專利名稱：一種基于ii-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光敏電阻技術領域，特別涉及一種基于n-vi族半導體納米帶 薄膜的光敏電阻及其制備方法
背景技術：
隨著集成時代的到來，集成化、微型化和智能化成為器件的發(fā)展方向。 尤其在通信系統(tǒng)內(nèi)部，光技術和電子技術的融合勢不可擋。在這一趨勢下， 把光元件和電子電路集成到一塊芯片上實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換是非常重要的技術革 新。光敏電阻是一種常用的光電轉(zhuǎn)換器件，它的阻值會隨光照強度的變化而
發(fā)生變化。傳統(tǒng)的光敏電阻，主要采用A1A陶瓷做基片，CdS或CdSe做光敏 材料(中國專利200510048590. 6 )。但是，陶瓷材料與Si集成電路并不兼容, 制約了光敏電阻在微型化、集成化器件中的應用，而且鎘化合物具有程度不 同的毒性。隨著全世界對環(huán)保的日益重視，歐盟從2006年7月1日起執(zhí)行的 RoHS指令(歐盟議會和歐盟理事會2003年1月23曰第2002/95/EC號)第4 條中明確要求，投放于巿場的新電子和電氣設備不能含Cd。因此，研制既滿 足與電路集成的需要，又能夠滿足環(huán)保要求的新一代光敏電阻是十分必要的。 ZnO、 ZnS等材料無毒無害。近年來，ZnO納米線等II -VI族半導體材料的 紫外光敏特性得到廣泛研究。例如先進材料(2002 Advanced Materials (2002) 14 158-160 )報道在黑暗條件下，ZnO納米線中電流很??；紫外光照 射下，納米線中的電流顯著增加，且響應時間較短，恢復性能較好，可以用 作光探測器及光敏元件，在構建納米級電子和光電子器件方面具有巨大的應 用潛力。另一方面，實際應用的需求促使光-電集成技術不斷發(fā)展。例如光 電二極管、數(shù)字電路和模擬電路集成在一塊硅片上(Sensors and Actuators A 110 (2004) 294-300 ),光電探測器集成在超大規(guī)模集成電路芯片上(Materials Science and Engineering B74 (2000) 269-275 )。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決傳統(tǒng)光敏電阻不易于集成和其光敏材料對環(huán)境危 害大等缺陷，從而提供一種與硅基集成電路兼容且不含毒性材料Cd的光敏電 阻。
本發(fā)明提供是通過如下方式實現(xiàn)的 一種基于n-vi族半導體納米帶薄膜
的光敏電阻，該光敏電阻包括一 Si襯底[1 ],在該Si襯底[1 ]上有一層Si02 絕緣層[2 ],在Si02絕緣層[2 ]上有一對叉指電極[3 ],在叉指電極[3 ] 上有一層納米帶薄膜[4]。
所述的對叉指電極[3 ]包括Pt電極、Au電極和Al電極。
所述的納米帶薄膜為n-VI族半導體納米帶薄膜。
所述的II-VI族半導體納米帶薄膜為ZnO納米帶薄膜或ZnS納米帶薄膜。 所述的Si襯底[1 ]上的Si02絕緣層[2 ]的厚度300 nm- 500 nm ;叉指
電極[3]寬度50 jam -100 pm ，厚度100 nm -300 nm ;叉指電極[3]之
間間距50jum -100 jum 。
一種基于n-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻的制備方法
1) 通過熱氧化法在Si基片[1]表面制備Si02絕緣層[2];
2) 在Si02絕緣層[2]上先通過射頻磁控濺射后經(jīng)光刻技術制備叉指電極 [3];
3) 用揮發(fā)性溶液作為分散液，將半導體納米帶絮狀物加入分散液中，經(jīng) 超聲振蕩后，使半導體納米帶懸浮在分散液中；
4) 將含有半導體納米帶的分散液旋涂在叉指電極[3]表面，經(jīng)自然揮 發(fā)后在叉指電極[3]表面上形成納米帶薄膜[4 ]。
所述的揮發(fā)性溶液包括丙酮和乙醇。
本發(fā)明光敏電阻有如下優(yōu)點第一，本發(fā)明釆用Si做襯底，克服了現(xiàn)有 光敏電阻與集成電路工藝不兼容的缺點；第二，本發(fā)明釆用無毒無害的ZnO 或ZnS納米帶等II-VI族半導體做光敏材料，符合歐盟RoHS指令對電子元件的環(huán)保要求。與現(xiàn)有的傳統(tǒng)光敏電阻相比，釆用與集成電路兼容的Si襯底； 同時使用Zn0或ZnS等II-VI族半導體納米帶做光敏材料，不含毒性物質(zhì)Cd 及其化合物，環(huán)?？煽?。本發(fā)明結(jié)構簡單，所使用的納米材料較為普遍，使 得器件的制作易于實現(xiàn)。


