宽带隙半导体材料与紫外光探测器

1、宽禁带半导体材料宽禁带半导体材料紫外光探测器紫外光探测器汇报人：汇报人：csycsy 随着科技发展，紫外侦测技术越来越多的在随着科技发展，紫外侦测技术越来越多的在军事、工业、民用等方面得到愈发广泛的应军事、工业、民用等方面得到愈发广泛的应用用SG01S系列紫外探测器系列紫外探测器紫外探测器紫外探测器EryF-德国德国sglux公司公司 军事上，导弹预警、制导、紫外通讯、生化军事上，导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析等方面都有紫外探测的需求分析等方面都有紫外探测的需求AAR-47紫外告警设备紫外告警设备AAR-54（V）紫外告警设备）紫外告警设备紫外日盲型紫外日盲型CCD探测器，可用于日探测器，

2、可用于日盲探测、导弹或火箭尾烟检测盲探测、导弹或火箭尾烟检测 在民用上，明火探测、生物医药分析、臭氧在民用上，明火探测、生物医药分析、臭氧检测、海上油监、太阳照度检测、公安侦查检测、海上油监、太阳照度检测、公安侦查等等个人防护用紫外探测个人防护用紫外探测紫外火焰探测器紫外火焰探测器武汉隔爆型紫外火焰探测器武汉隔爆型紫外火焰探测器 光探测器的原理：光探测器的原理： 采用对光敏感的器件作传感器，检测入射的采用对光敏感的器件作传感器，检测入射的光功率并把其变化转化为相应的电流。一般光功率并把其变化转化为相应的电流。一般要满足四点要求要满足四点要求（1 1）在系统工作要求的波长区域范围内，有高的）在系

3、统工作要求的波长区域范围内，有高的量子效率；量子效率；（2 2）响应速度快；）响应速度快；（3 3）具有好的线性输入）具有好的线性输入- -输出性质；输出性质；（4 4）能在需要的环境下可靠的工作）能在需要的环境下可靠的工作 紫外光的侦测紫外光的侦测( (200400nm) ) 由于臭氧等气体对紫外线的强烈吸收，由于臭氧等气体对紫外线的强烈吸收，2.3eV 2.3eV）的半导体的半导体n紫外敏感材料紫外敏感材料宽禁带半导体宽禁带半导体 1. 1.半导体及其带隙半导体及其带隙 2. 2.宽禁带材料的特点宽禁带材料的特点 3. 3.具有宽禁带的半导体材料具有宽禁带的半导体材料n准一维纳米材料的合成

4、准一维纳米材料的合成 1. 1.合成方法总述合成方法总述 2. 2.气相合成气相合成n紫外光探测器紫外光探测器 1. 1.发展现状发展现状 2. 2.薄膜探测器薄膜探测器 3. 3.纳米探测器纳米探测器禁带宽度大禁带宽度大热导率很高热导率很高击穿电场高击穿电场高电子饱和漂移速率大电子饱和漂移速率大化学稳定性好化学稳定性好抗辐射能力极佳抗辐射能力极佳 由上述特点，非常适于制作高温、高频、抗由上述特点，非常适于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成的电子器件辐射、大功率和高密度集成的电子器件 此外，其较宽的带隙此外，其较宽的带隙对蓝绿光或紫外光非常对蓝绿光或紫外光非常敏感敏感，可据此制作相应的

5、发光器件及光探测，可据此制作相应的发光器件及光探测器，汇报选题即由此而来器，汇报选题即由此而来n紫外敏感材料紫外敏感材料宽禁带半导体宽禁带半导体 1. 1.半导体及其带隙半导体及其带隙 2. 2.宽禁带材料的特点宽禁带材料的特点 3. 3.具有宽禁带的半导体材料具有宽禁带的半导体材料n准一维纳米材料的合成准一维纳米材料的合成 1. 1.合成方法总述合成方法总述 2. 2.气相合成气相合成n紫外光探测器紫外光探测器 1. 1.发展现状发展现状 2. 2.薄膜探测器薄膜探测器 3. 3.纳米探测器纳米探测器 Eg2.3eV的半导体材料均可称作宽禁带半导的半导体材料均可称作宽禁带半导体材料体材料 根

