本发明涉及半导体材料生长领域，特别涉及一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法。
背景技术：
太阳光是人类社会赖以生存和发展的基础能源之一，虽然紫外光(10～400nm)辐射在太阳辐射中只有很小的比例，但是却对整个人类的生活有着重要的影响。紫外光根据波长可以划分为：紫外线a(uva)，波长介于320～400nm；紫外线b(uvb)，波长介于280～320nm；紫外线c(uvc)，波长介于100～280nm。其中紫外线b(uvb)辐射与人体健康密切相关。一方面，适量的uvb辐射有利于人类维生素d的形成，从而可以降低罹患癌症的风险。另一方面，过多的uvb辐射会抑制免疫系统，引起白内障并导致皮肤癌。因此，为了最好地利用优点并绕过缺点，迫切需要对uvb辐射进行检测和定量分析。近年来，宽禁带半导体紫外探测器因其体积小、重量轻、工作时不需滤光片、无需制冷等优点被认为是可以取代真空光电倍增管和si光电倍增管的第三代紫外探测器。
在宽禁带半导体材料中，batio3具有钙钛矿结构，是直接带隙半导体，禁带宽度最常见为3.41ev，在近紫外波段光电探测上有优异的探测性能。由于常见的batio3禁带宽度过窄，对应的光学吸收边为361nm，不适合作为uvb波段的紫外探测器，对uvb没有波谱选择性，也限制其在uvb波段光电探测器的应用。
因此，如何找到一种方法实现batio3对uvb波段的探测，拓宽其在uvb紫外探测器领域的应用，已成为业内诸多具有前瞻性的研究人员广为关注的焦点之一。
技术实现要素：
为了克服已有得技术问题，本发明提供一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法；本发明制备的batio3薄膜具有晶粒尺寸小、禁带宽度宽、吸收截止边在280～320nm等特点，使得batio3紫外探测器对应的探测波长在280～320nm，是一种优异的uvb光电探测材料。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：一种batio3薄膜紫外探测器，其特征在于，包括衬底、生长于衬底上表面的batio3薄膜以及复合于batio3薄膜上的叉指电极层；所述batio3薄膜的禁带宽度为3.9～4.4ev；所述batio3薄膜的晶粒尺寸为0.01～30nm；所述batio3薄膜的厚度为50～500nm；所述batio3薄膜的光吸收截止边为280～320nm。
优选地，所述batio3具有陡峭的吸收截止边；所述batio3在吸收截止边位置，6nm波段范围内透射率下降60％～90％。
优选地，所述衬底包括蓝宝石衬底、氧化铟锡衬底、石英衬底和氧化镁衬底中的一种或多种；所述衬底的厚度为150～800nm。
优选地，所述叉指电极层的材质包括金、银、钛、铂和铝中的一种或多种；所述叉指电极层的厚度为30～200nm。
优选地，一种batio3紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将batio3靶材进行磁控溅射沉积，在一定温度的衬底上沉积，得到生长有batio3薄膜的衬底；
2)在上述步骤得到batio3薄膜上先形成叉指电极掩膜，再形成金属层，然后去除掩膜，形成叉指电极层，得到batio3紫外探测器。
优选地，所述batio3靶材的ba和ti的元素比为1:1；
所述衬底温度为20～500℃；
所述磁控溅射射频功率为40～180w；
所述磁控溅射沉积过程中的压强为1×10-2～1×101pa；
所述磁控溅射沉积的时间为1～3h；
所述形成叉指电极掩膜的方式包括负胶光刻。
优选地，所述形成金属层的方式包括小型离子溅射、热蒸发、pld和ald中的一种或多种；
所述小型离子溅射的溅射电流为9ma；
所述去除掩膜的方式包括超声去除；
所述超声的时间为3min；
所述batio3紫外探测器的光响应截止边为280～320nm；
所述batio3紫外探测器具有msm结构。
本发明能够取得以下技术效果：
1、该batio3材料具有禁带宽度宽、晶粒尺寸小、吸收截止边陡峭等特点。
2、本发明制备batio3薄膜材料还具有面积大的优点，进而使得本发明制备的batio3外探测器具有可以作为uvb紫外探测器和良好的波谱选择性。
3、本发明提供的可控的紫外探测器制备方法，步骤简单，条件温和，重复性好，过程可控，有利于规模化推广和应用。
附图说明
图1a为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法提供的batio3紫外探测器的结构示意简图；
图1b为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法提供的batio3紫外探测器的叉指电极层的结构简图；
图2为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例1中的batio3薄膜的x射线衍射谱图；
图3为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例1中的batio3薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；
图4为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例1中的batio3薄膜的禁带宽度图；
图5为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例1中的batio3薄膜的扫描电子显微镜图；
