寬帶隙半導(dǎo)體材料與紫外光探測器

1、寬禁帶半導(dǎo)體材料寬禁帶半導(dǎo)體材料紫外光探測器紫外光探測器 隨著科技發(fā)展，紫外偵測技術(shù)越來越多的在隨著科技發(fā)展，紫外偵測技術(shù)越來越多的在軍事、工業(yè)、民用等方面得到愈發(fā)廣泛的應(yīng)軍事、工業(yè)、民用等方面得到愈發(fā)廣泛的應(yīng)用用SG01S系列紫外探測器系列紫外探測器紫外探測器紫外探測器EryF-德國德國sglux公司公司 軍事上，導(dǎo)彈預(yù)警、制導(dǎo)、紫外通訊、生化軍事上，導(dǎo)彈預(yù)警、制導(dǎo)、紫外通訊、生化分析等方面都有紫外探測的需求分析等方面都有紫外探測的需求AAR-47紫外告警設(shè)備紫外告警設(shè)備AAR-54（V）紫外告警設(shè)備）紫外告警設(shè)備紫外日盲型紫外日盲型CCD探測器，可用于日探測器，可用于日盲探測、導(dǎo)彈或火箭尾

2、煙檢測盲探測、導(dǎo)彈或火箭尾煙檢測 在民用上，明火探測、生物醫(yī)藥分析、臭氧在民用上，明火探測、生物醫(yī)藥分析、臭氧檢測、海上油監(jiān)、太陽照度檢測、公安偵查檢測、海上油監(jiān)、太陽照度檢測、公安偵查等等個人防護(hù)用紫外探測個人防護(hù)用紫外探測紫外火焰探測器紫外火焰探測器武漢隔爆型紫外火焰探測器武漢隔爆型紫外火焰探測器 光探測器的原理：光探測器的原理： 采用對光敏感的器件作傳感器，檢測入射的采用對光敏感的器件作傳感器，檢測入射的光功率并把其變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流。一般光功率并把其變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流。一般要滿足四點要求要滿足四點要求（1 1）在系統(tǒng)工作要求的波長區(qū)域范圍內(nèi)，有高的）在系統(tǒng)工作要求的波長區(qū)域范圍內(nèi)，

3、有高的量子效率；量子效率；（2 2）響應(yīng)速度快；）響應(yīng)速度快；（3 3）具有好的線性輸入）具有好的線性輸入- -輸出性質(zhì)；輸出性質(zhì)；（4 4）能在需要的環(huán)境下可靠的工作）能在需要的環(huán)境下可靠的工作 紫外光的偵測紫外光的偵測( (200400nm) ) 由于臭氧等氣體對紫外線的強(qiáng)烈吸收，由于臭氧等氣體對紫外線的強(qiáng)烈吸收，2.3eV 2.3eV）的半導(dǎo)體的半導(dǎo)體n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體 1. 1.半導(dǎo)體及其帶隙半導(dǎo)體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料n準(zhǔn)一維納米材料的合成準(zhǔn)一維納米材料的合成 1.

4、1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器禁帶寬度大禁帶寬度大熱導(dǎo)率很高熱導(dǎo)率很高擊穿電場高擊穿電場高電子飽和漂移速率大電子飽和漂移速率大化學(xué)穩(wěn)定性好化學(xué)穩(wěn)定性好抗輻射能力極佳抗輻射能力極佳 由上述特點，非常適于制作高溫、高頻、抗由上述特點，非常適于制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成的電子器件輻射、大功率和高密度集成的電子器件 此外，其較寬的帶隙此外，其較寬的帶隙對藍(lán)綠光或紫外光非常對藍(lán)綠光或紫外光非常敏感敏感，可據(jù)此制作相應(yīng)的發(fā)光器件及光探測，可據(jù)此制作

5、相應(yīng)的發(fā)光器件及光探測器，匯報選題即由此而來器，匯報選題即由此而來n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體 1. 1.半導(dǎo)體及其帶隙半導(dǎo)體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料n準(zhǔn)一維納米材料的合成準(zhǔn)一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 Eg2.3eV的半導(dǎo)體材料均可稱作寬禁帶半導(dǎo)的半導(dǎo)體材料均可稱作寬禁帶半導(dǎo)體材料體材料 根據(jù)已有的研究，寬禁帶半導(dǎo)體材

6、料主要集根據(jù)已有的研究，寬禁帶半導(dǎo)體材料主要集中在中在金剛石，金剛石，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）和和固溶固溶體等體等半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料禁帶類型禁帶類型禁帶寬度禁帶寬度Eg/eVEg/eVGaN直接直接3.39ZnO直接直接3.37TiO2間接間接金紅石金紅石3.0，銳鈦礦銳鈦礦3.2C-BN間接間接6.4金剛石金剛石間接間接5.47AlN直接直接6.2SiC間接間接4H-SiC3.23，6H-SiC3.0Ga2O3（高溫）（高溫）直接直接4.85.1n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體 1

