SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器及其制备方法转让专利
申请号 : CN202011103330.5
文献号 : CN112086532B
文献日 : 2021-10-22
发明人 : 何云斌 , 黎明锴 , 刘伯涵 , 付旺 , 叶盼 , 肖兴林 , 魏浩然 , 尹魏玲 , 卢寅梅 , 常钢
申请人 : 湖北大学 , 武汉睿联智创光电有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器,其特征在于,包括:衬底;
n‑NbSnO2薄膜层,位于所述衬底表面;
Mg掺杂p型导电MgSnO2薄膜层,位于所述n‑NbSnO2薄膜层远离所述衬底一侧的表面,所述Mg掺杂p型导电MgSnO2薄膜层在所述n‑NbSnO2薄膜层表面的正投影不完全覆盖所述n‑NbSnO2薄膜层;
第一金属电极层,位于所述Mg掺杂p型导电MgSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面;
第二金属电极层,位于所述n‑NbSnO2薄膜层远离所述衬底一侧且未被所述Mg掺杂p型导电MgSnO2薄膜层覆盖的表面。
2.如权利要求1所述的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器,其特征在于,所述第一金属电极层和所述第二金属电极层均为金电极层或铝电极层。
3.如权利要求1所述的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器,其特征在于,还包括n‑SnO2薄膜层,所述n‑SnO2薄膜层位于所述n‑NbSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面,所述n‑SnO2薄膜层在所述n‑NbSnO2薄膜层表面的正投影不完全覆盖所述n‑NbSnO2薄膜层,所述Mg掺杂p型导电MgSnO2薄膜层位于所述n‑SnO2薄膜层远离所述衬底一侧的表面。
4.SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:提供一衬底;
提供NbSnO2陶瓷靶材和MgSnO2陶瓷靶材;
利用所述NbSnO2陶瓷靶材在所述衬底表面制备n‑NbSnO2薄膜层;
利用所述MgSnO2陶瓷靶材在所述n‑NbSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备镁掺杂p型导电MgSnO2薄膜层,所述镁掺杂p型导电MgSnO2薄膜层不完全覆盖所述n‑NbSnO2薄膜层;
在所述镁掺杂p型导电MgSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备第一金属电极层;
在n‑NbSnO2薄膜层远离衬底一侧且未被所述Mg掺杂p型导电MgSnO2薄膜层覆盖的表面制备第二金属电极层。
5.如权利要求4所述的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器的制备方法,其特征在于,利用所述NbSnO2陶瓷靶材在所述衬底表面制备n‑NbSnO2薄膜层具体包括:将所述衬底置于脉冲激光沉积系统真空腔体中,并将衬底加热至700℃再向真空腔体中通入氧气,调节生长室压强为2Pa,利用NbSnO2陶瓷靶材采用脉冲激光烧蚀的方法在衬底上制备得到n‑NbSnO2薄膜层。
6.如权利要求4所述的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器的制备方法,其特征在于,利用所述MgSnO2陶瓷靶材在所述NbSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备镁掺杂p型导电MgSnO2薄膜层包括:将衬底置于脉冲激光沉积系统真空腔体中,并将衬底加热至700℃再向真空腔体中通入氧气,调节生长室压强为2Pa,利用MgSnO2陶瓷靶材采用脉冲激光烧蚀的方法在衬底上制备得到镁掺杂p型导电MgSnO2薄膜层。
