一种硅基PiN紫外光电二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅基PiN紫外光电二极管，包括铝电极和镍电极，两电极之间依次附有N型硅衬底、i层氧化镍薄膜和P型氧化镍薄膜。其制备方法是采用磁控溅射设备，利用氧化镍在硅上沉积成膜，形成PiN异质结结构，氧化镍薄膜可作为紫外光吸收层，解决了硅器件的紫外响应问题，制备过程简单易行。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基PiN紫外光电二极管及其制备方法
本专利技术属于可扩展硅光控二极管
，具体涉及一种硅基PiN紫外光电二极管及其制备方法。
技术介绍
硅在近紫外到近红外区有较高的灵敏度，但由于其频带(1.12eV)的限制,只限于在1.1μm波长以下使用，限制在紫外光电领域的发展，与红外、可见光波段探测相比，半导体紫外光电探测器有以下优点：对可见及红外波段是“可见盲”或“日盲”，可以防止太阳光及其它可见光、红外光等自然光源的干扰，结构简单、响应速度快、可靠性高、体积小等。为了使硅基光电器件可受控于紫外光源，在硅衬底上制备NiO薄膜，NiO是直接宽带隙半导体材料，不仅在发光器件应用方面有独特的优势，而且作为探测器可以实现窄的波长响应和较高的光谱响应度。2017年，BhaskarParida,SeongjunKim等在论文《Nanostructured-NiO/Siheterojunctionphotodector》中采用了溶胶凝胶法制备了NiO/Si异质结，结果表明异质结具有良好的整流特性，且具有一定的光响应，但响应速度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种硅基PiN结构紫外光电二极管，解决了硅基光电器件紫外光控问题。本专利技术另一目的是提供该二极管的制备方法。本专利技术所采用的一个技术方案是，一种硅基PiN紫外光电二极管，包括铝电极和镍电极，两电极之间由铝电极向镍电极方向依次附有N型硅衬底、i层氧化镍薄膜和P型氧化镍薄膜。优选地，上述i层氧化镍薄膜厚度为30nm-100nm，P型氧化镍薄膜厚度为30nm-100nm。本专利技术所采用的另一个技术方案是，上述硅基PiN紫外光电二极管的制备方法，包括以下步骤：(1)对N型硅衬底进行RCA清洗；(2)利用磁控溅射设备，在N型硅衬底上沉积出i层氧化镍薄膜；(3)利用磁控溅射设备，在i层氧化镍薄膜上沉积出P型氧化镍薄膜；(4)在P型氧化镍薄膜上沉积镍电极；(5)在硅片背面沉积铝电极；(6)退火，形成欧姆接触。优选地，上述i层氧化镍薄膜的沉积工艺为：沉积过程只通入氩气，沉积时间控制为0.1h-2h，沉积压强控制为1Pa-5Pa，溅射功率控制为80W-160W。溅射时间决定了i层厚度，溅射压强影响镀膜速率，功率影响沉积薄膜的质量，在此范围内，能得到具有较高紫外光响应度的i层氧化镍薄膜。优选地，上述P型氧化镍薄膜的沉积工艺为：沉积过程中同时通入氩气和氧气，二者流量比为1:1，沉积时间控制为0.1h-2h，沉积压强控制为1Pa-5Pa，溅射功率控制为80W-160W。溅射时间决定了p型氧化镍厚度，溅射压强影响镀膜速率，功率影响沉积薄膜的质量，在此范围内，能得到具有较高紫外光响应度的P层氧化镍薄膜。氩气流量和氧气流量比为1:1时，所形成的P型氧化镍薄膜结晶质量最好。优选地，上述退火温度为400℃-600℃，退火时间为60S-500S。本专利技术技术方案的原理是，硅在近紫外到近红外区有较高的灵敏度，但由于其频带(1.12eV)的限制，只限于在1.1μm波长以下使用，限制在紫外光电领域的发展，而NiO薄膜是直接宽带隙半导体材料，不仅在发光器件应用方面有独特的优势，而且作为探测器可以实现窄的波长响应和较高的光谱响应度。利用氧化镍来吸收紫外光，当紫外光照射半导体时，当入射光子能量大于或等于材料的禁带宽度时，就被半导体吸收，并激发P区、i区和N区的价带电子，产生光生电子-空穴对，电场作用使电子空穴分离，导带中电子向N区移动，价带中空穴向P区移动，在器件两端产生光电压，在外电路中形成光电流，将接收到的光信号转换为电信号输出，实现光电转换。本专利技术的硅基PiN结构紫外光电二极管的制备方法，利用氧化镍在硅上沉积成膜，形成PiN异质结结构，解决了硅器件的紫外响应问题，制备过程简单易行。附图说明图1是本专利技术硅基PiN结构紫外光电二极管示意图；图2是本专利技术硅基PiN结构紫外光电二极管的制备方法流程示意图；图3是本专利技术p型NiO薄膜在不同氩氧比的条件下XRD图谱；图4是本专利技术硅基PiN结构紫外光电二极管的开关特性。