7、. 1.半導(dǎo)體及其帶隙半導(dǎo)體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料n準(zhǔn)一維納米材料的合成準(zhǔn)一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 一維納米材料是指一維納米材料是指在三維空間內(nèi)有兩維尺寸在三維空間內(nèi)有兩維尺寸處于納米量級的材料體系處于納米量級的材料體系 一維納米材料的種類一維納米材料的種類納米棒：細(xì)棒狀結(jié)構(gòu)，一般長徑比納米棒：細(xì)棒狀結(jié)構(gòu)，一般長徑比10納米帶：長徑比納

8、米帶：長徑比10，一般寬厚比，一般寬厚比3納米管：細(xì)長并具有空心管狀結(jié)構(gòu)納米管：細(xì)長并具有空心管狀結(jié)構(gòu)納米電纜以及同軸納米線納米電纜以及同軸納米線一維納米材料一維納米材料 材料在兩個維度受到限制材料在兩個維度受到限制準(zhǔn)一維納米材料準(zhǔn)一維納米材料 材料的結(jié)構(gòu)可能是二維或三維，但其性質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)可能是二維或三維，但其性質(zhì)由材料的某一方向的鏈決定由材料的某一方向的鏈決定 目前用于制備準(zhǔn)一維納米線的最主要方法為目前用于制備準(zhǔn)一維納米線的最主要方法為氣相合成法，除此之外還有以下幾種方法：氣相合成法，除此之外還有以下幾種方法：模板法模板法 通過模板產(chǎn)生通過模板產(chǎn)生限域空間限域空間從而從而獲得所需形狀獲得所

9、需形狀的材料的材料 可大致分為硬可大致分為硬模板和軟模板模板和軟模板水熱法及溶劑熱法水熱法及溶劑熱法 在密閉反應(yīng)器在密閉反應(yīng)器中以水溶液作中以水溶液作反應(yīng)體系，加反應(yīng)體系，加熱高壓從而無熱高壓從而無極合成極合成 溶劑熱法則是溶劑熱法則是以有機(jī)溶劑代以有機(jī)溶劑代替水替水電旋涂法電旋涂法 將兩種不混溶將兩種不混溶液體分置共軸液體分置共軸毛細(xì)噴頭內(nèi)外毛細(xì)噴頭內(nèi)外層噴出液體，層噴出液體，通過通過溶膠溶膠- -凝膠凝膠獲得納米線獲得納米線 用于制備大量用于制備大量納米管納米管n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體 1. 1.半導(dǎo)體及其帶隙半導(dǎo)體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的

10、特點 3. 3.具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料n準(zhǔn)一維納米材料的合成準(zhǔn)一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 氣相合成法的特點氣相合成法的特點優(yōu)勢：可生長幾乎任何無機(jī)材料的準(zhǔn)一維納優(yōu)勢：可生長幾乎任何無機(jī)材料的準(zhǔn)一維納米材料米材料/ /結(jié)構(gòu)，操作簡單易行結(jié)構(gòu)，操作簡單易行不足：一般需要較高溫度，難以制造有機(jī)材不足：一般需要較高溫度，難以制造有機(jī)材料、無機(jī)料、無機(jī)- -有機(jī)負(fù)荷材料及金屬離子摻雜體系有機(jī)負(fù)荷材料及金屬離子摻

11、雜體系 氣相法主要有兩種機(jī)制氣相法主要有兩種機(jī)制VLSVLS及及VS VLS( (Vapor-Liquid-Solid) )汽液固機(jī)制（有催化汽液固機(jī)制（有催化劑）劑） VLS法是制備無機(jī)材料的納米線最廣泛的方法是制備無機(jī)材料的納米線最廣泛的方法，可用來制備的納米線體系包括元素半導(dǎo)法，可用來制備的納米線體系包括元素半導(dǎo)體體( (Si，Ge），），III-V族半導(dǎo)體族半導(dǎo)體( (GaN，GaAs，GaP，InP，InAs) )，IIVI族半導(dǎo)體族半導(dǎo)體( (ZnS，ZnSe，CdS，CdSe），以及氧化物），以及氧化物( (ZnO，Ga2O3，SiO2) )等。等。 生長過程生長過程1 1：催化

12、劑與氣相反應(yīng)物碰撞、聚：催化劑與氣相反應(yīng)物碰撞、聚集形成合金液滴；集形成合金液滴；2 2：過飽和后開始成核；：過飽和后開始成核；3 3：欠飽和的液滴繼續(xù)吸收氣相并成核，在液：欠飽和的液滴繼續(xù)吸收氣相并成核，在液滴約束下成長為一維結(jié)構(gòu)的納米線滴約束下成長為一維結(jié)構(gòu)的納米線 VLS機(jī)制的主要特點為催化劑，在合成的納機(jī)制的主要特點為催化劑，在合成的納米結(jié)構(gòu)頂端會有催化劑納米顆粒的形成。常米結(jié)構(gòu)頂端會有催化劑納米顆粒的形成。常以此區(qū)別以此區(qū)別VLS和和VS機(jī)制機(jī)制Au-Ge VLS機(jī)制中，常采用激光燒蝕法、熱蒸發(fā)法機(jī)制中，常采用激光燒蝕法、熱蒸發(fā)法以及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法以及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法