6、据已有的研究，宽禁带半导体材料主要集根据已有的研究，宽禁带半导体材料主要集中在中在金刚石，金刚石，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）和和固溶固溶体等体等半导体材料半导体材料禁带类型禁带类型禁带宽度禁带宽度Eg/eVEg/eVGaN直接直接3.39ZnO直接直接3.37TiO2间接间接金红石金红石3.0，锐钛矿锐钛矿3.2C-BN间接间接6.4金刚石金刚石间接间接5.47AlN直接直接6.2SiC间接间接4H-SiC3.23，6H-SiC3.0Ga2O3（高温）（高温）直接直接4.85.1n紫外敏感材料紫外敏感材料

7、宽禁带半导体宽禁带半导体 1. 1.半导体及其带隙半导体及其带隙 2. 2.宽禁带材料的特点宽禁带材料的特点 3. 3.具有宽禁带的半导体材料具有宽禁带的半导体材料n准一维纳米材料的合成准一维纳米材料的合成 1. 1.合成方法总述合成方法总述 2. 2.气相合成气相合成n紫外光探测器紫外光探测器 1. 1.发展现状发展现状 2. 2.薄膜探测器薄膜探测器 3. 3.纳米探测器纳米探测器 一维纳米材料是指一维纳米材料是指在三维空间内有两维尺寸在三维空间内有两维尺寸处于纳米量级的材料体系处于纳米量级的材料体系 一维纳米材料的种类一维纳米材料的种类纳米棒：细棒状结构，一般长径比纳米棒：细棒状结构，一

8、般长径比10纳米带：长径比纳米带：长径比10，一般宽厚比，一般宽厚比3纳米管：细长并具有空心管状结构纳米管：细长并具有空心管状结构纳米电缆以及同轴纳米线纳米电缆以及同轴纳米线一维纳米材料一维纳米材料 材料在两个维度受到限制材料在两个维度受到限制准一维纳米材料准一维纳米材料 材料的结构可能是二维或三维，但其性质材料的结构可能是二维或三维，但其性质由材料的某一方向的链决定由材料的某一方向的链决定 目前用于制备准一维纳米线的最主要方法为目前用于制备准一维纳米线的最主要方法为气相合成法，除此之外还有以下几种方法：气相合成法，除此之外还有以下几种方法：模板法模板法 通过模板产生通过模板产生限域空间限域空

9、间从而从而获得所需形状获得所需形状的材料的材料 可大致分为硬可大致分为硬模板和软模板模板和软模板水热法及溶剂热法水热法及溶剂热法 在密闭反应器在密闭反应器中以水溶液作中以水溶液作反应体系，加反应体系，加热高压从而无热高压从而无极合成极合成 溶剂热法则是溶剂热法则是以有机溶剂代以有机溶剂代替水替水电旋涂法电旋涂法 将两种不混溶将两种不混溶液体分置共轴液体分置共轴毛细喷头内外毛细喷头内外层喷出液体，层喷出液体，通过通过溶胶溶胶- -凝胶凝胶获得纳米线获得纳米线 用于制备大量用于制备大量纳米管纳米管n紫外敏感材料紫外敏感材料宽禁带半导体宽禁带半导体 1. 1.半导体及其带隙半导体及其带隙 2. 2.

10、宽禁带材料的特点宽禁带材料的特点 3. 3.具有宽禁带的半导体材料具有宽禁带的半导体材料n准一维纳米材料的合成准一维纳米材料的合成 1. 1.合成方法总述合成方法总述 2. 2.气相合成气相合成n紫外光探测器紫外光探测器 1. 1.发展现状发展现状 2. 2.薄膜探测器薄膜探测器 3. 3.纳米探测器纳米探测器 气相合成法的特点气相合成法的特点优势：可生长几乎任何无机材料的准一维纳优势：可生长几乎任何无机材料的准一维纳米材料米材料/ /结构，操作简单易行结构，操作简单易行不足：一般需要较高温度，难以制造有机材不足：一般需要较高温度，难以制造有机材料、无机料、无机- -有机负荷材料及金属离子掺杂

11、体系有机负荷材料及金属离子掺杂体系 气相法主要有两种机制气相法主要有两种机制VLSVLS及及VS VLS( (Vapor-Liquid-Solid) )汽液固机制（有催化汽液固机制（有催化剂）剂） VLS法是制备无机材料的纳米线最广泛的方法是制备无机材料的纳米线最广泛的方法，可用来制备的纳米线体系包括元素半导法，可用来制备的纳米线体系包括元素半导体体( (Si，Ge），），III-V族半导体族半导体( (GaN，GaAs，GaP，InP，InAs) )，IIVI族半导体族半导体( (ZnS，ZnSe，CdS，CdSe），以及氧化物），以及氧化物( (ZnO，Ga2O3，SiO2) )等。等。

