異相結(jié)紫外/深紫外探測器件及制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體光電器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有內(nèi)建電場的T12異相結(jié)紫外/深紫外探測器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測技術(shù)作為探測傳感技術(shù)的一個重要分支，無論在軍用還是在民用上都有重要的應用價值，所以引起人們的極大關(guān)注。隨著材料制備技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來基于寬禁帶半導體，如GaN，ZnO, SiC等，研制的紫外探測器也取得了很大進展。然而這些探測器大多需要外加偏壓來促進光生載流子的分離，抑制電子和空穴的復合。因而研制開發(fā)可以在極小外加偏壓甚至零偏壓下工作的紫外探測器成為新的研究熱點。
[0003]1102作為一種寬禁帶(3.0?3.2eV)半導體材料，由于具有優(yōu)異的物理化學特性和獨特的光電特性，在紫外探測器的應用中也備受關(guān)注。然而由于器件中材料形貌和界面接觸問題，導致光響應弱和響應時間長，制約了其在紫外探測領(lǐng)域的應用。
[0004]Xiangzi Kong等制備的N1-T12-Ni紫外探測器需要5V的外加偏壓，上升和下降時間分別需要 13.34ms 和 11.43s (Kong X.；Liu C.；Dong ff.；Zhang X.；Tao C.；Shen L.；Zhou J.；Fei Y.；Ruan S.Applied Physics Letters, 2009, 94, 123502.)0
[0005]YanruXie等制備的T12固一液異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動紫外探測器在OV外加偏壓下測到 5 μ A 的光響應，而上升時間達到 150ms (Xie, Y.；ffei, L.；ffei, G.；Li, Q.；ffang, D.；Chen, Y.；Yan, S.；Liu, G.；Jiao, L.M.a.J.Nanoscale Research Letter, 2013，8，6.)。
[0006]Shengnan Lu等制備的ZnO/Au界面壓電自驅(qū)動紫外探測器靈敏度與其他ZnO基探測器相比提高了 5倍，但單根納米線器件所能測得光電流僅為nA級(Lu，S.;Qi，J.;Liu, S.；Zhang, Z.；ffang, Z.；Lin, P.；Liao, Q.；Liang, Q.；Zhang, Y.ACS Applied Materials&Interfaces, 2014, 6, 14116.)。
[0007]從目前的研究中來看，有效控制紫外探測器的界面載流子分離成為主要限制因素。分別以二氧化鈦和紫外探測器為關(guān)鍵詞進行專利或文章檢索，檢索結(jié)果顯示打02基的紫外探測器主要有兩種:(I)采用單一相的T12薄膜；(2)1102與貴金屬摻雜的T12形成的異質(zhì)結(jié)薄膜，或者打02與其他半導體形成異質(zhì)結(jié)薄膜(公開號CN103268897A，CN103887361A, CN103219418A等)。還未見采用1102金紅石相和銳鈦礦相形成的異相結(jié)薄膜用作紫外探測的報導。
[0008]本發(fā)明首次利用1102異相結(jié)作為光生載流子分離的驅(qū)動力構(gòu)建自驅(qū)動的紫外探測器。T12的寬禁帶限制了其對可見光的吸收，實現(xiàn)了對紫外/深紫外光的響應，而T12銳鈦礦相和打02金紅石相能帶的差異使界面處形成內(nèi)建電場，驅(qū)動電子和空穴分別向兩相迀移，抑制了載流子在界面處的復合。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種具有內(nèi)建電場的T12異相結(jié)紫外/深紫外探測器及其制備方法，探測器具有的異相結(jié)結(jié)構(gòu)很好的改善了器件的光響應特性。
[0010]本發(fā)明所述的紫外探測器，其特征在于:自下而上依次由透明導電襯底，T12金紅石相薄膜，T12銳鈦礦相薄膜，導電電極組成。
[0011]本發(fā)明所述的自驅(qū)動1102異相結(jié)紫外探測器的制備方法，具體步驟如下:
[0012]I)透明導電襯底的清洗
[0013]將透明導電襯底依次置于丙酮、異丙醇、乙醇和去離子水中超聲清洗20min，然后置于空氣流下吹干；
[0014]2)水熱法制備T12金紅石相薄膜
[0015]將預先清洗好的透明導電襯底(導電面朝下)置于聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱釜中，加入含有0.1?0.3mL鈦酸四丁酯的HCl和H2O體積比1:1的混合液，在150?200°C恒溫2h,在FTO襯底上生長T12金紅石相納米棒陣列，納米棒長度為I?3 μ m ;
[0016]3) 1102異相結(jié)同軸納米棒陣列的制備
[0017]將步驟⑵所得的T12金紅石相納米棒陣列放入磁控濺射設備，以金屬Ti靶為濺射靶材，設備首先抽真空制10 7Pa,然后在其中通入Ar:O2體積比為85:15的混合氣體，調(diào)控濺射氣壓至I?2Pa，在300?400W的直流模式下濺射I?3h，最后將得到的雙層膜在450°C熱處理2?3h，從而在T12金紅石相納米棒上包覆一層T1 2銳鈦礦相納米顆粒，形成1102異相結(jié)同軸納米棒陣列；
[0018]4)導電電極的制備