13、激光燒蝕法（激光燒蝕法（laser ablation）是利用激光在）是利用激光在特定氣氛下轟擊靶材，將催化金屬和目標(biāo)材特定氣氛下轟擊靶材，將催化金屬和目標(biāo)材料的原材料一同用激光蒸發(fā)，同時結(jié)合一定料的原材料一同用激光蒸發(fā)，同時結(jié)合一定氣體，在襯底或反應(yīng)腔壁上沉積納米材料氣體，在襯底或反應(yīng)腔壁上沉積納米材料 熱蒸發(fā)法（熱蒸發(fā)法（thermal evaporation）：將一種）：將一種或幾種反應(yīng)物，在高溫區(qū)通過加熱形成蒸汽或幾種反應(yīng)物，在高溫區(qū)通過加熱形成蒸汽，然后用惰性氣體運送到反應(yīng)器低溫區(qū)，從，然后用惰性氣體運送到反應(yīng)器低溫區(qū)，從而生長準(zhǔn)一維納米材料而生長準(zhǔn)一維納米材料 物質(zhì)的物理蒸發(fā)和再沉積

14、物質(zhì)的物理蒸發(fā)和再沉積 物理過程物理過程固體粉固體粉末物理末物理蒸發(fā)蒸發(fā) 形成蒸汽后發(fā)生化學(xué)變化，形成蒸汽后發(fā)生化學(xué)變化，所得材料與前驅(qū)體反應(yīng)物所得材料與前驅(qū)體反應(yīng)物化學(xué)組成不同化學(xué)組成不同 化學(xué)過程化學(xué)過程化學(xué)氣化學(xué)氣相沉積相沉積 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀法（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）：利用金屬有機(jī)）：利用金屬有機(jī)物分解溫度較低的特點，在較低溫度下產(chǎn)生物分解溫度較低的特點，在較低溫度下產(chǎn)生足夠蒸汽壓形成氣相反應(yīng)物足夠蒸汽壓形成氣相反應(yīng)物 存在缺陷：存在缺陷：1. 1.不是所有半導(dǎo)體化合物都可找到合適的有不是所有半導(dǎo)體化

15、合物都可找到合適的有機(jī)金屬前驅(qū)體，普適性較差；機(jī)金屬前驅(qū)體，普適性較差；2. 2.前驅(qū)體合成困難、昂貴，不利于大規(guī)模制前驅(qū)體合成困難、昂貴，不利于大規(guī)模制備；備；3. 3.常伴隨有毒氣體，需配備相應(yīng)吸收裝置常伴隨有毒氣體，需配備相應(yīng)吸收裝置 VS機(jī)制機(jī)制（Vapor-Solid）則是在無催化劑的條）則是在無催化劑的條件下、不經(jīng)過合金液滴成核的過程，直接利件下、不經(jīng)過合金液滴成核的過程，直接利用端部的螺旋位錯不斷單向生長直至形成（用端部的螺旋位錯不斷單向生長直至形成（準(zhǔn)）納米線的另一種氣相沉積機(jī)制。這種機(jī)準(zhǔn)）納米線的另一種氣相沉積機(jī)制。這種機(jī)制的顯著特點為有螺旋位錯貫穿整個納米線制的顯著特點為有

16、螺旋位錯貫穿整個納米線的生長的生長 VLS和和VS作為兩種氣相合成的機(jī)制，各有其作為兩種氣相合成的機(jī)制，各有其特點，總體來說特點，總體來說VLS機(jī)制的應(yīng)用更加廣泛。機(jī)制的應(yīng)用更加廣泛。二者的相同點和差異比較詳見翟老師的博士二者的相同點和差異比較詳見翟老師的博士論文前言論文前言n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體 1. 1.半導(dǎo)體及其帶隙半導(dǎo)體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料n準(zhǔn)一維納米材料的合成準(zhǔn)一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器

17、1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 一直以來一直以來, , 高靈敏紫外探測多采用對紫外敏高靈敏紫外探測多采用對紫外敏感的光電倍增管和類似的真空器件。紫外增感的光電倍增管和類似的真空器件。紫外增強(qiáng)型硅光電二極管是固體探測器的代表。二強(qiáng)型硅光電二極管是固體探測器的代表。二者技術(shù)雖然日益成熟，但均存在無法回避的者技術(shù)雖然日益成熟，但均存在無法回避的缺陷缺陷隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，采用寬禁隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，采用寬禁帶半導(dǎo)體的紫外探測器成為研究的熱點帶半導(dǎo)體的紫外探測器成為研究的熱點探測器類型探測器類型缺陷缺陷光電倍增管等真空器件光電倍增管等真空