12、生长过程生长过程1 1：催化剂与气相反应物碰撞、聚：催化剂与气相反应物碰撞、聚集形成合金液滴；集形成合金液滴；2 2：过饱和后开始成核；：过饱和后开始成核；3 3：欠饱和的液滴继续吸收气相并成核，在液：欠饱和的液滴继续吸收气相并成核，在液滴约束下成长为一维结构的纳米线滴约束下成长为一维结构的纳米线 VLS机制的主要特点为催化剂，在合成的纳机制的主要特点为催化剂，在合成的纳米结构顶端会有催化剂纳米颗粒的形成。常米结构顶端会有催化剂纳米颗粒的形成。常以此区别以此区别VLS和和VS机制机制Au-Ge VLS机制中，常采用激光烧蚀法、热蒸发法机制中，常采用激光烧蚀法、热蒸发法以及金属有机化学气相沉积法

13、以及金属有机化学气相沉积法 激光烧蚀法（激光烧蚀法（laser ablation）是利用激光在）是利用激光在特定气氛下轰击靶材，将催化金属和目标材特定气氛下轰击靶材，将催化金属和目标材料的原材料一同用激光蒸发，同时结合一定料的原材料一同用激光蒸发，同时结合一定气体，在衬底或反应腔壁上沉积纳米材料气体，在衬底或反应腔壁上沉积纳米材料 热蒸发法（热蒸发法（thermal evaporation）：将一种）：将一种或几种反应物，在高温区通过加热形成蒸汽或几种反应物，在高温区通过加热形成蒸汽，然后用惰性气体运送到反应器低温区，从，然后用惰性气体运送到反应器低温区，从而生长准一维纳米材料而生长准一维纳米

14、材料 物质的物理蒸发和再沉积物质的物理蒸发和再沉积 物理过程物理过程固体粉固体粉末物理末物理蒸发蒸发 形成蒸汽后发生化学变化，形成蒸汽后发生化学变化，所得材料与前驱体反应物所得材料与前驱体反应物化学组成不同化学组成不同 化学过程化学过程化学气化学气相沉积相沉积 金属有机化学气相沉淀法（金属有机化学气相沉淀法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）：利用金属有机）：利用金属有机物分解温度较低的特点，在较低温度下产生物分解温度较低的特点，在较低温度下产生足够蒸汽压形成气相反应物足够蒸汽压形成气相反应物 存在缺陷：存在缺陷：1. 1.不是所有半导体化合物都可

15、找到合适的有不是所有半导体化合物都可找到合适的有机金属前驱体，普适性较差；机金属前驱体，普适性较差；2. 2.前驱体合成困难、昂贵，不利于大规模制前驱体合成困难、昂贵，不利于大规模制备；备；3. 3.常伴随有毒气体，需配备相应吸收装置常伴随有毒气体，需配备相应吸收装置 VS机制机制（Vapor-Solid）则是在无催化剂的条）则是在无催化剂的条件下、不经过合金液滴成核的过程，直接利件下、不经过合金液滴成核的过程，直接利用端部的螺旋位错不断单向生长直至形成（用端部的螺旋位错不断单向生长直至形成（准）纳米线的另一种气相沉积机制。这种机准）纳米线的另一种气相沉积机制。这种机制的显著特点为有螺旋位错贯

16、穿整个纳米线制的显著特点为有螺旋位错贯穿整个纳米线的生长的生长 VLS和和VS作为两种气相合成的机制，各有其作为两种气相合成的机制，各有其特点，总体来说特点，总体来说VLS机制的应用更加广泛。机制的应用更加广泛。二者的相同点和差异比较详见翟老师的博士二者的相同点和差异比较详见翟老师的博士论文前言论文前言n紫外敏感材料紫外敏感材料宽禁带半导体宽禁带半导体 1. 1.半导体及其带隙半导体及其带隙 2. 2.宽禁带材料的特点宽禁带材料的特点 3. 3.具有宽禁带的半导体材料具有宽禁带的半导体材料n准一维纳米材料的合成准一维纳米材料的合成 1. 1.合成方法总述合成方法总述 2. 2.气相合成气相合成

