1、 西安邮电学院课程设计报告题目：硅基氧化锌光传感器专业：微电子 0801姓名：阴赵娇学号：04084032一 原理分析光传感器原理：概述：光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、
2、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用原理：由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲( 开关 )式光电传感器 .模拟式光电传感器是将被测量转换 光电传感器成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体) 方法可分为透射(吸收) 式,漫反射式,遮光式( 光束阻档) 三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到
3、光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关. 光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN 结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（A ） ，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电 光电传感器载流子。在外电场的
4、作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流 Iceo=（1+）Icbo （很小） ，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对
5、，使得基极产生的电流 Ib 增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流 Ic=（1+ ）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。硅基原理：氧化锌薄膜光电原理：ZnO是一种宽禁带2族化合物半导体。它在低压荧光、催化及气体传感器等领域有着广泛的应用。近10年来,由于光电信息技术的发展,短波激光二极管的研究成为半导体激光器件研究的热点。关于ZnO微晶结构薄膜在室温下光激发紫外受激发射的报道发表以后,这种材料重新引起人们的重视并迅速成为半导体激光器件的研究新热点。由于ZnO 薄膜是直接带隙半导体，具有很好的光电性质，对紫外光有较为强烈的吸收，在可见光区，光透过率接近90%。ZnO薄膜的
6、光电特性与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶密度相关，在适当的制备条件及掺杂条件下，ZnO薄膜表现出很好的低阻特征，使其成为一种重要的电极材料，如太阳能电池的电极、液晶元件电极等。用氢等离子处理的ZnO:Ga薄膜也可用于太阳能电池，=13%。高的光透过率和大的禁带宽度使其可作太阳能电池窗口材料、低损耗光波导器件及紫外光探测器等。而它的发光性质及电子辐射稳定性则使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料，并在紫外光二极管激光器等发光器件领域有潜在的应用前景。尤其是ZnO光泵浦紫外激光的获得和自形成谐振腔的发现更加激起了人们对其研究的热情。同时由于ZnO对光波具有的选择性(可见光区的高透射
7、性和红外光区的高反射性)，可作为一种热镜材料来制成低辐射幕墙玻璃。ZnO的晶体结构：ZnO 是具有六角对称性的纤锌矿结构(如图11I)f4】 ，晶格常数a=3250A c=5205u=1992 A。这种结构可以看成是两套六角结构的晶格沿c轴方向错开一个U长度而形成，如果把包含一层ZnO原予和一层。原子的双原子层看成一层的话，则整个晶格就是ABABAB.排列。这种结构的一大特点是：没有垂直于c 轴的对称面，从而导致 c方向 ttP面成为锌面，面成为氧面。 ZnO薄膜生长初期形貌以及ZnO基薄膜的光学性质第一章：引言图11i ZnO的晶体结构= 蓉ZnO在高压下会发生相变，从纤锌矿结构转变成为Na
8、Cl 结构，但是NaCl 结构不稳定，Decremps5等人研究了ZnO 的纤锌矿结构和NaCI结构向转变，发现该转变受晶粒尺寸影响很大，并且发现高温(550K)高压(15GPa)处理ZnO纳米晶粒可以得到单相的NaCI结构的 ZnO。ZnO薄膜用作透明电极：ZnO膜是一种透明导电膜，作为透明电极和窗口材料主要是用于太阳能电池。ZnO用做太阳能电池有显著的优点。首先，它在可见光范围具有较高的透射率。其次，在高温条件下，其成分不易与氢发生互扩散，在活性氢和氢等离子体环境中化学稳定性高，不易使太阳能电池材料活性降低。同时ZnO受到高能粒子辐射损伤较小，特别适合于太空中使用。并且，ZnO材料来源丰富
9、、价格便宜，具有很多应用方面的优势。在实际中应用较广泛的是ZnO ：AI 薄膜，Croenen19等人利用扩展热等离子体柬技术制得的ZnO： AI薄膜，用于无定形非晶硅太阳能电池，其效率可达77。用轻等离子体处理的ZnO：Ga薄膜也可作为太阳能电池的窗口材料，效率可达13。光电器件的单片集成：ZnO在400-2000nto甚至更长的波长范围内都是透明的，加之所具有的光电、压电等效应，使之成为集成光电器件中一种极具潜力的材料。采用Si晶片等作衬底，在其上生长ZnO薄膜材料，可提供一种将电学、光学以及声学器件进行单片集成的途经。这种集成方法具有其他许多常规材料无法比拟的优越性，如可以利用成熟的Si