18、器件體積大、工作電壓高體積大、工作電壓高固體探測器固體探測器響應(yīng)可見光，需附帶濾光片響應(yīng)可見光，需附帶濾光片傳統(tǒng)探測器的缺陷傳統(tǒng)探測器的缺陷 寬禁帶半導(dǎo)體紫外光探測器具有抗干擾能力寬禁帶半導(dǎo)體紫外光探測器具有抗干擾能力強(qiáng)和適用于惡劣環(huán)境強(qiáng)和適用于惡劣環(huán)境 ( ( 如高溫環(huán)境如高溫環(huán)境) ) 等優(yōu)良特等優(yōu)良特性性 , , 在科研在科研 、 軍事軍事 、 航天航天 、 環(huán)保環(huán)保 、 防火防火和許多工業(yè)控制領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值和許多工業(yè)控制領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值戰(zhàn)術(shù)場景不同波段的戰(zhàn)術(shù)圖像戰(zhàn)術(shù)場景不同波段的戰(zhàn)術(shù)圖像 在發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體在發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體UV detector的同時，老的同時，老一代探測器

19、依然存在。一代探測器依然存在。 總體來看，目前總體來看，目前 用于制作紫外光探測器的材用于制作紫外光探測器的材料主要有料主要有 Si, , SiC, , GaN, , ZnO以及金剛石等以及金剛石等 除此之外，其他一些寬禁帶半導(dǎo)體材料諸如除此之外，其他一些寬禁帶半導(dǎo)體材料諸如TiO2、-Ga2O3也開始被用來研發(fā)新型紫外探也開始被用來研發(fā)新型紫外探測器測器n紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體 1. 1.半導(dǎo)體及其帶隙半導(dǎo)體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料n準(zhǔn)一維納米材料的合成準(zhǔn)一維納米材料的合成 1. 1

20、.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 GaN基紫外探測器基紫外探測器 氮化鎵基氮化鎵基(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 族元素鋁、鎵、銦和族元素鋁、鎵、銦和V族元素氮形成的族元素氮形成的化合物化合物(GaN、AlN、InN) 以及由它們組成的以及由它們組成的多元合金多元合金(InGaN、AlGaN等等) 鋁鎵氮材料（纖鋅礦結(jié)構(gòu)）禁帶寬度可從鋁鎵氮材料（纖鋅礦結(jié)構(gòu)）禁帶寬度可從3.4 eV（ GaN ）連續(xù)變化到）連續(xù)變化

21、到6.2 eV（ AlN ），對），對應(yīng)探測器的截止波長應(yīng)探測器的截止波長365 nm200 nm 上世紀(jì)上世紀(jì)80年代中期之前，年代中期之前，GaN材料的應(yīng)用很材料的應(yīng)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.體材料合成及其困難；體材料合成及其困難；2. 2.晶格失配問題（沒有與晶格匹配的合適外晶格失配問題（沒有與晶格匹配的合適外延襯底）延襯底）3. 3.P型摻雜的困難：型摻雜的困難：GaN中摻雜中摻雜Mg易被氫原子易被氫原子鈍化，失去受主性質(zhì)鈍化，失去受主性質(zhì) 突破性進(jìn)展：突破性進(jìn)展： 1986年日本的年日本的Amano和和1991年的年的Nakamura研研究發(fā)現(xiàn)

22、究發(fā)現(xiàn), , 在在低溫生長的緩沖層上低溫生長的緩沖層上可獲得高質(zhì)可獲得高質(zhì)量量GaN外延薄膜外延薄膜 另有實驗發(fā)現(xiàn)另有實驗發(fā)現(xiàn), , 低能電子輻照或氮氣中中溫低能電子輻照或氮氣中中溫退火可以破壞退火可以破壞Mg-H絡(luò)合體絡(luò)合體, , 從而激活受主從而激活受主, , 實實現(xiàn)高濃度摻雜現(xiàn)高濃度摻雜 目前在藍(lán)寶石襯底上生長目前在藍(lán)寶石襯底上生長GaN外延薄膜幾乎外延薄膜幾乎都采用了先低溫生長緩沖層、再高溫生長外都采用了先低溫生長緩沖層、再高溫生長外延膜的兩步工藝延膜的兩步工藝 低溫緩沖層的作用：低溫緩沖層的作用：解決晶格失配問題解決晶格失配問題, , 為為外延生長提供了成核中心和應(yīng)力釋放中心外延生長

23、提供了成核中心和應(yīng)力釋放中心 Alx Ga1- x N 材料的優(yōu)點材料的優(yōu)點: : 隨隨Al 組分變化組分變化, , 帶隙帶隙從從365nm ( ( x = 0) ) 到到200nm( ( x = 1) ) 可調(diào)可調(diào), , 覆蓋覆蓋了地球上大氣臭氧層吸收的主要窗口了地球上大氣臭氧層吸收的主要窗口240 290nm, , 不需要濾光系統(tǒng)就能制作成日盲紫外不需要濾光系統(tǒng)就能制作成日盲紫外探測器探測器. .在苛刻的物理和化學(xué)環(huán)境中具有很高在苛刻的物理和化學(xué)環(huán)境中具有很高的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性, , 具有耐高溫抗輻射的特性具有耐高溫抗輻射的特性. . 肖特基結(jié)構(gòu)、肖特基結(jié)構(gòu)、MSM探測器示意圖探測器示意圖

