TiO2薄膜的制备方法、光电探测器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种TiO2薄膜的制备方法、光电探测器件及其制备方法，涉及光电检测技术领域。本发明专利技术利用在含氧环境下煅烧ALD(原子层逐层沉积的方法)制得的TiO2薄膜，一方面使得TiO2薄膜由非晶向局部单晶转变，形成鱼鳞状的外貌；另一方面减少氧缺陷，降低了材料中电子的浓度，降低光生载流子的复合，利于形成光电流，同时还降低了暗电流的大小；由此材料制得的光电探测器件使得器件提升了光电探测的性能；让器件具备了栅极电压调控光谱响应的能力。

【技术实现步骤摘要】
TiO2薄膜的制备方法、光电探测器件及其制备方法
本专利技术涉及光电检测
，尤其涉及一种TiO2薄膜的制备方法、光电探测器件及其制备方法。
技术介绍
在现代光电探测技术中，光电探测器可以在很多领域可以找到相关应用，其中包括环境安全、信息技术、医疗、天文观测和军事应用以及卫星通讯等。成为继激光探测技术和红外探测技术之后，紫外波段也越来越受到人们的关注，发展起来的又一种极其重要的光电探测技术。国外已开始紫外技术的军用研究，并己经取得一定的进展，比如紫外制导、紫外预警、紫外干扰以及紫外通讯等。金属的氮化物和氧化物常被用来作为宽禁带半导体，如TiO2等宽禁带半导体材料，化学性质稳定，而且在紫光和近紫外区有很好吸收，对可见光透明，是光电检测中紫外检测理想的半导体，尤其是在宽光谱响应方面可作为顶层材料而不影响底层材料对可见光、红外光的检测。目前已经报道了通过化学气相沉积，脉冲激光沉积，溅射和水热法等方法制备了金属氧化物的各种纳米结构，已有很多文献报道了金属氧化物、氮化物、硫化物在光电探测中的应用。氧化钛(TiO2)由于其高折射率，优异的电性能和良好的化学稳定性，在太阳能电池、光催化反应、LED、光电探测器等领域引起了广泛关注。同时也是光电检测中紫外检测理想的半导体。目前通过化学气相沉积，脉冲激光沉积，溅射和水热法等方法可制备TiO2的各种纳米结构。金红石相的TiO2具有3.0eV的直接光学带隙，而TiO2的锐钛矿相具有3.2eV的间接光学带隙。未掺杂TiO2纳米材料由于存在氧空位的浅施主，而显示为n型掺杂。基于绝缘栅型金属-半导体-金属(MSM)结构的探测器具有量子效率高、开关比大、热稳定性高等优点。半导体纳米线、纳米管薄膜型绝缘栅场效应(MOSFET)晶体管在光电探测领域的应用更是得到了拓展。通过栅极电压可调控TiO2的沟道载流子分布以及耗尽层特性，提升器件对紫外光探测能力。然而，使用现有的制备方法制得的TiO2薄膜材料多是非晶材料或者是多晶材料，难以获得TiO2单晶薄膜，因此制备的光电探测器件性能较弱，不能具备调控光谱响应的能力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是
技术介绍
中提到的问题，通过制备出TiO2单晶薄膜材料，降低材料中电子浓度，以提升光电器件的探测性能。为了解决上述问题，本专利技术提出以下技术方案：第一方面，本专利技术提出一种TiO2薄膜的制备方法，包括以下步骤：S1，以氮气作为负载气体，交替通入钛源和水蒸气，在衬底的氧化层上得到反应生成的原子层级别的TiO2，反应温度为220～300℃，反应压强为10～20帕；S2，将S1得到的有TiO2的衬底在含氧气氛下煅烧，煅烧温度为400～800℃，即在衬底上制得TiO2薄膜；其中，所述钛源为异氧丙醇钛，钛源的温度为70～80℃；所述衬底为一面含有氧化硅层，另一面为Si的P型Si。其进一步的技术方案为，所述步骤S1中，还包括去除前驱体的步骤，所述前驱体为异氧丙醇钛和水蒸气。其进一步的技术方案为，所述步骤S1中，所述通入氮气作为负载气体的钛源和水蒸气的具体步骤为，依次将通入钛源和水蒸气，分别去除前驱体作为一个循环，重复200～300个循环。其进一步的技术方案为，每次循环氮气作为负载气体的钛源通入时间为0.1～0.5s，流速为5.0～10.0sccm。其进一步的技术方案为，每次循环氮气作为负载气体的水蒸气通入时间为0.1～0.5s，流速为5.0～10.0sccm。其进一步的技术方案为，每次循环去除前驱体时间为20～40s。其进一步的技术方案为，还包括对衬底的预处理步骤，所述预处理步骤为将衬底表面的有机物、金属离子及洗涤残留物洗净，干燥。第二方面，本专利技术提出一种光电探测器件，包括TiO2薄膜，所述TiO2薄膜由第一方面所述的TiO2薄膜的制备方法制得。第三方面，本专利技术提出一种如第二方面所述的光电探测器件的制备方法，包括以下步骤：在所述衬底含有TiO2薄膜的一面制备场效应晶体管的源极和漏级，所述源极和漏级之间的沟道宽度为10～75微米；去除衬底另一面因步骤S2煅烧产生的氧化硅，制备栅极，即得所述光电探测器件。