7.如权利要求4所述的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器的制备方法,其特征在于,利用所述NbSnO2陶瓷靶材在所述衬底表面制备n‑NbSnO2薄膜层后,还包括利用SnO2陶瓷靶材在所述n‑NbSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备n‑SnO2薄膜层,所述n‑SnO2薄膜层在所述n‑NbSnO2薄膜层表面的正投影不完全覆盖所述n‑NbSnO2薄膜层,然后利用所述MgSnO2陶瓷靶材在所述n‑SnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备镁掺杂p型导电MgSnO2薄膜层;
其中,n‑SnO2薄膜层的制备方法具体为:将衬底置于脉冲激光沉积系统真空腔体中,并将衬底加热至700℃再向真空腔体中通入氧气,调节生长室压强为2Pa,利用SnO2陶瓷靶材采用脉冲激光烧蚀的方法在衬底上制备得到n‑SnO2薄膜层。
8.如权利要求4所述的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器的制备方法,其特征在于,所述NbSnO2陶瓷靶材的制备方法包括:将SnO2粉末和Nb2O5粉末混合后中加入水进行球磨,之后干燥;
将混合粉末压制成NbSnO2陶瓷坯片,在真空管式炉中,于温度为700~1300℃下对NbSnO2陶瓷坯片进行烧结即得NbSnO2靶材。
9.如权利要求4所述的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器的制备方法,其特征在于,所述MgSnO2陶瓷靶材的制备方法包括:将SnO2粉末和MgO粉末混合后中加入水进行球磨,之后干燥;
将混合粉末压制成MgSnO2陶瓷坯片,在真空管式炉中,于温度为700~1300℃下对MgSnO2陶瓷坯片进行烧结即得MgSnO2靶材。
10.如权利要求4所述的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器的制备方法,其特征在于,所述SnO2陶瓷靶材的制备方法包括:将SnO2粉末加入水进行球磨之后干燥;
将SnO2粉末压制成SnO2陶瓷坯片,在真空管式炉中,于温度为700~1300℃下对SnO2陶瓷坯片进行烧结即得SnO2靶材。
说明书 :
SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器及其制备方法
技术领域
背景技术
稳定的物理化学性质,更高的机械强度以及更大的电子迁移率等诸多优势,在紫外光电领
域具有巨大的应用潜力。近年来,在紫外探测领域,基于SnO2的MSM型紫外探测器件被成功
的制备出来。然而,基于SnO2的MSM型光电探测器通常光响应速度慢,有严重的持续光电导
效应,并且需要在外加偏压条件下工作,从而导致器件有较大的暗电流。
发明内容
n‑NbSnO2薄膜层;
所述n‑NbSnO2薄膜层表面的正投影不完全覆盖所述 n‑NbSnO2薄膜层,所述Mg掺杂p型导电
MgSnO2薄膜层位于所述n‑SnO2薄膜层远离所述衬底一侧的表面。
沉积系统真空腔体中,并将衬底加热至700℃再向真空腔体中通入氧气,调节生长室压强为
2Pa,利用NbSnO2陶瓷靶材采用脉冲激光烧蚀的方法在衬底上制备得到n‑NbSnO2薄膜层。
层包括:将衬底置于脉冲激光沉积系统真空腔体中,并将衬底加热至700℃再向真空腔体中
通入氧气,调节生长室压强为2Pa,利用MgSnO2陶瓷靶材采用脉冲激光烧蚀的方法在衬底上
制备得到镁掺杂p型导电MgSnO2薄膜层。
n‑NbSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备n‑SnO2薄膜层,所述n‑SnO2薄膜层在所述n‑
NbSnO2薄膜层表面的正投影不完全覆盖所述 n‑NbSnO2薄膜层,然后利用所述MgSnO2陶瓷靶