24、一種一種Alx Ga1- x N ( (Al0.25 Ga0.75 N ) )紫外探測器的紫外探測器的響應(yīng)光譜響應(yīng)光譜 1998 年，美國年，美國NASA GoddardSpace Flight Center 首次報道了首次報道了256256 GaN 光電導(dǎo)型紫光電導(dǎo)型紫外外焦平面陣列焦平面陣列。1999 年，美國北卡羅來那大年，美國北卡羅來那大學(xué)、學(xué)、Honeywell 技術(shù)中心和美國夜視實驗室技術(shù)中心和美國夜視實驗室合作成功實現(xiàn)了基合作成功實現(xiàn)了基GaN/AlGaN p-i-n 型背照射型背照射3232 陣列焦平面探測器的數(shù)字照相機(jī)，陣列焦平面探測器的數(shù)字照相機(jī)， 響應(yīng)波段為響應(yīng)波段為32

25、0365 nm 2005 年，美國西北大學(xué)報道了日盲型年，美國西北大學(xué)報道了日盲型320256 AlGaN p-i-n型紫外焦平面探測器，型紫外焦平面探測器， 給出了清晰的圖像。給出了清晰的圖像。2006 年，在年，在NASA的支的支持下，持下，BAE、EMCORE、Boston大學(xué)、大學(xué)、Texas 大學(xué)和大學(xué)和Cree共同研制了波長在共同研制了波長在260280nm的的256256 AlGaN p-i-n型紫外焦平面探測器型紫外焦平面探測器 在國內(nèi)，從事對在國內(nèi)，從事對GaN基基UV detector研究的單研究的單外主要有中科院半導(dǎo)體研究所、中科院上海外主要有中科院半導(dǎo)體研究所、中科院上

26、海技術(shù)物理研究所以及中國電子科技集團(tuán)公司技術(shù)物理研究所以及中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所等。研究重點是第四十四研究所等。研究重點是PIN 型型 GaN 與與 AlGaN 外延材料的生長及探測器制作工藝外延材料的生長及探測器制作工藝等等 從已公開的報道看上海技術(shù)物理研究所已研從已公開的報道看上海技術(shù)物理研究所已研制了制了 GaN基基3232紫外焦平面探測器，但其紫外焦平面探測器，但其性能離實際使用要求還有較大差距。性能離實際使用要求還有較大差距。2007年年該所研制出日盲型該所研制出日盲型AlGaN 128128陣列探測陣列探測芯片，響應(yīng)波長在芯片，響應(yīng)波長在255nm，非均勻性為，非均勻性

27、為 25，盲元率在，盲元率在 5左右，器件尺寸左右，器件尺寸5050mm2讀出電路還在研制中。這是目前國內(nèi)已公開讀出電路還在研制中。這是目前國內(nèi)已公開報道的最大尺寸的響應(yīng)波長最短的日盲型報道的最大尺寸的響應(yīng)波長最短的日盲型 AlGaN基陣列紫外探測器。與國外相比，國基陣列紫外探測器。與國外相比，國內(nèi)研制的紫外探測器件內(nèi)研制的紫外探測器件陣列規(guī)模較小，性能陣列規(guī)模較小，性能指標(biāo)有一定差距，無實用化產(chǎn)品指標(biāo)有一定差距，無實用化產(chǎn)品 吉林大學(xué)的吉林大學(xué)的Hailin Xue等人在肖特基接觸的基等人在肖特基接觸的基礎(chǔ)上構(gòu)建了礎(chǔ)上構(gòu)建了MSM型型TiO2紫外探測器紫外探測器 文獻(xiàn)中提到：文獻(xiàn)中提到：因為

28、因為TiO2 優(yōu)異的物化性質(zhì)，優(yōu)異的物化性質(zhì)，通常被運用于光催化和光電池的研究中，而通常被運用于光催化和光電池的研究中，而在紫外光探測上的科研則很少在紫外光探測上的科研則很少本文將采用本文將采用納晶納晶TiO2薄膜與薄膜與Au電極構(gòu)筑電極構(gòu)筑MSM型型UV Detector Au電極采用電極采用rf magnetron sputtering（射頻磁（射頻磁控濺射）制得，層厚為控濺射）制得，層厚為260 nm，叉指電極采，叉指電極采用光刻技術(shù)制得（未給圖），指間距為用光刻技術(shù)制得（未給圖），指間距為20m，總有效面積為，總有效面積為0.38 mm2 TiO2薄膜通過薄膜通過sol-gel法制得，