圖1基于II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻的結(jié)構示意圖； 圖2實施例1中基于Zn0納米帶薄膜的光敏電阻的吸收光譜； 圖3實施例1中基于ZnO納米帶薄膜的光敏電阻的伏安特性曲線； 圖4實施例1中基于ZnO納米帶薄膜的光敏電阻的響應恢復曲線； 圖5實施例2中基于ZnS納米帶薄膜的光敏電阻的吸收光譜； 圖6實施例2中基于ZnS納米帶薄膜的光敏電阻的伏安特性曲線； 圖7實施例2中基于ZnS納米帶薄膜的光敏電阻的響應恢復曲線； 圖中標示
l-Si襯底 2-Si02絕緣層 3-金屬電極 4-光敏膜層 具體實施辦法
如圖1所示， 一種基于n-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻，該光
敏電阻包括一 Si襯底1,在該Si襯底1上有一層Si02絕緣層2,在Si02絕緣 層2上有一對叉指電極3,在叉指電極[3 ]上有一層納米帶薄膜4。納米帶 薄膜4為II-VI族半導體納米帶薄膜的ZnO納米帶薄膜或ZnS納米帶薄膜。 叉指電極3寬度50jum -lOOjum ,厚度100 nm -300 nm ;叉指電極3之間 間距50 jam -100 jam 。 實施例1:
一種基于ZnO納米帶薄膜的光敏電阻的制備方法，制備步驟如下
(1) 將潔凈的硅片l放置在氧化爐的石英舟上，爐溫穩(wěn)定在1150 °C。先 通入500 CC/min干氧5 min,再通入500 CC/分濕氧40 min,關閉濕氧后再 通干氧5 min。以此熱氧化法在硅片表面制備500 nm厚的Si02絕緣層2。
(2) 釆用射頻磁控濺射的方法在Si02表面制備一層金屬Pt,在其上旋涂光刻膠，光刻出叉指電極圖形。經(jīng)腐蝕液腐蝕后制備出一對叉指電極3，電極 寬度為50jum,厚度為100 nm,電極間距為50jum。
(3) 用丙酮溶液作為分散液，將ZnO納米帶絮狀物加入分散液中，經(jīng)超 聲振蕩后，ZnO納米帶懸浮在分散液中；將含有ZnO納米帶的分散液旋涂在叉 指電極表面，經(jīng)自然揮發(fā)后得到光敏膜層4。
(4) 采用分光光度計 (Shimadzu UV-1700 UV-Visible spectrophotometer)測量光敏膜層的吸收光譜，如圖2所示。從圖上可發(fā)現(xiàn) 該Zn0納米帶光敏膜層對波長小于300 nm的光波顯著吸收。
(5) 分別在黑暗條件和280 nm、 5 pW/cm2光照條件下釆用單通道系統(tǒng)源 表(Keithley 2601 system source meter)對制得的光敏電阻進行伏安測量， 如圖3所示。從其伏安曲線上可以看出黑暗條件下通過光敏電阻的電流很 小，20V時約為14. 763 ^A，即光敏電阻阻值為1. 3547 x 106 Q;光照條件下 通過光敏電阻的電流顯著增大，20V時約為3.5565 mA,即光敏電阻阻值為 5. 6235 xl03Q。其與無光照條件下相比，電阻值減小240倍。
(6) 釆用12 V直流恒壓源和1 MQ的釆樣電阻測試光敏電阻的響應恢復 特性，如圖4所示。從示波器輸出響應恢復曲線中可知該光敏電阻的時間常 數(shù)小于100 ms。
實施例2:
一種基于ZnS納米帶薄膜的光敏電阻及其制備方法，制備步驟如下
(1) 與實施例1中步驟(l)相同。
(2) 釆用射頻磁控濺射的方法在Si02表面制備一層金屬Al,在其上旋涂 光刻膠，光刻出叉指電極圖形。經(jīng)腐蝕液腐蝕后制備出一對叉指電極3，電極 寬度為65iam,厚度為200 nm,電極間距為65jiim。
(3) 用乙醇溶液作為分散液，將ZnS納米帶絮狀物加入分散液中，經(jīng)超 聲振蕩后，ZnS納米帶懸浮在分散液中；將含有ZnS納米帶的分散液旋涂在叉 指電極表面，經(jīng)自然揮發(fā)后得到光敏膜層4。
(4) 釆用分光光度計 (Shimadzu UV-1700 UV-Visiblespectrophotometer)測量光敏膜層的吸收光譜，如圖5所示。從圖上發(fā)現(xiàn)該 ZnS納米帶光敏膜層對波長小于300 nm的光波顯著吸收。