10、平面工艺，将光源探测器、调制器、光波导及相关电路等进行单片集成，适于大规模，低成本生产，具小型化、高稳定性的光电集成电路。ZnO薄膜还被广泛地应用于制作发光显示器件、紫外光探测器、气敏传感器、GaN的缓冲层等。ZnO薄膜以其性能多样、应用广泛和价格低廉等突出势，又因其制备方法多样、工艺相对简单、易于掺杂改性、与硅Ic兼容，有利于现代器件的集成化，代表着现代材料的发展方向，是一种在高新技术领域及广阔的民用和军事领域极其具有发展潜力的薄膜材料，因此对ZnO薄膜的深入研究具有重要意义。二 具体的实现方案将硅片放入60的清洗剂中进行超声清洗，清除在硅片加工过程中表面黏附的油污。接着，用浓度为“IM(N
11、aOH)=10水溶液在90的温度下去除硅片表面的机械损伤层，每面去除约10 um的厚度。然后，在不同的条件下，在硅片表面腐蚀形成金字塔绒面。我们选用的制绒液是分析纯NaOH和无水乙醇的混合水溶液，反应温度维持在(85士02)。反应釜用一块玻璃板密封，以减少乙醇在高温下的挥发。由于我们的生产用反应槽中役有搅拌装置，所以制绒过程均不加机械搅拌。最后，在(HF)一10中浸泡去除硅片表面自然氧化层后，用去离子水冲洗干净。在腐蚀的过程中注意反应时间对绒面形貌和反射率的影响，在本次实验中，我们分别选用5min，10min，20min，30min时间进行腐蚀；接下来是氧化锌的涂抹，掩膜版的制作，图形的刻蚀，
12、电极的接入等，具体的操作步骤如下：工艺步骤：第一步：清洗硅片。将硅片放入 60的清洗剂中进行超声清洗，清除在硅片过程中表面黏附的油污。第二步：用浓度为“IM(NaOH)=10 水溶液在 90的温度下去除硅片表面的机械损伤层，每面去除约 10 um 的厚度。第三步：对单晶硅片进行 1min、5min、10min、30min 的腐蚀，并在显微镜下进行腐蚀厚度的测量。提供的实验参数为 30min 腐蚀的厚度为 25um。选用的制绒液是 15 gL 的 NaOH 和 p(C：H 50H)一 10的混合水溶液，反应温度维持在(85 士 02)。在高温下，硅与碱发生如下的化学反应：Sl+20H 一十 H
13、20Si(X十 2H2注：在单晶硅片的绒面制备过程中，温度是一个比较容易控制的参数，所以我们参考了已有的工艺参数，把制绒液的温度确定为 85。在实验室的条件下，温度的波动可以控制在士 02第四步: 在(HF)一 10中浸泡去除硅片表面自然氧化层后，用去离子水冲洗干净。第六步：此时，硅的腐蚀已经完成，将氧化锌颗粒和水以体积比 1:3 溶解，进行氧化锌粉末的制备，在球磨机上对氧化锌进行颗粒细化，球磨时间是 4 小时，球磨机的转速时 800-900.第七步：将细化的氧化锌涂在二氧化硅的表面，注意涂抹的厚度和均匀程度。这直接影响到以后的测试工作。第七步：掩膜板的制作。第八步：将刻好的掩膜版放到氧化锌的
14、表面进行刻蚀。第九步：烧结，将做好的硅片放到烘箱里进行烧结，时间为 20min，温度控制在 100 度左右。第十步：电极的引入。在上面按一定的规则涂上银浆即可。 第十一步：进行有关参数的测试，其中包括用万用表测量电流，电压等，以便求出折射率，电阻等参数。三 掩膜板的设计思想四 测试结果数据分析五 体验总结 与酒精的混合溶液对晶体硅进行各向异性腐蚀，可以制备出类金字塔的织构表面。理想的绒面应是金字塔体积较小、大小均匀、覆盖率高。为了得到质量较好的绒面，首先，制绒反应初期金字塔成核均匀、密度较高；其次，碱腐蚀的各向异性因子约为 10。适宜的制绒液中应含有约 15 gL 的NaOH，p(C2H6OH
15、)一 5“10，在 85下反应 30min，就可以在单晶硅片表面形成色泽均匀、反射率低的金字塔绒面。NaOH 含量的变化会改变溶液的腐蚀强度，适宜生产的浓度范围比较狭搴。酒精不仅可以加速反应产生的氢气泡从硅片表面的逃逸，更重要的是，减弱了 Na()H 的腐蚀强度，获得良好的各向异性因子。乙醇的允许范围较 NaOH 宽泛许多，在工业生产中容易控制。制绒反应的时间延长，金字塔的体积膨胀，大小趋于均匀，反射率略有降低。随着微电子器件开发研究的不断进步以及微电子产品的迅猛发展，对于半导体材料性能的要求也越来越高，传统的半导体材料已经远远不能满足日益发展进步要求，因此开发和研究新的半导体材料刻不容缓，已
16、成为科技工作者广泛关注的课题。ZnO作为一种新的半导体材料，具有禁带宽(337cV)，激子结合能大(约60meV)等优良的性能，这些优良的性能使ZnO在光电子领域得到广泛应用【13】 。在众多的光电材料中，氧化锌具有较大的激子结合能(约60meV)，远远大于传统的蓝光发射材料GaN，是热能量的24倍，可以在室温或者更高温度下实现激光发射。另外，ZnO还以其在敏感材料、压电材料、导电薄膜、在高能辐射下具有稳定性、容易被酸和碱金属腐蚀等性能而应用在传感器、透明导体、空间科学、小尺寸器件等领域。这些优良的性能使ZnO得到研究者的关注，近年来有关稀磁半导体的报道更使ZnO成为研究热点。 ，2000年Dielt3等人从理论上预言了过渡金属掺杂ZnO具有稀磁特性，在此之后又有许多报道都称过渡金属掺杂ZnO有可能作为一种优良的材料在自旋电子学领域被应用，这更加使ZnO成为一种重要的有广阔应用前景的材料，从而也使ZnO成为更多研究者瞩目的焦点。