29、原料為法制得，原料為Ti(OC4H9)4，制備過程略，制備過程略5V偏壓下，暗電流偏壓下，暗電流1.9 nA；250 nm紫外紫外輻照下光電流輻照下光電流2.77 A 光譜響應(yīng)測試結(jié)果如下圖所示，在光譜響應(yīng)測試結(jié)果如下圖所示，在260 nm處處的響應(yīng)度最大能達(dá)到的響應(yīng)度最大能達(dá)到199 A/W，作者認(rèn)為高，作者認(rèn)為高響應(yīng)的原因：紫外光下肖特基勢壘降。更多響應(yīng)的原因：紫外光下肖特基勢壘降。更多的載流子穿過勢壘，使電流加強(qiáng)的載流子穿過勢壘，使電流加強(qiáng) 然而該探測器的響應(yīng)時間則很長，然而該探測器的響應(yīng)時間則很長，5V偏壓下偏壓下檢測如下，響應(yīng)和回落時間分別為檢測如下，響應(yīng)和回落時間分別為6s和和15

30、s 作者分析響應(yīng)慢的原因為廣泛分布于納晶的作者分析響應(yīng)慢的原因為廣泛分布于納晶的缺陷。而這些缺陷會構(gòu)成復(fù)合中心，從而抑缺陷。而這些缺陷會構(gòu)成復(fù)合中心，從而抑制響應(yīng)電流的產(chǎn)生制響應(yīng)電流的產(chǎn)生 展望：如果晶體生長的更好，指間距更短，展望：如果晶體生長的更好，指間距更短，響應(yīng)將會變得迅速響應(yīng)將會變得迅速 ZnO薄膜探測器薄膜探測器 ZnO屬屬-族寬禁帶直接帶隙化合物半導(dǎo)體族寬禁帶直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，熔點材料，熔點1975，室溫下，室溫下Eg=3.37eV，激子，激子束縛能為束縛能為60meV，遠(yuǎn)大于室溫離解能，遠(yuǎn)大于室溫離解能ZnO的三種結(jié)構(gòu)示意圖：的三種結(jié)構(gòu)示意圖：a巖鹽，巖鹽，b閃鋅礦，閃

31、鋅礦，c纖鋅礦纖鋅礦 寬禁帶的寬禁帶的ZnO對紫外光波段高度敏感，其熱對紫外光波段高度敏感，其熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性好，能勝任高溫和腐蝕穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性好，能勝任高溫和腐蝕性環(huán)境性環(huán)境 較較GaN紫外探測器紫外探測器，ZnO不需要昂貴的外延不需要昂貴的外延生長方法，易于找到匹配的襯底材料，成膜生長方法，易于找到匹配的襯底材料，成膜性強(qiáng)且薄膜的外延生長溫度低，具有激子復(fù)性強(qiáng)且薄膜的外延生長溫度低，具有激子復(fù)合能量高、電子誘生缺陷較低、閾值電壓低合能量高、電子誘生缺陷較低、閾值電壓低等優(yōu)點，有利于制作高性能的紫外光電探測等優(yōu)點，有利于制作高性能的紫外光電探測器器 ZnO薄膜的制備：薄膜的制備：1.

32、濺射法（濺射法（Sputtering）2.脈沖激光沉積（脈沖激光沉積（PLD）3.金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）4.分子束外延（分子束外延（MBE）5.噴射熱分解技術(shù)（噴射熱分解技術(shù)（Spray Pyrolysis）6.溶膠溶膠-凝膠法（凝膠法（Sol-gel） 浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室以浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室以Si(Si(111) )襯襯底，用脈沖激光沉積制得底，用脈沖激光沉積制得C軸高度擇優(yōu)取向軸高度擇優(yōu)取向的的ZnO薄膜，并利用剝離技術(shù)制備了薄膜，并利用剝離技術(shù)制備了Al-ZnO-Al光導(dǎo)型紫外探測器。光導(dǎo)型紫外探測器。Al叉指狀電極叉指狀電極(

33、(下圖下圖) )是是由平面磁控濺射技術(shù)沉積得到的由平面磁控濺射技術(shù)沉積得到的 由下圖所示合金化后由下圖所示合金化后AI/ ZnO/ A紫外探測器紫外探測器I-V特性可知，特性可知，Al、ZnO間能形成良好的歐姆接間能形成良好的歐姆接觸，而電阻值隨退火溫度升高先下降后上升觸，而電阻值隨退火溫度升高先下降后上升 下降是由于歐姆接觸電阻下降，之后上升是下降是由于歐姆接觸電阻下降，之后上升是因為隨溫度升高因為隨溫度升高AI/ ZnO間形成氧化鋁絕緣層間形成氧化鋁絕緣層 下圖給出了下圖給出了AI/ ZnO/ AI 光導(dǎo)型探測器的光響光導(dǎo)型探測器的光響應(yīng)曲線，合金化溫度為應(yīng)曲線，合金化溫度為590。 在在

