一种垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵及其制备方法与流程

本发明涉及一种日盲紫外光电探测器面阵及其制备方法，尤其是涉及一种垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵及其制备方法。

背景技术：

大气层对200-280 nm紫外波段的太阳光具有强烈的吸收，200-280nm波段的光称为日盲紫外光。大气层对日盲紫外光的吸收为人造日盲紫外信号的检测提供一种天然的低背景窗口。日盲紫外光电探测器是指对200-280nm的日盲光具有特征响应，而对280-800nm的紫外光和可见光不响应的紫外探测器（Rikiya Suzuki, Shinji Nakagomi, and Yoshihiro Kokubuna, Appllied Physics Letters, 2011, 98:131114）。目前，日盲紫外探测器已经被广泛应用于导弹预警、高压线电晕探测、医疗诊断、近地保密通讯等领域。

近年来，ZnMgO合金薄膜被广泛应用于各种类型的日盲紫外光电探测器单元器件的制备，包括金属-半导体-金属结构日盲紫外光电探测器（Z. G. Ju, C. X. Shan, D. Y. Jiang, J. Y. Zhang, B. Yao, D. X. Zhao, D. Z. Shen and X. W. Fan, Applied Physics Letters, 2008, 93:173505）和肖特基二极管结构日盲紫外光电探测器（H. Endo, M. Sugibuchi, K. Takahashi, S. Goto, K. Hane and Y. Kashiwaba, physica status solidi (c), 2008, 5:3119）。然而，这两种结构的探测器，由于电极连接的问题，不适用于面阵器件的制备，目前很少有这两种结构的ZnMgO日盲紫外探测器面阵器件的报道。

p-n结二极管结构探测器具有垂直结构和自驱动的特性。一方面，垂直结构适用于集成的光电探测器阵列，这是必要的光电成像技术；另一方面，自驱动性能光电二极管可以无需外部电源驱动，具有良好的适应性和可持续性（Hongyu Chen, Kewei Liu, Linfeng Hu, Ahmed A. Al-Ghamdi and Xiaosheng Fang, Materials Today, 2015, 18:493）。因此有望制备出高性能的日盲紫外光电探测器面阵器件。然而，如何制备稳定的p型ZnO基材料仍然是一个较大的问题（J. S. Liu, C. X. Shan, H. Shen, B. H. Li, Z. Z. Zhang, L. Liu, L. G. Zhang, and D. Z. Shen, Applied Physics Letters, 2012, 101: 011106）。

非掺杂的NiMgO三元合金薄膜，由于Ni空位的存在，表现出p型导电特性（Yanmin Guo, Liping Zhua, Jie Jiang, Yaguang Li, Liang Hu, Hongbin Xu, Zhizhen Ye, Thin Solid Films, 2014, 558:311）。因此，近期有研究者制备出n-Zn_0.8Mg_0.2O/p-Ni_0.8Mg_0.2O异质pn结（Yan-Min Guo,Li-Ping Zhu, Wen-Zhe Niu, Xiang-Yu Zhang and Zhi-Zhen Ye, Applied physics A, 2014, 118:239）。通过适当提高Zn_yMg_1-yO和Ni_zMg_1-zO合金薄膜中的Mg组分（1-y）和（1-z），可以增加这两层薄膜的带隙宽度，使它们的禁带宽度达到日盲波段，就可以制备出n-ZnMgO/p-NiMgO异质pn垂直结构的日盲紫外光电探测器。

此外，众所周知，ZnMgO三元合金薄膜随着Mg组分的增加，其载流子浓度快速下降，因此其导电性降低（J.S. Liu, C.X.Shan, S.P.Wang, B.H.Li, Z.Z Zhang and D.Z.Shen, Journal of Crystal Growth, 2012, 347:95）。通过加入超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层可以有效提高光生载流子的收集效率，大大增强面阵器件的性能。

因此，利用n-Zn_yMg_1-yO/p-Ni_zMg_1-zO异质pn结的自驱动特性，结合超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层，可以制备出性能优异的垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵器件。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对p型ZnMgO材料稳定性低，pn结型ZnMgO日盲紫外光电探测器制备困难的问题，利用p型NiMgO材料代替p型ZnMgO材料，提供一种垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵及其制备方法。

本发明的技术方案是以超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层；以日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层；以Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层；制备n型环形共电极及p型阵列电极，最终制备获得垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵。

本发明包括以下步骤：

1）在透明衬底1上生长一层超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜，作为透明导电窗口层2；2）在透明导电窗口层2上面生长一层日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜，作为n型层3；3）在n型层3上面生长一层Ni_zMg_1-zO薄膜，作为p型层4；4）利用光刻掩模结合刻蚀的方法刻蚀掉部分的p型层4和n型层3后，露出部分透明导电窗口层2；5）再结合光刻掩模和真空镀膜方法在步骤4）所露出的透明导电窗口层2上制备n型环形共电极5，在p型层4上制备p型阵列电极6；最终制备获得垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵。

