[发明专利]一种ZnO基p‑i‑n结构紫外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于极化诱导空穴法的ZnO基p-i-n结构紫外探测器及其制备方法。

背景技术

由于在民用上和军事上的巨大应用潜力，紫外探测器一直以来都受到了很广泛的关注。在民用领域，紫外探测器可用于海洋石油勘探、环境紫外线监测和森林火灾预警等方面；在军事应用上，紫外探测器可应用于导弹羽烟追踪、空间卫星通讯等方面。目前商业上成熟应用的紫外探测器有光电倍增管、Si探测器和宽禁带半导体GaN基探测器。对于光电倍增管，其正常工作需要外加高电压，因此增加了探测器的体积，不方便携带；对于Si探测器，由于Si的带隙约为1.12 eV（~1100 nm），因此需要外加昂贵的滤光片，增加了探测器的成本；对于宽禁带半导体GaN基紫外探测器，虽然具有方便携带的优点，但是由于GaN薄膜的生长温度高（通常在1000℃以上），需要高要求的生长设备，而且所生长的薄膜中位错等缺陷密度较高，因此也不利于高质量紫外探测器的实际应用。ZnO是另一种可以跟GaN媲美的宽禁带半导体，其禁带宽度接近，但ZnO的生长温度较低（通常在500℃左右即可），而且原材料价格便宜，制备的设备要求没有GaN材料严格，而且所制备器件的空间抗辐射性更强。

一般情况下光电探测器可分为：光电导型、肖特基势垒型、雪崩型、PN结型和PIN结型。在这些光电探测器中，光电导型探测器虽然因为有源区中少数载流子陷阱效应而具有很高的光电流增益，但是却牺牲了器件的响应速度；肖特基势垒型探测器虽然具有响应速度快的优点，但是金属的接触势垒较低，暗电流较大，而且重复高效稳定肖特基接触的制备也是一个需要解决的难题；雪崩型探测器利用载流子的碰撞离化雪崩效应产生了极大的增益，但需要在较高的反向偏压下工作；相比之下，p-n结和p-i-n结型探测器则兼具有更高的响应速度，暗电流更低（因为更高的势垒），易于耦合焦平面阵列（FPA）读出电路，可在很低的偏压甚至零偏压下（光伏模式）工作等优点，而且p-i-n结型探测器还可通过调整i型层的厚度来调整器件的量子效率跟工作速度。

本发明提出一种基于极化诱导空穴法的ZnO基p-i-n结构紫外探测器。针对p型ZnO，由于：1，受主能级较深；2，具有强自补偿效应；3，受主元素不稳定等问题而较难得到高效空穴浓度的难题。我们提出了制备Mg组份梯度线性渐变的MgZnO合金（O极性），利用梯度应变产生的极化场诱导离化空穴，产生高浓度的三维空穴气体，解决目前ZnO所遇到的p型困难的问题。具体的物理原理示意图如附图2所示，由于ZnO是一种极性半导体，平衡晶格偏离理想的六方纤锌矿结构，因此自发极化和应变极化效应都很强。在MgZnO/ZnO突变的界面，由于两层之间的应力水平不一样，压电极化场的强度也不一样，在界面的地方将产生束缚表电荷。根据高斯定理，如果ZnO和MgZnO是O极性的，界面处的表电荷为带正电的空穴。因此我们通过控制MgZnO中Mg组份梯度线性渐变，产生梯度线性渐变的应变极化场，利用极化场离化受主，在每一层原胞界面都产生空穴，从而形成三维空穴气体，大大提升p型层的空穴浓度，解决了目前ZnO所遇到p型掺杂困难的问题。根据我们的调研，目前关于利用极化诱导空穴方法制备ZnO基p-i-n结构的紫外探测器尚未见到相关的专利和文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于极化诱导空穴法的ZnO基p-i-n结构紫外探测器及其制备方法，以获得在波长范围短于380 nm（ZnO的本征吸收波长）内具有高响应度、快速响应速度以及便于集成的紫外光电探测器。

本发明提出的ZnO基p-i-n结构紫外探测器，包括：衬底1，衬底上生长的缓冲层2，缓冲层上生长的n型ZnO层3，i型ZnO层4，p型MgZnO层5，以及n、p型层上的金属接触电极6；其中，

n型ZnO层的厚度为50 nm~5 μm，i型ZnO层的厚度为10 nm~500 nm，p型MgZnO层的厚度为10 nm~500 nm；在n型ZnO和p型MgZnO层上面的为金属接触电极6；其中，p型MgZnO层5为Mg组份梯度线性渐变的O极性MgZnO合金，利用梯度应变产生的极化场诱导离化空穴，产生高浓度的三维空穴气体。

本发明中，所述的衬底1可为蓝宝石Al₂O₃、单晶硅Si、单晶氮化镓GaN、单晶砷化镓GaAs和单晶氧化镁MgO等。

本发明中，所述的缓冲层2可以是Mg、MgO、ZnO、BeO、BeZnO和MgZnO中的一种或多种组合材料组成。