材在所述n‑SnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备镁掺杂p型导电MgSnO2薄膜层;
瓷靶材采用脉冲激光烧蚀的方法在衬底上制备得到n‑SnO2薄膜层。
MgSnO2薄膜层作为空穴传输层,具有高的重复性与稳定性,与传统的MSM型探测器相比具有
极低的暗电流、极低的功耗以及极快的响应速度,可以在零偏压下自驱动工作;
空穴传输层,具有高的重复性与稳定性,与传统的MSM型探测器相比具有极低的暗电流、极
低的功耗以及极快的响应速度,可以在零偏压下自驱动工作;同时,n‑SnO2薄膜层的加入阻
止了Nb元素的扩散,使其不能扩散进入p型导电MgSnO2薄膜层作为施主杂质,n‑SnO2薄膜层
作为半本征层可以扩大耗尽区宽度,使pn结表现出更好的整流特性;
平衡载流子时,pn结内建电场会快速将空穴与电子分开并传输到电极两端,产生光电流,从
而使器件有极快的光响应速度;
附图说明
发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以
根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有
其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
请实施例中衬底选用c面蓝宝石衬底。
MgSnO2薄膜层3在n‑NbSnO2薄膜层2表面的正投影与n‑NbSnO2薄膜层2表面的左侧的部分重
合,而n‑NbSnO2薄膜层2表面的右侧的部分则完全暴露。
与第二金属电极层5之间为欧姆接触。
性,与传统的MSM型探测器相比具有极低的暗电流、极低的功耗以及极快的响应速度,可以
在零偏压下自驱动工作。
量60%的去离子水进行球磨8小时;将球磨后的混合粉末放入真空干燥箱中于温度为120℃
下,干燥8小时;然后向干燥后的混合粉末中加入质量为干燥后的混合粉末质量3%的无水
乙醇,研磨搅拌均匀,得到混合粘结在一起的陶瓷坯料,并在压片机中于压强为4MPa压成厚
度为3mm的 NbSnO2陶瓷坯片;在氧气氛围中,于真空管式炉中,在1200℃下对得到的 NbSnO2
陶瓷坯片进行烧结,得到NbSnO2陶瓷靶材。
60%的去离子水进行球磨8小时;将球磨后的混合粉末放入真空干燥箱中于温度为120℃
下,干燥8小时;然后向干燥后的混合粉末中加入质量为干燥后的混合粉末质量3%的无水
乙醇,研磨搅拌均匀,得到混合粘结在一起的陶瓷坯料,并在压片机中于压强为4MPa压成厚
度为3mm的 MgSnO2陶瓷坯片;在氧气氛围中,于真空管式炉中,在1200℃下对得到的 MgSnO2
陶瓷坯片进行烧结,得到MgSnO2陶瓷靶材。
‑
高纯氮气吹干,得到干净的衬底并放入脉冲激光沉积系统真空腔体中,并抽真空至1×10
4
Pa,将衬底加热到700℃,通入O2于真空腔体中,调节生长室气压为2Pa,利用NbSnO2陶瓷靶
材采用脉冲激光烧蚀的方法在衬底上进行n‑NbSnO2薄膜的生长,即制备得到n‑NbSnO2薄膜
层;将n‑NbSnO2薄膜层表面部分使用掩膜板遮盖,具体的,将n‑NbSnO2薄膜层右侧的部分使
‑4
用掩膜板遮盖,放入脉冲激光沉积系统真空腔体中,并抽真空至1×10 Pa,将衬底加热到
700℃,通入O2于真空腔体中,调节生长室气压为2Pa,利用MgSnO2陶瓷靶材采用脉冲激光烧
蚀的方法在n‑NbSnO2薄膜层左侧部分上进行Mg掺杂的MgSnO2薄膜的生长;然后在真空管式
炉中将生长有n‑NbSnO2薄膜、Mg掺杂的MgSnO2薄膜的衬底于氧气的气氛下,于600℃下退火;
退火后在镁掺杂p 型导电MgSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备第一金属电极层;在n‑
NbSnO2 薄膜层远离衬底一侧且未被Mg掺杂p型导电MgSnO2薄膜层覆盖的表面制备第二金
属电极层,具体的,可通过化学气相沉积、物理气相沉积、蒸镀等方法制备得到第一金属电
极层(即铝电极层)和第二金属电极层(即铝电极层)。
请实施例中衬底选用c面蓝宝石衬底。