上述步骤1）的透明衬底1为氧化镁、氧化铝或石英衬底。

上述步骤1）生长的超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜，其掺杂的杂质元素为Al、Ga或In，带隙大于5.0eV，载流子浓度大于1×10¹⁹/cm³；生长掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜的方法为磁控溅射镀膜方法或脉冲激光沉积镀膜方法；所述掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜中Zn元素组分x大于0小于0.50。

上述步骤2）生长的日盲带隙、低流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜，其掺杂的杂质元素为Al、Ga或In，带隙大于4.3eV小于5.0eV，载流子浓度大于1×10¹⁷/cm³小于5×10¹⁸/cm³；生长掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜的方法为磁控溅射镀膜方法或脉冲激光沉积镀膜方法；所述掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜中Zn元素组分y大于0.50小于0.60。

上述步骤3）生长的Ni_zMg_1-zO薄膜，其带隙大于4.3eV小于5.0eV；生长Ni_zMg_1-zO薄膜的方法为磁控溅射镀膜方法或脉冲激光沉积镀膜方法；所述Ni_zMg_1-zO薄膜中Ni元素组分z大于0.40小于0.50。

上述步骤4）刻蚀掉部分的掺杂Ni_zMg_1-zO薄膜和低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜的刻蚀方法为化学腐蚀、离子束刻蚀或等离子体刻蚀。

上述步骤5）中的真空镀膜方法为磁控溅射镀膜方法、电子束蒸发镀膜方法或热蒸发镀膜方法。

本发明上述的制备方法制得垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵。

与现有的ZnMgO日盲紫外光电探测器相比，本发明具有以下突出的优点：

1）本发明利用p型NiMgO材料代替p型ZnMgO材料，解决了稳定的p型ZnMgO材料制备困难的问题，制备Zn_yMg_1-yO/Ni_zMg_1-zO异质结构pn结，实现ZnMgO日盲紫外光电探测器的自驱动工作。

2）本发明制备的Zn_yMg_1-yO/Ni_zMg_1-zO异质结构pn结为垂直结构，优于传统的金属-半导体-金属的二维平面结构，垂直结构的日盲紫外光电探测器可实现共电极和阵列电极的制备，因此可以制备出ZnMgO日盲紫外光电探测器面阵器件。

3）本发明利用超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜透明作为导电窗口层，可以有效提高光生载流子的收集效率，大大增强日盲紫外光电探测器单元和面阵器件的性能。

4）现有的ZnMgO日盲紫外光电探测器单元器件，只能应用于日盲紫外光电信号强弱的探测，而无法实现日盲紫外光电信号的成像、追踪。本发明制备的ZnMgO日盲紫外光电探测器面阵器件可以实现对日盲紫外光电信号的成像和追踪。

附图说明

图1 为垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵示意图。

图中的标号为：透明衬底1；超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2；日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层3；Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层4；n型环形共电极5；p型阵列电极6。

图2为本发明实施例制备垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵具体过程图。

图中的标号为：透明衬底1；超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2；日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层3； Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层4；n型环形共电极5；p型阵列电极6。

具体实施方式

下面通过具体实施例阐述，以进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步。

实施例1

参见附图2，利用磁控溅射镀膜方法在石英衬底1上生长一层超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2，掺杂的杂质元素为Al，采用ZnO靶、MgO靶和Al₂O₃靶分别为Zn源、Mg源和Al掺杂源，溅射功率分别为50W、100W和30W，生长得到的Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2，经实验获得：式中x值为0.48，带隙宽度为5.1eV，载流子浓度为2×10¹⁹/cm³（见图2中的过程a）；继续利用磁控溅射镀膜方法生长一层日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层3，掺杂的杂质元素为Al，采用ZnO靶、MgO靶和Al₂O₃靶分别为Zn源、Mg源和Al掺杂源，溅射功率分别为55W、100W和20W，生长得到的Zn_yMg_1-yO薄膜n型层3，经实验获得：式中y值为0.52，其带隙宽度为4.6eV，载流子浓度为3×10¹⁷/cm³（见图2中的过程b）；进而利用磁控溅射镀膜方法生长一层Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层4，采用NiO靶和MgO靶分别为Ni源和Mg源，溅射功率分别为100W和110W，生长得到的Ni_zMg_1-zO薄膜，经实验获得：式中z值为0.45，其带隙宽度为4.5eV（见图2中的过程c）；在生长的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术去除多层膜上需要刻蚀部分的光刻胶，利用化学腐蚀方法刻蚀掉非光刻胶掩膜部分的掺杂Ni_zMg_1-zO薄膜和低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜的n型层3，露出超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜的透明导电窗口层2，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程d）；进一步在刻蚀后的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术在露出超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜的透明导电窗口层2上制备环形共电极的光刻图形，利用电子束蒸发镀膜方法制备n型环形共电极5，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程e）；进一步在制备完n型环形共电极的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术在Ni_zMg_1-zO薄膜的p型层4上制备阵列电极的光刻图形，利用电子束蒸发镀膜方法制备p型阵列电极6，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程f）。最终获得垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵器件如图1所示，图1中：透明衬底1；超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2；日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层3；Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层4；n型环形共电极5；p型阵列电极6。