图6为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例1中的batio3紫外探测器的光响应特性曲线图；
图7为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例2中的batio3薄膜的x射线衍射谱图；
图8为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例2中的batio3薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；
图9为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例2中的batio3薄膜的禁带宽度图；
图10为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例2中的batio3薄膜的扫描电子显微镜图；
图11为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例3中的batio3薄膜的x射线衍射谱图；
图12为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例3中的batio3薄膜的紫外-可见光吸收光谱图；
图13为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例3中的batio3薄膜的禁带宽度图；
图14为本发明的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例3中的batio3薄膜的扫描电子显微镜图；
其中附图标记包括：衬底1、batio3薄膜2、叉指电极层3。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面将对本发明提供的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法进行详细说明。
图1a是本发明提供的一种batio3紫外探测器的结构示意简图；图1b是叉指电极层的结构简图。
如图1所示，将batio3靶材进行磁控溅射沉积，在一定温度的衬底上沉积后，得到生长有batio3薄膜2的衬底1；
在batio3薄膜2上先形成叉指电极掩膜，再形成金属层，然后去除掩膜，形成叉指电极层3，得到batio3薄膜紫外探测器。
所得到的batio3薄膜2的禁带宽度为3.9～4.4ev；所述batio3薄膜2的晶粒尺寸为0.01～30nm；所述batio3薄膜2的厚度为50～500nm；所述batio3薄膜2的光吸收截止边为280～320nm。
实施例1
图2-6是本发明提供的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例1中的batio3薄膜测试数据。
将清洗好的蓝宝石衬底放入到磁控溅射生长腔内，调节生长温度到500℃，压强为1×10-1pa。使用ba和ti的元素比为1:1的batio3靶材，溅射射频功率为60w，生长2h，关闭射频，降低衬底温度到室温，得到batio3薄膜。
在batio3薄膜材料上使用负胶光刻形成20对间距为5μm、长度为500μm的叉指电极掩膜：将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为6pa的条件下，电流为9ma，溅射金属铂；然后通过超声3min去除胶体掩膜，形成铂叉指电极层，得到msm结构的batio3紫外探测器。器件结构图如图1a所示，铂叉指电极层的结构简图如图1b所示。
对实施例1中得到的batio3薄膜进行粉末x射线衍射(xrd)测试，得到其图谱如图2所示。从图中可以看出，在蓝宝石衬底上制备的batio3薄膜为钙钛矿结构。xrd的(110)峰比较尖锐，说明结晶质量较高。由衍射峰(110)的半高宽，根据谢乐公式计算出晶粒尺寸为20.53nm。
对实施例1中得到的batio3薄膜进行紫外-可见光吸收光谱测试，得到其图谱如图3所示，从图中可以看出，制备的batio3薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在298nm左右，位于uvb波段。
对实施例1中得到的batio3薄膜进行紫外-可见光吸收光谱图进行计算得到(αhv)2-(hv)图，如图4所示。可以看出batio3薄膜的禁带宽度为4.1ev。
对实施例1中得到的batio3薄膜进行扫描电子显微镜(sem)测试，得到其表面图谱如图5所示。从图中可以看出，制备的batio3薄膜的表面较平整，晶体质量较好，成膜性好。
对实施例1中得到的batio3紫外探测器进行光响应特性测试，得到其图谱如6所示。从图中可以看出，制备的batio3紫外探测器在5v下的光响应度为0.0087a/w，-3db截止边为312nm，处于uvb波段，说明制备的batio3紫外探测器适合作为uvb紫外探测器，-3db截止边与峰值响应度对应波长的差值仅有18nm，具有很好的波谱选择性。
实施例2
图7-10是本发明提供的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例2中的batio3薄膜测试数据。
将清洗好的将清洗好的蓝宝石衬底放入到磁控溅射生长腔内，调节生长温度到20℃，压强为1×10-2pa。使用ba和ti的元素比为1:1的batio3靶材，溅射射频功率为40w，生长1h，关闭射频，降低衬底温度到室温，得到batio3薄膜。