17、n紫外光探测器紫外光探测器 1. 1.发展现状发展现状 2. 2.薄膜探测器薄膜探测器 3. 3.纳米探测器纳米探测器 一直以来一直以来, , 高灵敏紫外探测多采用对紫外敏高灵敏紫外探测多采用对紫外敏感的光电倍增管和类似的真空器件。紫外增感的光电倍增管和类似的真空器件。紫外增强型硅光电二极管是固体探测器的代表。二强型硅光电二极管是固体探测器的代表。二者技术虽然日益成熟，但均存在无法回避的者技术虽然日益成熟，但均存在无法回避的缺陷缺陷随着半导体材料的发展，采用宽禁随着半导体材料的发展，采用宽禁带半导体的紫外探测器成为研究的热点带半导体的紫外探测器成为研究的热点探测器类型探测器类型缺陷缺陷光电倍增

18、管等真空器件光电倍增管等真空器件体积大、工作电压高体积大、工作电压高固体探测器固体探测器响应可见光，需附带滤光片响应可见光，需附带滤光片传统探测器的缺陷传统探测器的缺陷 宽禁带半导体紫外光探测器具有抗干扰能力宽禁带半导体紫外光探测器具有抗干扰能力强和适用于恶劣环境强和适用于恶劣环境 ( ( 如高温环境如高温环境) ) 等优良特等优良特性性 , , 在科研在科研 、 军事军事 、 航天航天 、 环保环保 、 防火防火和许多工业控制领域具有重要应用价值和许多工业控制领域具有重要应用价值战术场景不同波段的战术图像战术场景不同波段的战术图像 在发展宽禁带半导体在发展宽禁带半导体UV detector的

19、同时，老的同时，老一代探测器依然存在。一代探测器依然存在。 总体来看，目前总体来看，目前 用于制作紫外光探测器的材用于制作紫外光探测器的材料主要有料主要有 Si, , SiC, , GaN, , ZnO以及金刚石等以及金刚石等 除此之外，其他一些宽禁带半导体材料诸如除此之外，其他一些宽禁带半导体材料诸如TiO2、-Ga2O3也开始被用来研发新型紫外探也开始被用来研发新型紫外探测器测器n紫外敏感材料紫外敏感材料宽禁带半导体宽禁带半导体 1. 1.半导体及其带隙半导体及其带隙 2. 2.宽禁带材料的特点宽禁带材料的特点 3. 3.具有宽禁带的半导体材料具有宽禁带的半导体材料n准一维纳米材料的合成准

20、一维纳米材料的合成 1. 1.合成方法总述合成方法总述 2. 2.气相合成气相合成n紫外光探测器紫外光探测器 1. 1.发展现状发展现状 2. 2.薄膜探测器薄膜探测器 3. 3.纳米探测器纳米探测器 GaN基紫外探测器基紫外探测器 氮化镓基氮化镓基(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 族元素铝、镓、铟和族元素铝、镓、铟和V族元素氮形成的族元素氮形成的化合物化合物(GaN、AlN、InN) 以及由它们组成的以及由它们组成的多元合金多元合金(InGaN、AlGaN等等) 铝镓氮材料（纤锌矿结构）禁带宽度可从铝镓氮材料（纤锌矿结构）禁带宽度可从3.4 eV（ G

21、aN ）连续变化到）连续变化到6.2 eV（ AlN ），对），对应探测器的截止波长应探测器的截止波长365 nm200 nm 上世纪上世纪80年代中期之前，年代中期之前，GaN材料的应用很材料的应用很受限制，主要原因有三方面：受限制，主要原因有三方面：1. 1.体材料合成及其困难；体材料合成及其困难；2. 2.晶格失配问题（没有与晶格匹配的合适外晶格失配问题（没有与晶格匹配的合适外延衬底）延衬底）3. 3.P型掺杂的困难：型掺杂的困难：GaN中掺杂中掺杂Mg易被氢原子易被氢原子钝化，失去受主性质钝化，失去受主性质 突破性进展：突破性进展： 1986年日本的年日本的Amano和和1991年的年

22、的Nakamura研研究发现究发现, , 在在低温生长的缓冲层上低温生长的缓冲层上可获得高质可获得高质量量GaN外延薄膜外延薄膜 另有实验发现另有实验发现, , 低能电子辐照或氮气中中温低能电子辐照或氮气中中温退火可以破坏退火可以破坏Mg-H络合体络合体, , 从而激活受主从而激活受主, , 实实现高浓度掺杂现高浓度掺杂 目前在蓝宝石衬底上生长目前在蓝宝石衬底上生长GaN外延薄膜几乎外延薄膜几乎都采用了先低温生长缓冲层、再高温生长外都采用了先低温生长缓冲层、再高温生长外延膜的两步工艺延膜的两步工艺 低温缓冲层的作用：低温缓冲层的作用：解决晶格失配问题解决晶格失配问题, , 为为外延生长提供了成