实施例2

参见附图2，利用脉冲激光沉积镀膜方法在氧化铝衬底1上生长一层超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2，掺杂的杂质元素为In，采用ZnO靶、MgO靶和In₂O₃靶分别为Zn源、Mg源和In掺杂源，脉冲激光源的能量密度分别为1.7 J/cm²、2.0J/cm²和0.7J/cm²，生长得到的Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2，经实验获得：式中x值为0.45，其带隙宽度为5.3eV，载流子浓度为1.5×10¹⁹/cm³（见图2中的过程a）；继续利用脉冲激光沉积镀膜方法生长一层日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层3，掺杂的杂质元素为In，采用ZnO靶、MgO靶和In₂O₃靶分别为Zn源、Mg源和In掺杂源，脉冲激光源的能量密度分别为1.9J/cm²、2.0J/cm²和0.5J/cm²，生长得到的Zn_yMg_1-yO薄膜，经实验获得：式中y值为0.53，其带隙宽度为4.5eV，载流子浓度为5×10¹⁷/cm³（见图2中的过程b）；进而利用脉冲激光沉积镀膜方法生长一层Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层4，采用NiO靶和MgO靶分别为Ni源和Mg源，脉冲激光源的能量密度分别为1.8J/cm²、2.0J/cm²，生长得到的Ni_zMg_1-zO薄膜，经实验获得：式中z值为0.47，其带隙宽度为4.4eV（见图2中的过程c）；在生长的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术去除多层膜上需要刻蚀部分的光刻胶，利用离子束刻蚀方法刻蚀掉非光刻胶掩膜部分的Ni_zMg_1-zO薄膜的p型层4和低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜的n型层3，露出超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜的透明导电窗口层2，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程d）；进一步在刻蚀后的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术在露出超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜透明的导电窗口层2上制备环形共电极的光刻图形，利用磁控溅射镀膜方法制备n型环形共电极5，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程e）；进一步在制备完n型环形共电极的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术在Ni_zMg_1-zO薄膜的p型层4上制备阵列电极的光刻图形，利用磁控溅射镀膜方法制备p型阵列电极6，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程f）。最终获得垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵器件。最终获得垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵器件如图1所示，图1中：透明衬底1；超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2；日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层3；Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层4；n型环形共电极5；p型阵列电极6。

实施例3

参见附图2，利用磁控溅射镀膜方法在氧化铝衬底1上生长一层超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2，掺杂的杂质元素为Ga，采用ZnO靶、MgO靶和Ga₂O₃靶分别为Zn源、Mg源和Ga掺杂源，溅射功率分别为45W、100W和30W，生长得到的Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2，经实验获得：式中x值为0.44，其带隙宽度为5.4eV，载流子浓度为1.1×10¹⁹/cm³（见图2中的过程a）；继续利用磁控溅射镀膜方法生长一层日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层3，掺杂的杂质元素为Ga，采用ZnO靶、MgO靶和Ga₂O₃靶分别为Zn源、Mg源和Al掺杂源，溅射功率分别为52W、100W和20W，生长得到的Zn_yMg_1-yO薄膜n型层3，经实验获得：式中y值为0.51，其带隙宽度为4.7 eV，载流子浓度为1×10¹⁸/cm³（见图2中的过程b）；进而利用磁控溅射镀膜方法生长一层Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层4，采用NiO靶和MgO靶分别为Ni源和Mg源，溅射功率分别为100W和120W，生长得到的Ni_zMg_1-zO薄膜，经实验获得：式中z值为0.43，其带隙宽度为4.7eV（见图2中的过程c）；在生长的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术去除多层膜上需要刻蚀部分的光刻胶，利用等离子体刻蚀方法刻蚀掉非光刻胶掩膜部分的Ni_zMg_1-zO薄膜的p型层4和低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜的n型层3，露出超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜的透明导电窗口层2，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程d）；进一步在刻蚀后的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术在露出超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜的透明导电窗口层2上制备环形共电极的光刻图形，利用热蒸发镀膜方法制备n型环形共电极5，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程e）；进一步在制备完n型环形共电极的多层膜上旋涂光刻胶，并利用光刻显影技术在Ni_zMg_1-zO薄膜p型层4上制备阵列电极的光刻图形，利用热蒸发镀膜方法制备p型阵列电极6，用丙酮去除残留光刻胶（见图2中的过程f）。最终获得垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵器件。最终获得垂直结构ZnMgO自驱动日盲紫外光电探测器面阵器件如图1所示，图1中：透明衬底1；超宽带隙、高载流子浓度的掺杂Zn_xMg_1-xO薄膜作为透明导电窗口层2；日盲带隙、低载流子浓度的掺杂Zn_yMg_1-yO薄膜作为n型层3；Ni_zMg_1-zO薄膜作为p型层4；n型环形共电极5；p型阵列电极6。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。