在batio3薄膜材料上使用负胶光刻形成20对间距为5μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为6pa的条件下，电流为9ma，溅射金属铂。然后通过超声3min去除胶体掩膜，得到msm结构的batio3紫外探测器。
对实施例2中得到的batio3薄膜进行粉末x射线衍射(xrd)测试，得到其图谱如图7所示。从图中可以看出，在蓝宝石衬底上制备的batio3薄膜为钙钛矿结构。xrd的(110)峰比较尖锐，说明结晶质量较高。由衍射峰(110)的半高宽，根据谢乐公式计算出晶粒尺寸为21.64nm。
得到其图谱如图8所示，从图中可以看出，制备的batio3薄膜具有较陡的单一光吸收截止边，光吸收截止边在291nm左右，位于uvb波段。
对实施例3中得到的batio3薄膜进行紫外-可见光吸收光谱图进行计算得到(αhv)2-(hv)，如图9，可以看出batio3薄膜的禁带宽度为4.40ev。
对实施例2中得到的batio3薄膜进行扫描电子显微镜(sem)测试，如图10，制备的batio3薄膜的表面相对平整，成膜性好。
对实施例2中得到的batio3紫外探测器进行光响应特性测试，制备的batio3紫外探测器在5v下的峰值光响应度位于286nm，峰值光响应度为0.0018a/w，-3db截止边为297nm，处于uvb波段，说明制备的batio3紫外探测器适合作为uvb紫外探测器。
实施例3
图11-14是本发明提供的一种batio3薄膜紫外探测器及其制备方法实施例3中的batio3薄膜测试数据。
将清洗好的将清洗好的蓝宝石衬底放入到磁控溅射生长腔内，调节生长温度到500℃，压强为1×10pa。使用ba和ti的元素比为1:1的batio3靶材，溅射射频功率为180w，生长2h，关闭射频，降低衬底温度到室温，得到batio3薄膜。
在batio3薄膜材料上使用负胶光刻形成20对间距为5μm、长度为500μm的叉指电极掩膜。将得到的样品放入到小型镀膜机中，在压强为6pa的条件下，电流为9ma，溅射金属铂。然后通过超声3min去除胶体掩膜，得到msm结构的batio3紫外探测器。
对实施例3中得到的batio3薄膜进行粉末x射线衍射(xrd)测试，生长的batio3薄膜为为钙钛矿结构，如图11所示，衍射主峰为(110)。
对实施例3中得到的batio3薄膜进行紫外-可见光吸收光谱测试，制备的batio3薄膜比较陡峭的光吸收截止边，如图12所示，光吸收截止边在310nm左右，位于uvb波段。
对实施例3中得到的batio3薄膜进行紫外-可见光吸收光谱图进行计算得到(αhv)2-(hv)，如图13所示，可以看出batio3薄膜的禁带宽度为3.92ev。
对实施例3中得到的batio3薄膜进行扫描电子显微镜(sem)测试，如图14所示，制备的batio3薄膜的表面相对平整，成膜性好。
对实施例3中得到的batio3紫外探测器进行光响应特性测试，制备的batio3紫外探测器在5v下的峰值光响应度位于305nm，峰值光响应度为0.0013a/w，-3db截止边为316nm，处于uvb波段，说明制备的batio3紫外探测器适合作为uvb紫外探测器。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
1.一种薄膜紫外探测器，其特征在于，包括衬底(1)、生长于衬底上表面的batio3薄膜(2)、以及复合于batio3薄膜(2)上的叉指电极层(3)；所述batio3薄膜(2)的禁带宽度为3.9～4.4ev；所述batio3薄膜(2)的晶粒尺寸为0.01～30nm；所述batio3薄膜(2)的厚度为50～500nm；所述batio3薄膜(2)的光吸收截止边为280～320nm。
2.如权利要求1所述的薄膜紫外探测器，其特征在于，所述batio3薄膜(2)具有陡峭的吸收截止边；所述batio3薄膜(2)在吸收截止边位置，6nm波段范围内透射率下降60％～90％。
3.如权利要求1所述的薄膜紫外探测器，其特征在于，所述衬底(1)包括蓝宝石衬底、氧化铟锡衬底、石英衬底和氧化镁衬底中的一种或多种；所述衬底(1)的厚度为150～800nm。
4.如权利要求1所述的薄膜紫外探测器，其特征在于，所述叉指电极层(3)的材质包括金、银、钛、铂和铝中的一种或多种；所述叉指电极层(3)的厚度为30～200nm。
5.一种紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将batio3靶材进行磁控溅射沉积，在一定温度的衬底上沉积，得到生长有batio3薄膜(2)的衬底；
2)在所述batio3薄膜(2)上先形成叉指电极掩膜，再形成金属层，然后去除掩膜，形成叉指电极层(3)，得到batio3紫外探测器。
6.如权利要求5所述的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述batio3靶材的ba和ti的元素比为1:1；
所述衬底温度为20～500℃；
所述磁控溅射射频功率为40～180w；
所述磁控溅射沉积过程中的压强为1×10-2～1×101pa；
所述磁控溅射沉积的时间为1～3h；
所述形成叉指电极掩膜的方式包括负胶光刻。
7.如权利要求5所述的紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述形成金属层的方式包括小型离子溅射、热蒸发、pld和ald中的一种或多种；
所述小型离子溅射的溅射电流为9ma；
所述去除掩膜的方式包括超声去除；
所述超声的时间为3min；
所述batio3紫外探测器的光响应截止边为280～320nm；
所述batio3紫外探测器具有msm结构。
技术总结