专利名称：一种具有光电导效应的钯掺杂碳膜/氧化物/半导体材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有光电导效应的钯掺杂碳膜/氧化物/半导体材料。
背景技术：
光敏传感器是能够快速地将接受到的光信号转换成对应的电信号的传感器，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件则称光敏器件。光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。光敏器件可以用来以可见光或红外光的形式控制报警器、测试仪、 自动开关、继电器等多种装置或执行机构。因此，光敏器件广泛应用于各种自动控制电路、 家用电器及各种测量仪器中。在光线作用下，光敏材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，电阻值减小。目前广泛应用的是硅基光敏材料(公开号CN2356356)，然而在有些硅基光电导材料生产过程中使用磷烷等有毒气体。此外，有些氧化物材料也具有很好的光敏感性。利用SiO的光敏感性，制备出具有半绝缘性ZnO半导体薄膜与硅的异质结的光敏二极管(公开号CN101111944)。目前广泛应用的硅基光敏材料和SiO/硅异质结材料的成本还比较高。最近碳材料的光敏感特性引起了人们的关注。文献Appl. Phys. Lett. 1994， 64(17) =2297-2299中报道了氮掺杂碳薄膜/硅异质结材料的光电二极管，在模拟太阳AMl的白光照射下反向光电导率变化了一个数量级。在文献Diamond and Related Materials2008,17 :676-679中提到用化学气相沉积的方法制备出具有光敏感性的非晶碳膜，模拟太阳AMI. 5的条件下发现光电流是暗电流的20倍。一个数量级的低光电导率变化显然不利于实际的应用。通过光敏材料，能灵敏、快速地将接受到的光信号转换成对应的电信号，广泛地应用于国民经济、军事、科学技术等各个部门和社会生活的方方面面，特别是现代高新技术之中。随着经济和军事领域的高科技的发展，社会对光电子技术和产品的需求也不断增长，光电子产业也渐渐成为当今发展速度最快和最有前途的朝阳产业之一。碳材料储量丰富，价格便宜，性质稳定，对人体无毒害，禁带宽度可调节，在光敏感材料方面有很好的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有光电导效应的钯掺杂碳膜/氧化物/半导体材料， 用于构成半导体-氧化物-半导体(SIS)结构的光电传感器。本发明的目的是这样实现的，它是一种以厚度为0.5 1.0毫米的半导体(硅、 锗、硒、氮化镓、碳化硅等)为衬底，用磁控溅射的方法将氧化物(二氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化铜等)沉积到半导体基片表面，然后再用磁控溅射的方法将掺杂原子数含量为0 5%钯的石墨复合靶溅射到抛光的氧化物薄膜表面表面上，形成厚度为20 200纳米的薄膜，制成钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体(SIQ结构。该材料具有大的光电导变化值，可用于制造光电传感器件。以硅衬底为例，该材料的制备是通过以下步骤实施(1)将纯度为99. 9%的钯粉和纯度为99. 9%石墨粉按照原子比为0 5%的比例混合、冷压获得含有0 5% (原子数含量)的钯元素的钯-石墨复合靶。(2)依次用去离子水、丙酮、乙醇在超声波中清洗实验所需的厚度为0. 5 1. 0毫米的单晶硅基片5分钟(保留硅片的自然氧化层，或者用测控溅射方法沉寂氧化硅薄膜)。(3)将清洗好的硅基片放入溅射室，开启抽真空系统进行抽真空。(4)当背景真空为2X10—4帕时，通入氩气，并维持3帕的压强，待气压稳定后，开始用石墨靶溅射，或者用掺钯的石墨复合靶溅射，溅射功率为48瓦(溅射直流电压0. 40千伏，溅射直流电流0. 12安培)，溅射时间为5至120分钟，溅射温度为室温至600°C。(5)溅射完毕后，停止通氩气，抽真空系统继续工作，使样品在真空度较高的环境下自然冷却，待样品温度降至室温，取出样品。由上述过程制备的钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料的薄膜厚度为20 200纳米，具有高的光敏感效应，即钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料在1毫瓦/厘米2的白光照射下光电流与暗电流相比增大了 140多倍(正向0.5伏特下光电流为0. 0795毫安，暗电流为0. 000557毫安)。此外，该材料在20毫瓦/厘米2的白光照射下表现出了一个高达2000 倍的光电导变化(正向0.5伏特下光电流为1. 1毫安，暗电流为0.000557毫安)。而且，这种光敏材料光电流与光照辐射强度之间具有很好的线性关系。本发明的有益效果是所提供的钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体材料，具有光电导效应，光电流与光照辐射强度具有很好的线性关系，可用于制造辐照计、照度计等光电传感器件。而且碳材料储量丰富，价格便宜，性质稳定，对人体无毒害，禁带宽度可调节，在光敏感材料方面有很好的应用价值。
