计划资助。 第2 章z n o 紫外探测器的设计与制备 2 1 光电导探测器 半导体光电探测器是根据光辐射能量与半导体物质相互作用的内光电效应 制成的一类光子探测器。半导体光电探测器一般工作在三种基本方式：光电导 探测器、p n 结光电二极管、肖特基势垒光电探测器。 半导体光电导探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的光电探测器 件。与其它半导体光电探测器相比它有如下特点：具有内部光电增益，其值大 于1 ：工作电流大，可达数毫安；所测的光强范围宽，既可测强光，也可测弱光： 无极性之分，使用方便：制作工艺简单，只需单极性材料【4 9 1 】。 2 1 1 光电导探测器基本原理 光电导探测器从根本上来说是一个光敏电阻。能量大于禁带宽度的光子入 射到半导体中，由于本征吸收或杂质吸收，产生非平衡光生载流子，引起半导 体材料的电导率发生变化。电阻的变化反应了紫外辐射的大小，测量半导体电 阻的变化即可得到紫外辐射的剂量。半导体光电导探测器的原理图如图2 1 所示 【1 1 。 图2 1 光电导探测器结构及偏置1 1 f i g 2 1g c o 删时皿d b i o f ap h o l o c o n d u c t o r 在光功率为p 的光辐射照射下，光电探测器产生的光电流为 2 嚣p 印一g 詈p 倍， 其中g 为电子电荷；v 为光子频率； 为普朗克常数：量子效率玎为单位时间内 第2 章z n o 紫外撵铡器的设计与制各 被光子激发的光电子数与单位时问入射到探测器表面的光子数之比；g = 为光电导探测器内增益，为载流子平均寿命，为载流子渡越时间，表示一 个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献。 式( 2 1 ) 表明，光电导探测器是一个具有内增益的器件。内增益g 与器件的 材料、结构尺寸及夕 加偏压( 偏流) 有关。对于光生载流子平均寿命长、迁移 率大的光电导材料，极间距离小的光电导探测器，g 值可达到几百。 在半导体薄膜的正面和背面分别做上电极可以形成一种三明治结构的光电 导探测器1 5 0 】，然而由于光生载流子的产生区域与载流子收集电场区域不能完全 重合，电场收集光生载流子的能力较差，这种结构现在一般很少使用。将两个 电极都做在半导体材料的正面可以形成共面结构【5 们，后来这种结构逐渐发展成 如所图2 - 2 所示的叉指电极结构。与简单的共面结构相比，叉搭电极结构在一定 程度上可以同时获得较大的光敏面与较窄的电极间距，因而可以得到较高的光 电响应。若叉指电极结构采用透明电极接触，则可进一步提高器件的光电响应。 图2 2 叉指电极型器件结构 f i 蓦2 2m t s n l l c n l r eo f p h 咖d e t c a c o r 2 1 2 光电导探测器的性能参数 2 1 2 1 光电导增益 光电导增益g 是表征光电导探测器特性的一个重要参数，它表示长度为上 的光电导体两端加上电压玖之后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形 成的外部光电流与光电子形成的内部电流 叻之间的比值a 其表达式如下 g = = 等 ( 2 - 2 ) 其中f 0 为载流子的平均寿命，“为载流子渡越极间距离三所需的有效时间。 从上面分析可知，灵敏的光电导探测器，必然具有很大的增益系数，由于 增益系数可看成是一个自由载流子的寿命r 与该载流子在光电导探测器两极间 的有效渡越时间协之比，因此只要载流子的平均寿命大于有效渡越时间，增益 就可大于1 。显然，减小电极问的间距厶适当提高工作电压，对提高g 值有利。 但是如果减得太小，使受光面太小，也是不利的。 2 1 2 2 响应度 响应度是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输出信号与输入辐射之 间关系的参数。定义为光电探测器的输出均方根电压殆或电流厶与入射到光电 探测器上的平均光功率之比，分别用电压响应度r p 和电流响应度风表示，即 彤= 事= 詈g 岛( 矿即 岛= 每= 嚣刚聊 其中硒为光电导探测器内阻。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由于光电导探测器的内增益g = ( 卢f o r ) 巧，所以光电导探测器的响应度与 所加偏压玖及载流子寿命f 。