与现有技术相比，本专利技术所能达到的技术效果包括：本专利技术利用在含氧环境下煅烧ALD(原子层逐层沉积的方法)制得的TiO2薄膜，一方面使得TiO2薄膜由非晶向局部单晶转变，形成鱼鳞状的外貌；另一方面减少氧缺陷，降低了材料中电子的浓度，降低光生载流子的复合，利于形成光电流；由此材料制得的光电探测器件使得器件提升了光电探测的性能；让器件具备了栅极电压调控光谱响应的能力。附图说明图1为基于本专利技术实施例制得的TiO2薄膜材料的MOSFET结构光电检测器件结构的模型；图2为本专利技术一实施例制得的光电探测器件上表面的光学照片；图3为本专利技术一实施例制备步骤S2煅烧后，制得的结晶化鱼鳞状TiO2薄膜材料的表现出来的鱼鳞结构；图4为步骤S2煅烧前后的TiO2薄膜材料的XRD表征；图5为比较例的光电器件在不同栅压下光电流的光谱响应；图6为实施例的光电器件在不同栅压下光电流的光谱响应。具体实施方式下面将通过以下实施例进行清楚、完整地描述本专利技术的技术方案中显然，以下将描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。还应当理解，在此本专利技术实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本专利技术实施例。如在本专利技术实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。本专利技术实施例提出一种结晶化TiO2薄膜的制备方法，包括以下步骤：S1，以氮气作为负载气体，交替通入钛源和水蒸气，在衬底的氧化层上得到反应生成的原子层级别的TiO2，反应温度为220～300℃，反应压强为10～20帕；S2，将S1得到的有TiO2的衬底在含氧气氛下煅烧，煅烧温度为400～800℃，即在衬底上制得结晶化鱼鳞状的TiO2薄膜，如图3所示；其中，所述钛源为异氧丙醇钛(Ti{OCH(CH3)2}4)，钛源的温度为70～80℃；所述衬底为一面含有氧化硅层，另一面为Si的P型Si。在一实施例中，以氩气作为负载气体，引入钛源和水蒸气。参见图3，未退火之前，衬底上得到的TiO2受基底的影响为非晶态，经煅烧退火后，由非晶态转为局部单晶态，形成了类似鱼鳞一样的形貌，其光电探测性能也得到提升。参见图4，其为步骤S2煅烧前后的TiO2薄膜材料的XPS表征。其中a为步骤S2煅烧前的TiO2薄膜材料的XPS表征；b为步骤S2煅烧后的TiO2薄膜材料的XPS表征。由图可知，步骤S2煅烧前无明显的氧化钛的特征峰说明氧化钛为非晶态，经过步骤S2煅烧后氧化钛的特征峰出现，说明氧化钛薄膜已结晶化。在一实施例中，步骤S1还包括去除前驱体的步骤，所述前驱体为异氧丙醇钛和水蒸气。通过及时去除前驱体，促使反应不断进行，使得在衬底上得到原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TiO2薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，以氮气作为负载气体，交替通入钛源和水蒸气，在衬底的氧化层上得到反应生成的原子层级别的TiO2，反应温度为220～300℃，反应压强为10～20帕；S2，将S1得到的有TiO2的衬底在含氧气氛下煅烧，煅烧温度为400～800℃，即在衬底上制得结晶化鱼鳞状的TiO2薄膜；其中，所述钛源为异氧丙醇钛，钛源的温度为70～80℃；所述衬底为一面含有氧化硅层，另一面为Si的P型Si。

【技术特征摘要】
1.一种TiO2薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，以氮气作为负载气体，交替通入钛源和水蒸气，在衬底的氧化层上得到反应生成的原子层级别的TiO2，反应温度为220～300℃，反应压强为10～20帕；S2，将S1得到的有TiO2的衬底在含氧气氛下煅烧，煅烧温度为400～800℃，即在衬底上制得结晶化鱼鳞状的TiO2薄膜；其中，所述钛源为异氧丙醇钛，钛源的温度为70～80℃；所述衬底为一面含有氧化硅层，另一面为Si的P型Si。2.如权利要求1所述的TiO2薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括去除前驱体的步骤，所述前驱体为异氧丙醇钛和水蒸气。3.如权利要求2所述的TiO2薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述通入氮气作为负载气体的钛源和水蒸气的具体步骤为，依次将通入钛源和水蒸气，分别去除前驱体作为一个循环，重复200～300个循环。4.如权利要求3所述的TiO2薄膜的制备方法，其特征在于，每次循环氮气作为负载气...

【专利技术属性】
技术研发人员：季涛，胡俊青，胡鑫，余利，张昊，艾福金，
申请(专利权)人：深圳技术大学，
类型：发明
国别省市：广东,44