表面的正投影与NbSnO2薄膜层2表面的左侧的部分重合,而NbSnO2薄膜层2表面的右侧的部
分则完全暴露。
与第二金属电极层5之间为欧姆接触。
性,与传统的MSM型探测器相比具有极低的暗电流、极低的功耗以及极快的响应速度,可以
在零偏压下自驱动工作。同时, n‑SnO2薄膜层6的加入阻止了Nb元素的扩散,使其不能扩散
进入p型导电 MgSnO2薄膜层作为施主杂质,n‑SnO2薄膜层作为半本征层可以扩大耗尽区宽
度,使pn结表现出更好的整流特性。
量60%的去离子水进行球磨8小时;将球磨后的混合粉末放入真空干燥箱中于温度为120℃
下,干燥8小时;然后向干燥后的混合粉末中加入质量为干燥后的混合粉末质量3%的无水
乙醇,研磨搅拌均匀,得到混合粘结在一起的陶瓷坯料,并在压片机中于压强为4MPa压成厚
度为3mm的 NbSnO2陶瓷坯片;在氧气氛围中,于真空管式炉中,在1200℃下对得到的 NbSnO2
陶瓷坯片进行烧结,得到NbSnO2陶瓷靶材。
粉末置于真空干燥箱中,于温度为120℃下干燥8小时,然后向干燥后的SnO2粉末中加入质
量为干燥后的SnO2粉末质量3%的无水乙醇,研磨搅拌均匀,得到混合粘结在一起的陶瓷坯
料,并在压片机中于压强为4MPa 下压制成SnO2陶瓷坯片;在氧气氛围中,于真空管式炉中,
在1200℃下对得到的SnO2陶瓷坯片进行烧结,得到SnO2陶瓷靶材。
60%的去离子水进行球磨8小时;将球磨后的混合粉末放入真空干燥箱中于温度为120℃
下,干燥8小时;然后向干燥后的混合粉末中加入质量为干燥后的混合粉末质量3%的无水
乙醇,研磨搅拌均匀,得到混合粘结在一起的陶瓷坯料,并在压片机中于压强为4MPa压成厚
度为3mm的 MgSnO2陶瓷坯片;在氧气氛围中,于真空管式炉中,在1200℃下对得到的 MgSnO2
陶瓷坯片进行烧结,得到MgSnO2陶瓷靶材。
‑
高纯氮气吹干,得到干净的衬底并放入脉冲激光沉积系统真空腔体中,并抽真空至1×10
4
Pa,将衬底加热到700℃,通入O2于真空腔体中,调节生长室气压为2Pa,利用NbSnO2陶瓷靶
材采用脉冲激光烧蚀的方法在衬底上进行n‑NbSnO2薄膜的生长,即制备得到n‑NbSnO2薄膜
层;将n‑NbSnO2薄膜层表面部分使用掩膜板遮盖,具体的,将n‑NbSnO2薄膜层右侧的部分使
‑4
用掩膜板遮盖,放入脉冲激光沉积系统真空腔体中,并抽真空至1×10 Pa,将衬底加热到
700℃,通入O2于真空腔体中,调节生长室气压为2Pa,利用SnO2陶瓷靶材采用脉冲激光烧蚀
的方法在NbSnO2薄膜层左侧部分上进行n‑SnO2薄膜的生长;然后改变靶材为MgSnO2靶材,在
同样条件下采用脉冲激光烧蚀的方法在n‑SnO2薄膜层表面进行Mg掺杂的MgSnO2薄膜的生
长,得到Mg掺杂的 MgSnO2薄膜的生长;然后在真空管式炉中将生长有n‑NbSnO2薄膜、n‑SnO2
薄膜、Mg掺杂的MgSnO2薄膜的衬底于氧气的气氛下,于600℃下退火;退火后在镁掺杂p型导
电MgSnO2薄膜层远离衬底一侧的表面制备第一金属电极层;在 n‑NbSnO2薄膜层远离衬底
一侧且未被Mg掺杂p型导电MgSnO2薄膜层覆盖的表面制备第二金属电极层,具体的,可通过
化学气相沉积、物理气相沉积、蒸镀等方法制备得到第一金属电极层(即金电极层)和第二
金属电极层(即金电极层)。
例1制备得到的SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器具有良好的整流特性。
整流效果,开启电压为1.23V。
其二,n‑SnO2薄膜层作为半本征层可以扩大耗尽区宽度,使pn结表现出更好的整流特性。
自驱动紫外光光电探测器在0A电流偏置、290nm光照下上升响应时间为0.57ms。
结自驱动紫外光光电探测器在0A电流偏置、290nm光照下,衰减时间为0.64ms。
复10个周期测试,SnO2基同质结自驱动紫外光光电探测器具有优秀的重复性。
紫外光光电探测器,对可见光没有响应,对紫外光有高的响应度(在240nm处最高,为9.6mA/
W),表明探测器具有极快的响应速度,极好的稳定性与重复性以及优秀的光选择性。