23、核中心和应力释放中心外延生长提供了成核中心和应力释放中心 Alx Ga1- x N 材料的优点材料的优点: : 随随Al 组分变化组分变化, , 带隙带隙从从365nm ( ( x = 0) ) 到到200nm( ( x = 1) ) 可调可调, , 覆盖覆盖了地球上大气臭氧层吸收的主要窗口了地球上大气臭氧层吸收的主要窗口240 290nm, , 不需要滤光系统就能制作成日盲紫外不需要滤光系统就能制作成日盲紫外探测器探测器. .在苛刻的物理和化学环境中具有很高在苛刻的物理和化学环境中具有很高的稳定性的稳定性, , 具有耐高温抗辐射的特性具有耐高温抗辐射的特性. . 肖特基结构、肖特基结构、MS

24、M探测器示意图探测器示意图 一种一种Alx Ga1- x N ( (Al0.25 Ga0.75 N ) )紫外探测器的紫外探测器的响应光谱响应光谱 1998 年，美国年，美国NASA GoddardSpace Flight Center 首次报道了首次报道了256256 GaN 光电导型紫光电导型紫外外焦平面阵列焦平面阵列。1999 年，美国北卡罗来那大年，美国北卡罗来那大学、学、Honeywell 技术中心和美国夜视实验室技术中心和美国夜视实验室合作成功实现了基合作成功实现了基GaN/AlGaN p-i-n 型背照射型背照射3232 阵列焦平面探测器的数字照相机，阵列焦平面探测器的数字照相机

25、， 响应波段为响应波段为320365 nm 2005 年，美国西北大学报道了日盲型年，美国西北大学报道了日盲型320256 AlGaN p-i-n型紫外焦平面探测器，型紫外焦平面探测器， 给出了清晰的图像。给出了清晰的图像。2006 年，在年，在NASA的支的支持下，持下，BAE、EMCORE、Boston大学、大学、Texas 大学和大学和Cree共同研制了波长在共同研制了波长在260280nm的的256256 AlGaN p-i-n型紫外焦平面探测器型紫外焦平面探测器 在国内，从事对在国内，从事对GaN基基UV detector研究的单研究的单外主要有中科院半导体研究所、中科院上海外主要有

26、中科院半导体研究所、中科院上海技术物理研究所以及中国电子科技集团公司技术物理研究所以及中国电子科技集团公司第四十四研究所等。研究重点是第四十四研究所等。研究重点是PIN 型型 GaN 与与 AlGaN 外延材料的生长及探测器制作工艺外延材料的生长及探测器制作工艺等等 从已公开的报道看上海技术物理研究所已研从已公开的报道看上海技术物理研究所已研制了制了 GaN基基3232紫外焦平面探测器，但其紫外焦平面探测器，但其性能离实际使用要求还有较大差距。性能离实际使用要求还有较大差距。2007年年该所研制出日盲型该所研制出日盲型AlGaN 128128阵列探测阵列探测芯片，响应波长在芯片，响应波长在25

27、5nm，非均匀性为，非均匀性为 25，盲元率在，盲元率在 5左右，器件尺寸左右，器件尺寸5050mm2读出电路还在研制中。这是目前国内已公开读出电路还在研制中。这是目前国内已公开报道的最大尺寸的响应波长最短的日盲型报道的最大尺寸的响应波长最短的日盲型 AlGaN基阵列紫外探测器。与国外相比，国基阵列紫外探测器。与国外相比，国内研制的紫外探测器件内研制的紫外探测器件阵列规模较小，性能阵列规模较小，性能指标有一定差距，无实用化产品指标有一定差距，无实用化产品 吉林大学的吉林大学的Hailin Xue等人在肖特基接触的基等人在肖特基接触的基础上构建了础上构建了MSM型型TiO2紫外探测器紫外探测器

28、文献中提到：文献中提到：因为因为TiO2 优异的物化性质，优异的物化性质，通常被运用于光催化和光电池的研究中，而通常被运用于光催化和光电池的研究中，而在紫外光探测上的科研则很少在紫外光探测上的科研则很少本文将采用本文将采用纳晶纳晶TiO2薄膜与薄膜与Au电极构筑电极构筑MSM型型UV Detector Au电极采用电极采用rf magnetron sputtering（射频磁（射频磁控溅射）制得，层厚为控溅射）制得，层厚为260 nm，叉指电极采，叉指电极采用光刻技术制得（未给图），指间距为用光刻技术制得（未给图），指间距为20m，总有效面积为，总有效面积为0.38 mm2 TiO2薄膜通过薄