[0019]在步驟(3)制備的T12異相結(jié)結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層多孔金屬掩膜，將其放入磁控濺射設備，以ITO陶瓷靶為靶材，設備首先抽真空制10 7Pa,然后在其中通入Ar氣，調(diào)控濺射氣壓至IPa，在100W的射頻模式下濺射I?3h，得到一層ITO導電電極；或者以金屬Al靶為革[I材，在100W的直流模式下派射0.5?lh，得到一層金屬Al導電電極。通過以上步驟最終制得自驅(qū)動T12異相結(jié)紫外探測器。
[0020]本發(fā)明所述的紫外探測器其工作機理:1102異相結(jié)界面處由于金紅石相和銳鈦礦相的價帶和導帶的位置存在能級差，由于電勢差異在界面處形成內(nèi)建電場，驅(qū)動光生電子和空穴分別向兩側(cè)迀移，實現(xiàn)載流子的定向分離；另一方面，同軸異相納米棒結(jié)構(gòu)可以縮短徑向載流子的迀移長度，而單晶納米結(jié)構(gòu)有利于軸向載流子的迀移，減少了晶界處載流子的復合。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明所述器件的單元結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0022]圖2是圖1中單元結(jié)構(gòu)虛線框內(nèi)的右視圖。
[0023]圖3是1102金紅石相納米棒陣列在紫外光照下的光電響應圖。
[0024]圖4是T12混相結(jié)同軸納米棒陣列在紫外光照下的光電響應圖。
[0025]圖5是T12異相結(jié)同軸納米棒陣列在紫外光照下的光電響應圖。
【具體實施方式】
[0026]下面通過實施例對本發(fā)明做進一步的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。大凡依本發(fā)明專利申請范圍所進行的均等變化和改進，均應屬于本發(fā)明專利涵蓋的范圍。
[0027]實施例1
[0028]I)將FTO透明導電襯底依次置于丙酮、異丙醇、乙醇和去離子水中超聲清洗20min，然后置于空氣流下吹干；
[0029]2)將預先清洗好的FTO透明導電襯底(導電面朝下)置于聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱釜中，加入含有0.15mL鈦酸四丁酯的HCl和H2O體積比1:1的混合液，在180°C恒溫2h，在FTO襯底上生長T12納米棒陣列，納米棒長度約為2 μ m ;如圖3所示，XRD結(jié)果顯示合成的納米棒陣列為純相的金紅石相。
[0030]3)將步驟⑵所得的T12金紅石相納米棒陣列結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層多孔金屬掩膜，將其放入磁控濺射設備，以ITO陶瓷靶為靶材，設備首先抽真空制10 7Pa,然后在其中通入Ar氣，調(diào)控濺射氣壓至IPa，在100W的射頻模式下濺射lh，得到一層200nm厚的ITO導電電極。導電電極形狀為直徑為2mm的圓點，相鄰電極圓心間距為4mm ;通過以上步驟最終制得T12金紅石相納米棒陣列紫外探測器(FT0/R/IT0);
[0031]4)在波長為385nm的紫外光照的條件下，對制備的器件在OV的外加偏壓下對其進行測量，光響應電流為1.0 μ A，如圖3所示。
[0032]實施例2
[0033]I)將FTO透明導電襯底依次置于丙酮、異丙醇、乙醇和去離子水中超聲清洗20min，然后置于空氣流下吹干；
[0034]2)將預先清洗好的FTO透明導電襯底(導電面朝下)置于聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱釜中，加入含有0.15mL鈦酸四丁酯的HCl和H2O體積比1:1的混合液，在180°C恒溫2h，在FTO襯底上生長T12金紅石相納米棒陣列，納米棒長度約為2 μ m ;
[0035]3)將步驟⑵所得的T12金紅石相納米棒陣列放入磁控濺射設備，以金屬Ti靶為濺射靶材，設備首先抽真空制10 7Pa,然后在其中通入高純Ar氣，調(diào)控濺射氣壓至IPa，在10ff的直流模式下濺射lh，得到200nm厚的金屬Ti層。最后將得到的雙層膜在450°C熱處理2h。如圖4所示金屬Ti熱處理后轉(zhuǎn)化為銳鈦礦和金紅石的混相，形成T12混相結(jié)同軸納米棒陣列；
[0036]4)在步驟(3)制備的T12混相結(jié)結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層多孔金屬掩膜，將其放入磁控濺射設備，以ITO陶瓷靶為靶材，設備首先抽真空制10 7Pa,然后在其中通入Ar氣，調(diào)控濺射氣壓至IPa，在100W的射頻模式下濺射lh，得到一層200nm厚的ITO導電電極。導電電極形狀為直徑為2mm的圓點，相鄰電極圓心間距為4mm;通過以上步驟最終制得T12混相結(jié)紫外探測器(FT0/R/A(R)/IT0);
[0037]5)在波長為385nm的紫外光照的條件下，對制備的器件在OV的外加偏壓下對其進行測量，光響應電流為2.7 μ A，如圖4所示。
[0038]實施例3
[0039]I)將FTO透明導電襯底依次置于丙酮、異丙醇、乙醇和去離子水中超聲清洗20min，然后置于空氣流下吹干；
[0040]2)將預先清洗好的FTO透明導電襯底(導電面朝下)置于聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱釜中，加入含有0.15mL鈦酸四丁酯的HCl和H2O體積比1:1的混合液，在180°C恒溫2h，在FTO襯底上生長T12納米棒陣列，納米棒長度約為2 μ m ;如圖3所示，XRD結(jié)果顯示合成的納米棒陣列為純相的金紅石相；
[0041]3)將步驟⑵所得的T12金紅石相納米棒陣列放入磁控濺射設備，