34、340nm370nm的紫外區(qū)域，的紫外區(qū)域，ZnO薄膜光響應(yīng)薄膜光響應(yīng)曲線比較平坦，響應(yīng)度很低在曲線比較平坦，響應(yīng)度很低在0.5A/ W左右左右，原因：，原因：PLD法對薄膜損傷大，內(nèi)部缺陷大法對薄膜損傷大，內(nèi)部缺陷大，且表面有沾污，且表面有沾污 廈門大學(xué)吳孫桃小組則采用射頻磁控濺射法廈門大學(xué)吳孫桃小組則采用射頻磁控濺射法在在SiO2/n-Si襯底上制備襯底上制備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叉指結(jié)構(gòu)叉指結(jié)構(gòu)MSM探測器探測器 在在34.49出現(xiàn)強(qiáng)的（出現(xiàn)強(qiáng)的（002）峰，表明）峰，表明ZnO有有良好的良好的c軸擇優(yōu)取向軸擇優(yōu)取向 該課題組對制得的該課

35、題組對制得的ZnO薄膜進(jìn)行透射，得到薄膜進(jìn)行透射，得到如下譜圖，可見在可見光下有很高的透射率如下譜圖，可見在可見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邊，波長小于收邊，波長小于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探測器分別在光照和無光照下探測器分別在光照和無光照下的的I-V特性，可看出特性，可看出Ag與與ZnO形成良好肖特基形成良好肖特基接觸。接觸。5V偏壓下器件漏電流和光電流分別為偏壓下器件漏電流和光電流分別為33nA和和1.7A。說明。說明Ag-ZnO-Ag結(jié)構(gòu)能比結(jié)構(gòu)能比Al-ZnO-Al結(jié)構(gòu)更好抑制漏電

36、流結(jié)構(gòu)更好抑制漏電流 Ag-ZnO-Ag探測器的光譜響應(yīng)曲線如下所示探測器的光譜響應(yīng)曲線如下所示。響應(yīng)峰值在。響應(yīng)峰值在365nm左右，與左右，與ZnO禁帶寬度禁帶寬度基本吻合基本吻合 Changchun Institute of Optics則開展了則開展了Au-ZnO-Au結(jié)構(gòu)紫外探測器的研究工作，制備結(jié)構(gòu)紫外探測器的研究工作，制備ZnO薄膜采取射頻磁控濺射法薄膜采取射頻磁控濺射法IVcharacteristics of ZnO MSM structure with interdigitedconfiguration measured in dark and 365 nm illumina

37、tion 左圖可看到，左圖可看到，3V偏壓下響應(yīng)峰值在偏壓下響應(yīng)峰值在360nm附附近；而從右圖可知，近；而從右圖可知，20ns開始快速響應(yīng)，開始快速響應(yīng)，250ns時響應(yīng)趨于完全（時響應(yīng)趨于完全（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薄膜并以此構(gòu)薄膜并以此構(gòu)建了建了Al-ZnO-Al結(jié)構(gòu)紫外探測器。左圖為結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)紫外探測器。左圖為結(jié)構(gòu)示意圖：黑色部分為叉指電極，白色為示意圖：黑色部分為叉指電極，白色為ZnO。右圖為叉指電極的顯微照片。右圖為叉指

38、電極的顯微照片 左圖為透射率，在左圖為透射率，在375nm附近出現(xiàn)陡峭的吸附近出現(xiàn)陡峭的吸收邊，說明該探測器對收邊，說明該探測器對375nm以內(nèi)的紫外線以內(nèi)的紫外線吸收良好。右圖為無光照和吸收良好。右圖為無光照和365nm光照下的光照下的I-V特性，特性，5V偏壓下光電流偏壓下光電流882A，遠(yuǎn)高于無，遠(yuǎn)高于無光照的光照的38A 而探測器的功率為而探測器的功率為50W，故可得出在，故可得出在5V偏偏壓下，該壓下，該ZnO薄膜紫外探測器的響應(yīng)度為薄膜紫外探測器的響應(yīng)度為18A/W The detector shows fast photoresponse with a rise time of

39、100 ns and fall time of 1.5msn紫外敏感材料紫外敏感材料寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體 1. 1.半導(dǎo)體及其帶隙半導(dǎo)體及其帶隙 2. 2.寬禁帶材料的特點寬禁帶材料的特點 3. 3.具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料具有寬禁帶的半導(dǎo)體材料n準(zhǔn)一維納米材料的合成準(zhǔn)一維納米材料的合成 1. 1.合成方法總述合成方法總述 2. 2.氣相合成氣相合成n紫外光探測器紫外光探測器 1. 1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 2. 2.薄膜探測器薄膜探測器 3. 3.納米探測器納米探測器 這里的納米探測器特指以準(zhǔn)一維納米線材料這里的納米探測器特指以準(zhǔn)一維納米線材料制作的探測器。多根準(zhǔn)一維納米線交叉堆放制作的探測器

40、。多根準(zhǔn)一維納米線交叉堆放在一起，置放于電極之間，構(gòu)成了探測器的在一起，置放于電極之間，構(gòu)成了探測器的主要部分主要部分 納米線由于其制作簡單，比表面積高，以及納米線由于其制作簡單，比表面積高，以及兩個維度上的載波限制等特點，能給探測器兩個維度上的載波限制等特點，能給探測器性能帶來很大提高；當(dāng)然，如何將大量的納性能帶來很大提高；當(dāng)然，如何將大量的納米線集成進(jìn)器件仍然是一個較大的問題米線集成進(jìn)器件仍然是一個較大的問題ElectrodeNW Xiaosheng Fang等人采用單晶等人采用單晶ZnS納米帶制作納米帶制作紫外光探測器，制作途徑為紫外光探測器，制作途徑為CVD，制得的，制得的ZnS納米帶