29、膜通过sol-gel法制得，原料为法制得，原料为Ti(OC4H9)4，制备过程略，制备过程略5V偏压下，暗电流偏压下，暗电流1.9 nA；250 nm紫外紫外辐照下光电流辐照下光电流2.77 A 光谱响应测试结果如下图所示，在光谱响应测试结果如下图所示，在260 nm处处的响应度最大能达到的响应度最大能达到199 A/W，作者认为高，作者认为高响应的原因：紫外光下肖特基势垒降。更多响应的原因：紫外光下肖特基势垒降。更多的载流子穿过势垒，使电流加强的载流子穿过势垒，使电流加强 然而该探测器的响应时间则很长，然而该探测器的响应时间则很长，5V偏压下偏压下检测如下，响应和回落时间分别为检测如下，响应

30、和回落时间分别为6s和和15s 作者分析响应慢的原因为广泛分布于纳晶的作者分析响应慢的原因为广泛分布于纳晶的缺陷。而这些缺陷会构成复合中心，从而抑缺陷。而这些缺陷会构成复合中心，从而抑制响应电流的产生制响应电流的产生 展望：如果晶体生长的更好，指间距更短，展望：如果晶体生长的更好，指间距更短，响应将会变得迅速响应将会变得迅速 ZnO薄膜探测器薄膜探测器 ZnO属属-族宽禁带直接带隙化合物半导体族宽禁带直接带隙化合物半导体材料，熔点材料，熔点1975，室温下，室温下Eg=3.37eV，激子，激子束缚能为束缚能为60meV，远大于室温离解能，远大于室温离解能ZnO的三种结构示意图：的三种结构示意图

31、：a岩盐，岩盐，b闪锌矿，闪锌矿，c纤锌矿纤锌矿 宽禁带的宽禁带的ZnO对紫外光波段高度敏感，其热对紫外光波段高度敏感，其热稳定性、化学稳定性好，能胜任高温和腐蚀稳定性、化学稳定性好，能胜任高温和腐蚀性环境性环境 较较GaN紫外探测器紫外探测器，ZnO不需要昂贵的外延不需要昂贵的外延生长方法，易于找到匹配的衬底材料，成膜生长方法，易于找到匹配的衬底材料，成膜性强且薄膜的外延生长温度低，具有激子复性强且薄膜的外延生长温度低，具有激子复合能量高、电子诱生缺陷较低、阈值电压低合能量高、电子诱生缺陷较低、阈值电压低等优点，有利于制作高性能的紫外光电探测等优点，有利于制作高性能的紫外光电探测器器 ZnO

32、薄膜的制备：薄膜的制备：1.溅射法（溅射法（Sputtering）2.脉冲激光沉积（脉冲激光沉积（PLD）3.金属有机物化学气相沉积（金属有机物化学气相沉积（MOCVD）4.分子束外延（分子束外延（MBE）5.喷射热分解技术（喷射热分解技术（Spray Pyrolysis）6.溶胶溶胶-凝胶法（凝胶法（Sol-gel） 浙江大学硅材料国家重点实验室以浙江大学硅材料国家重点实验室以Si(Si(111) )衬衬底，用脉冲激光沉积制得底，用脉冲激光沉积制得C轴高度择优取向轴高度择优取向的的ZnO薄膜，并利用剥离技术制备了薄膜，并利用剥离技术制备了Al-ZnO-Al光导型紫外探测器。光导型紫外探测器。

33、Al叉指状电极叉指状电极( (下图下图) )是是由平面磁控溅射技术沉积得到的由平面磁控溅射技术沉积得到的 由下图所示合金化后由下图所示合金化后AI/ ZnO/ A紫外探测器紫外探测器I-V特性可知，特性可知，Al、ZnO间能形成良好的欧姆接间能形成良好的欧姆接触，而电阻值随退火温度升高先下降后上升触，而电阻值随退火温度升高先下降后上升 下降是由于欧姆接触电阻下降，之后上升是下降是由于欧姆接触电阻下降，之后上升是因为随温度升高因为随温度升高AI/ ZnO间形成氧化铝绝缘层间形成氧化铝绝缘层 下图给出了下图给出了AI/ ZnO/ AI 光导型探测器的光响光导型探测器的光响应曲线，合金化温度为应曲线