有关。偏压越高，在光电导变化相同的情况下，输 出的电流( 或电压) 越大，故响应度就越高。但随着外加偏压的升高，通过器 件的电流产生的焦耳热也随着增加，所以外加偏压的增加受到器件的最大功耗 的限制。此外，载流子寿命的增加，意味着光电导器件所产生的光生载流子对 回路有效电荷的贡献。因此，使器件的响应度提高。为此，在实际制作器件时， 往往有意在半导体中加入一些陷阱，以增大载流子寿命来提高响应度。 光电导探测器的响应度还与光敏面积有关。因为在入射光功率一定时，光 敏面积越大，单位体积内光吸收就越小，即单位体积内光生载流子产生率要减 小，所以响应度下降。此外，光电导探测器的响应度与器件材料的暗电阻及吸 收系数有关。 第2 章z n 0 紫外探测器的设计与潮各 2 1 2 3 光谱特性 光电导探测器属于选择性探测器。光谱响应度表示在某一特定波长下，输 出光电流( 或电压) 与入射辐射能量之比。输出光电流 w ，= 椰= g 掣g = g 警詈 ， wh v t 。 则光谱响应度 跗) = 揣= 掣芒南= 薏= 警g ， 从上看出，增大增益系数可得到很高的光谱响应度。实际上常用的光电导 探测器的光谱响应度小于1 m v ，原因是产生高增益系数的光电导探测器电极间 距需很小，致使光电导探测器集光面积太小而不实用。著延长载流子寿命也可 提高增益因数，但这样会减慢响应速度，因此，在光电导探测器中，增益与响 应速度是相矛盾的。 2 2z n 0 紫外光电导探测器的设计 如第一章所述，z n o 材料仍是一种不成熟的半导体材料，其p 型材料的生 长现在仍是z n o 材料研究的一个热点、难点。根据我们实验室现有的实验条件 和能力，我们选择光电导探测器作为研究内容，因为它只需要n 型材料即可完 成器件的制备。而符合器件制备要求的n 型z n o 薄膜的生长比较容易，因而研 究z n o 光电导探测器的制各是可行的。以下将探讨a o 光电探测器的器件结构 设计以及器件制备的工艺流程。 2 2 1z n o 探测器叉指电极结构尺寸设计 叉指状电极结构金属半导体金属探测器( m s m p d ) 于8 0 年代出现，由于其 工艺简单，且具有响应度高、速度快、随偏压变化小、易于单片集成等优点， 发展十分迅速，现在这一器件结构广泛应用于各种光子、粒子探测嚣中【5 ”。本 论文采用叉指结构电极一方面是这种结构可以提高z n o 紫外探测器的性能，另 一方面由于z n o 材料本身特性决定。z i l o 材料极易溶于酸碱溶液，制备器件的 工艺复杂度将增加，采用叉指结构可以简化工艺步骤，降低器件制备的难度。 北京工业大学工学磺士学位论文 表2 - 1 为各种材料制备的m s m 结构紫外光电探测器的器件结构参数以及器件性 能对照表。 表2 1 叉指电极光电探测器比较9 舯j 2 翔“j 珂 制各 材料电 电极金指长指宽指间距响应度 材料阻率o电极制备 方法属 ( p m )m r )( p m ) ( a ，w ) c m l 2 1 6 4 0 0 31 0 8 舢 磁控溅射 加01 51 5o 5 瑚 剥离工艺 4 1 0 1 2 a l标准光刻 5 0 01 65 0 l 1 0 2 0 1 0 1 1 m 剥离工艺 m 甑3 4 z n 仉“o 35 1 0 7 c r ，a u 传统光刻 2 5 055 1 2 0 0 1 5 0 0 a i m i i l i l l g 4 # a 工l l 1 0 0 031 02 0 0 0 5 0 0 m 2砸，a 12 0 1 2 5 2 5 v g a n 电极之 3 0 m t i 3 3 a w 低压1间电阻 1 0 0 a l ， 5 5 0 2 0 1 0 ( 3 4 0 n m ) 4 0 m n p t2 4 a 懈r 3 k 0 ，2 0 0 a u( 3 6 0 m ) a l标准光刻 3 ” 2 1 0 01 1 21 1 2n 、v 5 0 0 2 0 0 n m 剥离工艺 n m l p 型g a n lt i 胤1 0 0 0 3 0 3 0 1 2 4 v ( 掺m g ) 暗电流 a 1 电子柬蒸镀 金目石 5 o 6 - o 81 01 0 3 n a ，2 0 v方法 p m # 标注；紫外光光电导响应用见光部分光电导响应( 以置级计算) 材料制备方法l ：m o c v d ；2 ：m b e 3 ：p l d ；4 ：磁控溅射；5 ：h fc v d z i l o 探测器叉指电极结构尺寸设计所需考虑的器件尺寸主要有叉指电极指 长、指宽、指间距、引线焊盘的边长、以及划片槽尺寸。