41、呈現(xiàn)多分叉的結(jié)構(gòu)納米帶呈現(xiàn)多分叉的結(jié)構(gòu) 文中提到：文中提到：相比間接禁帶（相比間接禁帶（5.5 eV）的金）的金剛石和直接禁帶（剛石和直接禁帶（3.4 eV）的）的ZnO， ZnS（3.723.77 eV）更適合制作紫外光的探測）更適合制作紫外光的探測器器 納米帶長可達(dá)納米帶長可達(dá)1mm，寬度取值，寬度取值在在200nm1m之之間，間，a中小圖顯示中小圖顯示出出ZnS納米帶長在納米帶長在襯有襯有Au的的Si基上基上 另有另有XRD衍射峰顯衍射峰顯示出該材料為六方示出該材料為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu) a探測器的光學(xué)顯微照片探測器的光學(xué)顯微照片; b單根納米帶響應(yīng)單根納米帶響應(yīng)UV示意圖示意圖;

42、c（from a）SEM; d I-V curve 優(yōu)秀特性：優(yōu)秀特性：與傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體相比，在相當(dāng)高的溫度下與傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體相比，在相當(dāng)高的溫度下仍有效；仍有效；與可見光相比，對與可見光相比，對320nm處的紫外響應(yīng)高出處的紫外響應(yīng)高出103偏壓偏壓10 V 多重多重ZnS基納米帶基納米帶UV探測器探測器 開關(guān)燈實驗展示了該感應(yīng)器優(yōu)秀的可逆性和開關(guān)燈實驗展示了該感應(yīng)器優(yōu)秀的可逆性和周期性周期性偏壓偏壓20V P. Feng等人采用單斜等人采用單斜相相Ga2O3納米線制作了納米線制作了日盲型的（紫外）光探測器日盲型的（紫外）光探測器 -Ga2O3 （4.2-4.9eV）納米線搭載于兩）納米線搭

43、載于兩Au電電極之間，無光照條件下暗電流為幾極之間，無光照條件下暗電流為幾pA，254nm光照時電流強(qiáng)度提升光照時電流強(qiáng)度提升103 分別采用了分別采用了XRD、SEM、EDX對產(chǎn)物進(jìn)行測試對產(chǎn)物進(jìn)行測試XRDSEMEDX 制作器件的思路：先制作制作器件的思路：先制作Au電極，然后把合電極，然后把合成好的成好的-Ga2O3 灑在電極上即可灑在電極上即可Si基基500 nm SiO250 nm Au a、b分別顯示了無光照及分別顯示了無光照及254 nm紫外照射下的紫外照射下的I-V特性特性 （1 nA=1000 pA） 造成曲線不對稱、非線性造成曲線不對稱、非線性的原因為電極與納米線間的原因為

44、電極與納米線間的歐姆接觸不好的歐姆接觸不好1. -Ga2O3表面自由載流表面自由載流子密度過低子密度過低2.納米線與納米線與Au間晶格失配間晶格失配 實時響應(yīng)（實時響應(yīng)（real-time response）及響應(yīng)時間）及響應(yīng)時間的測試結(jié)果如下圖所示的測試結(jié)果如下圖所示 該文獻(xiàn)指出，采用該文獻(xiàn)指出，采用-Ga2O3納米線制作的光導(dǎo)納米線制作的光導(dǎo)型紫外探測器具有非?？斓捻憫?yīng)和回復(fù)速度型紫外探測器具有非常快的響應(yīng)和回復(fù)速度，相比之下，諸如，相比之下，諸如ZnO、In2O3等納米線探測等納米線探測器則具有過長的響應(yīng)時間（器則具有過長的響應(yīng)時間（10s）和回復(fù)時）和回復(fù)時間（間（200s），因為這些

45、納米線具有過高的載），因為這些納米線具有過高的載流子密度，即使是在無光照的情況下流子密度，即使是在無光照的情況下 因此作者認(rèn)為因此作者認(rèn)為-Ga2O3納米線是非常理想的紫納米線是非常理想的紫外探測材料外探測材料 東京大學(xué)的東京大學(xué)的Ichiro Yamada等人制作出超長（等人制作出超長（大約大約100m）ZnO納米線并用以制作橋接電納米線并用以制作橋接電極式紫外探測器。該探測器響應(yīng)速率快，響極式紫外探測器。該探測器響應(yīng)速率快，響應(yīng)度高，且單一好，對可見光無響應(yīng)，為高應(yīng)度高，且單一好，對可見光無響應(yīng)，為高性能的日盲型紫外探測器性能的日盲型紫外探測器 制作過程中，為了避免取制作過程中，為了避免取-用過程（用過程（pick and place）的分離，以及使電極）的分離，