34、，合金化温度为590。 在在340nm370nm的紫外区域，的紫外区域，ZnO薄膜光响应薄膜光响应曲线比较平坦，响应度很低在曲线比较平坦，响应度很低在0.5A/ W左右左右，原因：，原因：PLD法对薄膜损伤大，内部缺陷大法对薄膜损伤大，内部缺陷大，且表面有沾污，且表面有沾污 厦门大学吴孙桃小组则采用射频磁控溅射法厦门大学吴孙桃小组则采用射频磁控溅射法在在SiO2/n-Si衬底上制备衬底上制备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叉指结构叉指结构MSM探测器探测器 在在34.49出现强的（出现强的（002）峰，表明）峰，表明ZnO有有良好的良好的c轴择优取向轴择

35、优取向 该课题组对制得的该课题组对制得的ZnO薄膜进行透射，得到薄膜进行透射，得到如下谱图，可见在可见光下有很高的透射率如下谱图，可见在可见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边，波长小于收边，波长小于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探测器分别在光照和无光照下探测器分别在光照和无光照下的的I-V特性，可看出特性，可看出Ag与与ZnO形成良好肖特基形成良好肖特基接触。接触。5V偏压下器件漏电流和光电流分别为偏压下器件漏电流和光电流分别为33nA和和1.7A。说明。说明Ag-ZnO-Ag结构能比结构能比Al-

36、ZnO-Al结构更好抑制漏电流结构更好抑制漏电流 Ag-ZnO-Ag探测器的光谱响应曲线如下所示探测器的光谱响应曲线如下所示。响应峰值在。响应峰值在365nm左右，与左右，与ZnO禁带宽度禁带宽度基本吻合基本吻合 Changchun Institute of Optics则开展了则开展了Au-ZnO-Au结构紫外探测器的研究工作，制备结构紫外探测器的研究工作，制备ZnO薄膜采取射频磁控溅射法薄膜采取射频磁控溅射法IVcharacteristics of ZnO MSM structure with interdigitedconfiguration measured in dark and 3

37、65 nm illumination 左图可看到，左图可看到，3V偏压下响应峰值在偏压下响应峰值在360nm附附近；而从右图可知，近；而从右图可知，20ns开始快速响应，开始快速响应，250ns时响应趋于完全（时响应趋于完全（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薄膜并以此构薄膜并以此构建了建了Al-ZnO-Al结构紫外探测器。左图为结构结构紫外探测器。左图为结构示意图：黑色部分为叉指电极，白色为示意图：黑色部分为叉指电极，白色为ZnO。右图为叉

38、指电极的显微照片。右图为叉指电极的显微照片 左图为透射率，在左图为透射率，在375nm附近出现陡峭的吸附近出现陡峭的吸收边，说明该探测器对收边，说明该探测器对375nm以内的紫外线以内的紫外线吸收良好。右图为无光照和吸收良好。右图为无光照和365nm光照下的光照下的I-V特性，特性，5V偏压下光电流偏压下光电流882A，远高于无，远高于无光照的光照的38A 而探测器的功率为而探测器的功率为50W，故可得出在，故可得出在5V偏偏压下，该压下，该ZnO薄膜紫外探测器的响应度为薄膜紫外探测器的响应度为18A/W The detector shows fast photoresponse with a

39、 rise time of 100 ns and fall time of 1.5msn紫外敏感材料紫外敏感材料宽禁带半导体宽禁带半导体 1. 1.半导体及其带隙半导体及其带隙 2. 2.宽禁带材料的特点宽禁带材料的特点 3. 3.具有宽禁带的半导体材料具有宽禁带的半导体材料n准一维纳米材料的合成准一维纳米材料的合成 1. 1.合成方法总述合成方法总述 2. 2.气相合成气相合成n紫外光探测器紫外光探测器 1. 1.发展现状发展现状 2. 2.薄膜探测器薄膜探测器 3. 3.纳米探测器纳米探测器 这里的纳米探测器特指以准一维纳米线材料这里的纳米探测器特指以准一维纳米线材料制作的探测器。多根准一