(5)分別在黑暗條件和280 nm、 5 pW/cm2光照條件下采用單通道系統(tǒng)源 表(Keithley 2601 system source meter)對制得的光敏電阻進行伏安測量， 如圖6所示。從其伏安曲線上可以看出黑暗條件下通過光敏電阻的電流很 小，20V時約為119. 4 nA，即光敏電阻阻值為1. 675108 Q;光照條件下通過 光敏電阻的電流顯著增大，20V時約為195. 0pA,即光敏電阻阻值為1. 026105 Cl。其與無光照條件下相比，電阻值減小1632倍。
(6)釆用12 V直流恒壓源和5. 1 M。的采樣電阻測試光敏電阻的響應恢復特 性，如圖7所示。從示波器輸出響應恢復曲線中可以看出該光敏電阻的時間 常數(shù)小于70 ms。
權利要求
1. 一種基于II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻，其特征在于該光敏電阻包括一Si襯底[1]，在該Si襯底[1]上有一層SiO2絕緣層[2]，在SiO2絕緣層[2]上有一對叉指電極[3]，在叉指電極[3]上有一層納米帶薄膜[4]。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻， 其特征在于所述的叉指電極[3 ]包括Pt電極、Au電極和Al電極。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于n-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電 阻，其特征在于所述的納米帶薄膜[4]為II-VI族半導體納米帶薄膜。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種基于I1-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻， 其特征在于所述的I1-VI族半導體納米帶薄膜為ZnO納米帶薄膜或ZnS納米 帶薄膜。
5. 根據(jù)權利要求i所述的一種基于n-vi族半導體納米帶薄膜的光敏電阻，其特征在于所述的Si襯底[1 ]上的Si02絕緣層[2 ]的厚度300 nm- 500 nm ;叉指電極[3]寬度50jum -100|nm ,厚度100 nm -300 nm ;叉指電 極[3 ]之間間距50jLim -100 jum 。
6. 根據(jù)權利要求l所述的一種基于II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻的制備方法，其特征在于1)通過熱氧化法在Si基片[1]表面制備Si02絕緣層[2];2 )在Si02絕緣層[2 ]上先通過射頻磁控濺射后經(jīng)光刻技術制備叉指電極m;3) 用揮發(fā)性溶液作為分散液，將半導體納米帶絮狀物加入分散液中，經(jīng) 超聲振蕩后，使半導體納米帶懸浮在分散液中；4) 將含有半導體納米帶的分散液旋涂在叉指電極[3]表面，經(jīng)自然揮 發(fā)后在叉指電極[3 ]表面上形成納米帶薄膜[4 ]。
7. 根據(jù)權利要求5所述的一種基于I1-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻 的制備方法，其特征在于所述的揮發(fā)性溶液包括丙酮和乙醇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于II-VI族半導體納米帶薄膜的光敏電阻及其制備方法，該光敏電阻包括一Si襯底，在該Si襯底上有一層SiO₂絕緣層，在SiO₂絕緣層上有一對叉指電極，在叉指電極上有一層納米帶薄膜。本發(fā)明光敏電阻有如下優(yōu)點第一，本發(fā)明采用Si做襯底，克服了現(xiàn)有光敏電阻與集成電路工藝不兼容的缺點；第二，本發(fā)明采用無毒無害的ZnO或ZnS納米帶等II-VI族半導體做光敏材料，符合歐盟RoHS指令對電子元件的環(huán)保要求。與現(xiàn)有的傳統(tǒng)光敏電阻相比，采用與集成電路兼容的Si襯底；同時使用ZnO或ZnS等II-VI族半導體納米帶做光敏材料，不含毒性物質(zhì)Cd及其化合物，環(huán)?？煽俊１景l(fā)明結(jié)構簡單，所使用的納米材料較為普遍，使得器件的制作易于實現(xiàn)。
文檔編號H01L31/08GK101447522SQ20081003188
公開日2009年6月3日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權日2008年7月22日
發(fā)明者周益春, 彤 張, 博 楊, 鄭學軍, 陳義強 申請人:湘潭大學