叉指电极结构尺寸的 设计需考虑工艺条件、光电探测器性能、材料特性等因素。电极几何尺寸的设 计影响着m s m 电极结构探测器平面电极结构中内部电场分布，而半导体内的电 场分布又影响着器件的性能( 如灵敏度、线性等) 1 5 1 】，因而也必须考虑叉指电极几 何尺寸对于探测器内部电场分布的影响。现具体分析如下： ( 1 ) 叉指电极指长 叉指电极的指长可选择的范围较大，可从1 0 0 斗m 变化到1 0 0 0 p m ( 见表2 1 ) 。 理论上来说，叉指电极指长越长光电探测器的光敏面也就越大，从而可提高光 电探测器的响应度，改善器件性能。但由于采用的z n o 材料均匀性并不太好， 1 2 第2 章z n o 紫外探测器的设计与制各 我们必须考虑到叉指电极指长过长必然引入太多的缺陷，从而影响光电导探测 器的性能。然而叉指电极过短又会造成工艺上的难以实现。综合考虑以上影响 因素并参考表2 1 数据确定叉指电极指长为5 0 0 岫。 ( 2 ) 叉指电极指宽 随着叉指电极指宽的变窄，器件内部电场最大值( 两电极中点处的电场值) 减小，且整个器件的内部电场均匀性变好，有利于改善器件性能【5 ”。从光敏面 考虑，在器件总面积固定的情况下，叉指电极指宽的增加就会导致光电探测器 光敏面积的减小，降低探测器的响应度；固定光敏面积不变，增加叉指电极宽 度也会带来不必要的器件面积的增大。从以上两个因素考虑，理论上叉指电极 的指宽越细越好。但在实际中，指宽的值并不能随心所欲的选择，而必须受到 工艺条件水平的限制。综合考虑工艺水平以及器件性能的最优化并参考表2 1 ， 确定叉指电极宽度为1 0 u m 。 ( 3 ) 叉指电极的指间距 叉指电极的指间距是叉指电极结构的一个重要结构参数，它直接影响着光 电导探测器的灵敏度。根据( 2 2 ) 光电导增益公式，探测器的指间距越小，则光 生载流子在向电极运动过程中发生复合或被俘获的几率就越小，而被电极收集 的几率就越高，因而可极大的提高光电探测器的增益，从这个方面来看叉指电 极的指间距越小越好。然而指间距过小亦会带来探测器光敏面过小、探测器性 能降低的问题。因而三是一个矛盾参数，必须合理设计三值，以达到器件性能 的最优化。同时如( 2 ) 所述还必须考虑工艺水平的限制。为了探讨指间距与光电 探测器的性能特别是光电响应度的关系，此次设计采用了四种指间距的尺寸： 4 p m 、6 n 、1 0 眦n 。 ( 4 ) 引线焊盘尺寸 为了施加测试信号测试光电器件特性参数以及裸片封装引出电极，必须设 计一个大小合适的引线焊盘。引线焊盘不能过小，否则会造成器件测量和器件引 线的困难。引线焊盘的尺寸设计主要由工艺水平限制。在己知的工艺水平下确 定引线焊盘的大小为2 2 0 4 5 0 邮1 2 。 ( 5 ) 划片槽尺寸 划片槽尺寸亦根据工艺水平而定，只要其值大于划片机的刀口宽度即可。 根据工艺水平可取划片槽宽度8 0 p m ，单个芯片为4 0 “m 。 13 最后在综合考虑了多方面因素后我们设计了如下的器件尺寸：指宽分别为 1 0 阻、6 哪、4 岬，指间距为1 0 岫，指长为5 0 0 哪；弓l 线焊盘为2 2 0 4 5 0 脚2 ： 划片槽宽度为8 0 u m 。 2 2 2z n o 紫外探测器版图 根据2 1 1 节设计的z n o 紫外光电探测器的器件尺寸即可给出z n o 探测器 的光刻掩模版图形。完成叉指型z i l o 光电探；烫4 器的制备共需三块光刻掩模版： 第一块掩模版用于在z n 0 薄膜上形成叉指型金属电极，第二块掩模版用于抗反 射膜的沉积，第三块用于沉积金属a u 加厚引线焊盘以方便封装时引线。本课题 光刻掩模版图形的绘制采用的软件是c a d e n c e 公司的t a 1 1 盯软件，在这里只给 出叉指电极指间距为1 0 肚m 为光刻掩膜版图形。第一块光刻掩模版图形如图2 3 所示。 图2 3z n o 光电探测器第一块掩横版图形 f i g 2 0 1 h e 丘璐t m a s l 亡f o r 也e z n o 咖t o d e c e c t o r 图2 - 4 叉指电极电场模拟图 f i 鲁2 - 4t h es i 舢枷0 no fe l e c 硒cf i e l do f d t 第2 章z n o 紫外探测器的设计与制备 若叉指电极的指末端采用如图2 3 所示的直角图形，图形的直