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术并不限于这些实施方式。本专利技术的硅基PiN紫外光电二极管一种具体结构如图1所示，包括二极管两端的铝电极和镍叉指状电极，两电极之间由铝电极向镍电极方向依次附有N型单晶硅衬底、i层氧化镍薄膜和P型氧化镍薄膜。其中，i层氧化镍薄膜厚度为30nm-100nm，P型氧化镍薄膜厚度为30nm-100nm。通过上述成膜搭配，形成P-i-N异质结结构，N为N型单晶硅衬底，i为i层氧化镍薄膜，P为P型氧化镍薄膜，氧化镍薄膜可作为紫外光吸收层，解决硅器件的紫外响应问题。如图2所示，本专利技术的硅基PiN紫外光电二极管的制备方法如下：(1)对N型硅衬底进行RCA清洗，1、首先将硅衬底用去离子水冲洗清；2、在丙酮溶液中超声清洗15min，用来去除衬底表面的有机杂质，再用去离子水冲洗；3、按照氨水：过氧化氢：去离子水＝1:1:4配比配置标准一号溶液，在80℃水浴中加热15min，用来去除金属离子及有机杂质，再用去离子水冲洗；4、按照盐酸：过氧化氢：去离子水＝1:1:5配比配置标准二号溶液，在80℃水浴中加热15min，再用去离子水冲洗；5、在10％的氢氟酸溶液中浸泡10min，用来去除Si表面的氧化层，再用去离子水冲洗；6、在无水乙醇中超声清洗15min，再用去离子水冲洗，最后用N2吹干(2)利用磁控溅射设备在N型硅衬底上沉积出i层氧化镍薄膜，沉积过程中只通入氩气，不通入氧气，沉积时间控制为0.1h-2h，沉积压强控制为1Pa-5Pa，溅射功率控制为80W-160W。(3)利用磁控溅射设备，在i层氧化镍薄膜上沉积出P型氧化镍薄膜，沉积过程中同时通入氩气和氧气，沉积时间控制为0.1h-2h，沉积压强控制为1Pa-5Pa，溅射功率控制为80W-160W。其中，氩气流量和氧气流量比为1:1时，所形成的P型氧化镍薄膜结晶质量最好(如图3所示)。(4)利用真空镀膜设备，蒸发源为Ni粉，真空度为5×10-3Pa，使用叉指状掩膜版，在P型氧化镍薄膜上沉积镍叉指状电极。(5)利用真空镀膜设备，蒸发源为Al粒，真空度为5×10-3Pa，在硅片背面沉积铝电极。(6)使用快速退火设备对步骤5得到的样品进行退火以形成欧姆接触，退火温度为400℃-600℃，退火时间为60S-500S。图4为所制备紫外光电二极管在纯电阻负载电路中的电压开关波形，测试用光源信号来自365nm紫外LED，连续紫外光经斩波器转化为方波信号，测试结果表明，本专利技术所制备的器件在365nm紫外光控制下具有良好的开关性能。以下给出具体制备实施例，通过以下方法均可制备出本专利技术的硅基PiN紫外光电二极管。实施例1对N型单晶硅衬底进行RCA清洗，清洗后用氮气吹干待用。采用磁控溅射设备在硅衬底上沉积100nm厚的i层氧化镍薄膜，氩气流量为20sccm，氧气流量为0sccm，沉积时间为2h，沉积压强为1Pa，溅射功率控制为100W。再采用磁控溅射设备沉积100nm厚的P型氧化镍薄膜，氩气流量为20sccm，氧气流量为20sccm，沉积时间为2h，沉积压强为1Pa，溅射功率控制为100W。再利用真空镀膜设备在P型氧化镍薄膜上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基PiN紫外光电二极管，其特征在于，包括铝电极和镍电极，两电极之间由铝电极向镍电极方向依次附有N型硅衬底、i层氧化镍薄膜和P型氧化镍薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种硅基PiN紫外光电二极管，其特征在于，包括铝电极和镍电极，两电极之间由铝电极向镍电极方向依次附有N型硅衬底、i层氧化镍薄膜和P型氧化镍薄膜。2.根据权利要求1所述的硅基PiN紫外光电二极管，其特征在于，所述i层氧化镍薄膜厚度为30nm-100nm，P型氧化镍薄膜厚度为30nm-100nm。3.一种如权利要求1所述的硅基PiN紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对N型硅衬底进行RCA清洗；(2)利用磁控溅射设备，在N型硅衬底上沉积出i层氧化镍薄膜；(3)利用磁控溅射设备，在i层氧化镍薄膜上沉积出P型氧化镍薄膜；(4)在P型氧化镍薄膜上沉积镍电极；(5)在硅片背面沉积铝电极；(6)退火，形成欧姆接触。4.根据权利要求3所述的硅基PiN紫外光电二极管的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲红斌，胡丹丹，王曦，石万，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61