40、维纳米线交叉堆放制作的探测器。多根准一维纳米线交叉堆放在一起，置放于电极之间，构成了探测器的在一起，置放于电极之间，构成了探测器的主要部分主要部分 纳米线由于其制作简单，比表面积高，以及纳米线由于其制作简单，比表面积高，以及两个维度上的载波限制等特点，能给探测器两个维度上的载波限制等特点，能给探测器性能带来很大提高；当然，如何将大量的纳性能带来很大提高；当然，如何将大量的纳米线集成进器件仍然是一个较大的问题米线集成进器件仍然是一个较大的问题ElectrodeNW Xiaosheng Fang等人采用单晶等人采用单晶ZnS纳米带制作纳米带制作紫外光探测器，制作途径为紫外光探测器，制作途径为CVD

41、，制得的，制得的ZnS纳米带呈现多分叉的结构纳米带呈现多分叉的结构 文中提到：文中提到：相比间接禁带（相比间接禁带（5.5 eV）的金）的金刚石和直接禁带（刚石和直接禁带（3.4 eV）的）的ZnO， ZnS（3.723.77 eV）更适合制作紫外光的探测）更适合制作紫外光的探测器器 纳米带长可达纳米带长可达1mm，宽度取值，宽度取值在在200nm1m之之间，间，a中小图显示中小图显示出出ZnS纳米带长在纳米带长在衬有衬有Au的的Si基上基上 另有另有XRD衍射峰显衍射峰显示出该材料为六方示出该材料为六方纤锌矿结构纤锌矿结构 a探测器的光学显微照片探测器的光学显微照片; b单根纳米带响应单根纳

42、米带响应UV示意图示意图; c（from a）SEM; d I-V curve 优秀特性：优秀特性：与传统硅基半导体相比，在相当高的温度下与传统硅基半导体相比，在相当高的温度下仍有效；仍有效；与可见光相比，对与可见光相比，对320nm处的紫外响应高出处的紫外响应高出103偏压偏压10 V 多重多重ZnS基纳米带基纳米带UV探测器探测器 开关灯实验展示了该感应器优秀的可逆性和开关灯实验展示了该感应器优秀的可逆性和周期性周期性偏压偏压20V P. Feng等人采用单斜等人采用单斜相相Ga2O3纳米线制作了纳米线制作了日盲型的（紫外）光探测器日盲型的（紫外）光探测器 -Ga2O3 （4.2-4.9e

43、V）纳米线搭载于两）纳米线搭载于两Au电电极之间，无光照条件下暗电流为几极之间，无光照条件下暗电流为几pA，254nm光照时电流强度提升光照时电流强度提升103 分别采用了分别采用了XRD、SEM、EDX对产物进行测试对产物进行测试XRDSEMEDX 制作器件的思路：先制作制作器件的思路：先制作Au电极，然后把合电极，然后把合成好的成好的-Ga2O3 洒在电极上即可洒在电极上即可Si基基500 nm SiO250 nm Au a、b分别显示了无光照及分别显示了无光照及254 nm紫外照射下的紫外照射下的I-V特性特性 （1 nA=1000 pA） 造成曲线不对称、非线性造成曲线不对称、非线性的

44、原因为电极与纳米线间的原因为电极与纳米线间的欧姆接触不好的欧姆接触不好1. -Ga2O3表面自由载流表面自由载流子密度过低子密度过低2.纳米线与纳米线与Au间晶格失配间晶格失配 实时响应（实时响应（real-time response）及响应时间）及响应时间的测试结果如下图所示的测试结果如下图所示 该文献指出，采用该文献指出，采用-Ga2O3纳米线制作的光导纳米线制作的光导型紫外探测器具有非常快的响应和回复速度型紫外探测器具有非常快的响应和回复速度，相比之下，诸如，相比之下，诸如ZnO、In2O3等纳米线探测等纳米线探测器则具有过长的响应时间（器则具有过长的响应时间（10s）和回复时）和回复时

45、间（间（200s），因为这些纳米线具有过高的载），因为这些纳米线具有过高的载流子密度，即使是在无光照的情况下流子密度，即使是在无光照的情况下 因此作者认为因此作者认为-Ga2O3纳米线是非常理想的紫纳米线是非常理想的紫外探测材料外探测材料 东京大学的东京大学的Ichiro Yamada等人制作出超长（等人制作出超长（大约大约100m）ZnO纳米线并用以制作桥接电纳米线并用以制作桥接电极式紫外探测器。该探测器响应速率快，响极式紫外探测器。该探测器响应速率快，响应度高，且单一好，对可见光无响应，为高应度高，且单一好，对可见光无响应，为高性能的日盲型紫外探测器性能的日盲型紫外探测器 制作过程中，为了避免取制作过程中，为了避免取-用过程（用过程（pick and place）的分离，以及使电极）的分离