图1为依据本发明所提供的钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料制造的光电传感器的结构示意图。图2为在室温下依据本发明所制造的光电传感器的电流-电压特性对白光光照的敏感性测试结果示意图。该材料的制备参数沉积温度为350°C，溅射时间为90分钟，薄膜厚度约为100纳米。图3为室温下依据本发明所制造的光电传感器在IV的正向偏压下，光电流与白光光照辐射强度的关系示意图。该异质结材料的制备参数沉积温度为350°C，溅射时间为90 分钟，薄膜厚度约为100纳米。
具体实施例方式下面结合附图和实施例来详细描述本发明。实施例，取纯度为99. 9 %的石墨粉，掺入纯度为99. 9 %的钯粉，用冷压法制成钯的原子数含量为的钯-碳复合靶。用磁控溅射的方法将钯-碳复合靶溅射到一块厚度为ι. O毫米的保留自然氧化层2的硅晶片1上，二氧化硅2的厚度约为1. 2纳米，在硅晶片上形成一层厚度为100纳米的掺钯碳薄膜3，在掺钯碳薄膜3上溅射一层半透明铜薄膜4， 铜薄膜4作为上电极，为了防止铜薄膜直接导通设计了间隔区7 (间隔区7将铜薄膜和碳薄膜分成了两部分)。在半导体-氧化物-半导体(SIQ结构材料上接通直流电源6，5为电流表，成为电导型光敏传感器，如图1所示。溅射直流电压为0.40千伏，溅射直流电流为 0. 12安培，溅射沉积温度为350°C，溅射时间为90分钟。对样品在室温下的电流-电压特性曲线对光的敏感性进行了测试，测试结果如图2所示。结果表明在1毫瓦/厘米2的白光照射下，测得光电流与暗电流相比增大了 140多倍(正向0.5伏特下光电流为0. 0795毫安，暗电流为0. 000557毫安)；在20毫瓦/厘米2的白光照射下，光电流与暗电流相比增大了 3个数量级(正向0. 5伏特下光电流为1. 1毫安，暗电流为0. 000557毫安)；而且，这种光敏材料光电流与光照辐射强度具有很好的线性关系，如图3所示。
与现有技术相比，本发明所提供的钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体材料所制成的光电传感器具有以下优点①对白光具有非常高的敏感性，具有大的光电导变化值，而且光电流与光照辐射强度具有很好的线性关系。②结构简单，在室温下工作，易实现器件的微型化、集成化。③具有灵敏度高、响应快、稳定性好、可重复的特点。④生产工艺简单，成品率高。⑤碳材料储量丰富，价格便宜，性质稳定，对人体无毒害，具有广阔的应用前景。
权利要求
1.一种具有光电导效应的钯掺杂碳膜/氧化物/半导体材料，具有半导体-氧化物-半导体结构，其特征是，厚度为0. 5 1. 0毫米的带氧化层的半导体片上，形成一层厚度为 20 200纳米的薄膜，该薄膜为掺杂原子数含量为0 5%钯的石墨复合靶溅射形成，制成钯掺杂碳膜/氧化物/半导体材料。
2.按照权利要求1所述的具有光电导效应的钯掺杂碳膜/氧化物/半导体材料，其特征是氧化层可以是二氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化铜等氧化物，半导体衬底可以选用硅、 锗、硒、氮化镓、碳化硅等半导体材料
3.按照权利要求1或2所述的具有光电导效应的钯掺杂碳膜/氧化物/半导体材料， 其特征是利用该材料的光电导效应，用于制造光电传感器件。
全文摘要
本发明提供了一种具有光电导效应的钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体材料，是将掺杂原子数含量为0～5％钯的石墨复合靶溅射到厚度为0.5～1.0毫米的带有氧化物的半导体衬底上，形成一层厚度为20～200纳米的薄膜，制成钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体材料。该钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体材料具有光电导效应，而且光电流与光照辐射强度具有很好的线性关系，可以用于制备光电传感器件，在室温下工作，结构简单，成本低，生产工艺简单，成品率高，具有广阔的应用前景。
文档编号H01L31/08GK102214722SQ20111009582
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者李建鹏, 王盛, 甄玉花, 薛庆忠, 马明 申请人:中国石油大学(华东)