薄膜光电探测器制作及测试-集成电路制造-高校虚拟教学仿真软件

实验编号：U19E00500

实验一 光敏薄膜材料制备实验

光敏半导体材料一般在黑暗环境下具有很大的电阻，受光照时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子的能量后就会跃迁到导带上，从束缚状态变成自由状态，激发出电子——空穴对，使半导体中载流子浓度增加，从而增加了导电性，使电阻减小。照射光线越强，电阻值下降愈多，光照停止，自由电子与空穴逐步复合，电阻又恢复原值。该现象又称为光电导效应，根据这一原理制成的器件成为光敏电阻。

本实验中采用射频溅射法制备光敏薄膜材料，其设备原理图如图1-1。

图1-1 射频溅射设备的原理图

射频磁控溅射方法是一种常见的物理气相沉积电子薄膜的方法，适用于各种金属和非金属材料。在设备的两电极之间接上交流电源时，当交流电源的频率低于50kHz时，气体放电的情况与直流的时候没有根本的改变。气体中的离子仍可及时到达阴极完成放电过程。唯一的差别只是在交流电的每半个周期后阴极和阳极的电位互相调换。这种电位极性的不断变化导致阴极溅射交替式地在两个电极上发生。当频率超过50kHz以后，放电过程开始出现以下两个变化。第一，在两极之间等离子体中不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量，并更有效地与气体分子发生碰撞并使后者发生电离；由电极过程产生的二次电子对于维持放电过程的相对重要性下降。因此，射频溅射可以在1Pa左右的低压下进行，沉积速率也因气体分子散射少而较二极溅射时为高。第二，高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导体。因此，采用高频电源将使溅射过程摆脱对靶材导电性能的限制。

本实验内容为在Si基片上采用射频溅射方法制备ZnO光敏薄膜，包括基片的准备和清洗，真空抽取与检测，以及射频磁控溅射。

模块2 光敏薄膜厚度测量实验

本实验中我们所用的仪器为台阶仪，属于机械方法。

台阶仪：台阶仪属于接触式表面形貌测量仪器。被测薄膜样品须留有台阶，即薄膜边缘与未镀膜的基片部分形成的台阶。

其测量原理是：当触针沿被测表面轻轻滑过时，由于表面有微小的峰谷使触针在滑行的同时，还沿峰谷作上下运动。触针的运动情况就反映了表面轮廓的情况。传感器输出的电信号经测量电桥后，输出与触针偏离平衡位置的位移成正比的调幅信号。经放大与相敏整流后，可将位移信号从调幅信号中解调出来，得到放大了的与触针位移成正比的缓慢变化信号。再经噪音滤波器、波度滤波器进一步滤去调制频率与外界干扰信号以及波度等因素对粗糙度测量的影响。

根据使用传感器的不同，接触式台阶测量可以分为电感式、压电式和光电式3种。电感式采用电感位移传感器作为敏感元件，测量精度高、信噪比高，但电路处理复杂；压电式的位移敏感元件为压电晶体，其灵敏度高、结构简单，但传感器低频响应不好、且容易漏电造成测量误差；光电式是利用光电元件接收透过狭缝的光通量变化来检测位移量的变化。

台阶仪的缺点在于：

1）由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使仪器在使用一段时间后测量精度下降；

2）测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差；

3）为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一般都很高，因此不适于精密零件及软质表面的测量。

实验三 光敏薄膜表面形貌及粗糙度分析实验

原子力显微镜：Atomic Force Microscope （AFM）是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。

它通过检测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互的作用力，将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。具有高分辨力、非破坏性、应用范围广和数据处理功能强的优势。

根据接触形式分为：

(1) 接触式﹕利用探针和待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，此作用力(原子间的排斥力)很小，但由于接触面积很小，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其对软性材质，不过较大的作用力可得较佳分辨率，所以选择较适当的作用力便十分的重要。由于排斥力对距离非常敏感，所以较易得到原子分辨率。

(2) 非接触式﹕为了解决接触式之AFM 可能破坏样品的缺点，便有非接触式之AFM 被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运作，由于探针和样品没有接触，因此样品没有被破坏的问题，不过此力对距离的变化非常小，所以必须使用调变技术来增加讯号对噪声比。在空气中由于样品表面水模的影响，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。

(3) 轻敲式﹕将非接触式AFM 改良，将探针和样品表面距离拉近，增大振福，使探针再振荡至波谷时接触样品由于样品的表面高低起伏，使的振幅改变，再利用接触式的回馈控制方式，便能取得高度影像。分辨率界于接触式和非接触式之间，破坏样品之机率大为降低，且不受横向力的干扰。不过对很硬的样品而言，针尖仍可能受损。

实验四 薄膜的电输运性能测试实验

电输运测试原理：电输运从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的积聚，从而形成附加的横向电场即霍尔电场。该电场阻止载流子继续向侧面偏移，随电荷的积累会达到平衡状态。

范德堡法：范德堡方法可以用来测量任意形状的厚度均匀的薄膜样品。在样品侧边制作四个对称的电极，如图所示：

图4-1 范德堡方法测量示意图

测量电阻率时，依次在一对相邻的电极通电流，另一对电极之间测电位差，得到电阻R，代入公式得到电阻率ρ。

RAB,CD=VCD/IAB,RBC,DA=VDA/IBC

ρ=πd/In2×(RAB,CD+RBC,DA)/2×f(RAB,CD/RBC,DA)

其中d为样品厚度，f为范德堡因子，是比值RAB,CD/RBC,DA的函数。这种方法对于样品形状没有特殊要求，但是要求薄膜样品的厚度均匀，电阻率均匀，表面是连通的即没有孔洞。此外，A、B、C、D四个接触点要尽可能小（远远小于样品尺寸），并且这四个接触点必须位于薄膜的边缘。

不过在实际测量中，为了简化测量和计算，常常要求待测薄膜为正方形，这是由于正方形具有很高的对称性，正方形材料的四个顶点从几何上说是完全等效，因而可推知电阻值RAB,CD和RBC,DA在理论上也应该是相等。查表可知，当RAB,CD+RBC,DA，AD=1时，f=1.因此，最终电阻率的公式可简化为：

ρ=πdRAB,CD/In2

其中RAB,CD计算方法为在一对相邻的电极（A，B）通电流，另一对电极（C，D）之间测电位差，得到电阻R。但是由于材料切割工艺等原因，导致测得的数据在数值上完全相等不可能严格达到，因此在测量电阻率的时候用ABCD四点轮换通电测量和反向测量的方法得到RAB,CD，RBC,DA等八个电阻值，这八个电阻值在理论上应该是完全相等的，因此可取这八个电阻值的平均值作为测量值R以减小测量误差。

用电输运测试仪测试薄膜，须提供准确的薄膜厚度，且被测薄膜必须为导体或者半导体，绝缘体无法进行测试。

本实验测试薄膜时须提供准确的薄膜厚度，且被测薄膜必须为导体或者半导体，绝缘体无法进行测试。

实验五 真空蒸发薄膜电极实验

金属电极的制备可以采用真空蒸发技术和光刻技术来制备。采用真空蒸发技术工艺简单，易形成良好的MSM结构的叉指电极，但所制得的叉指间的距离无法做的微细化；采用光刻技术虽然工艺复杂，但能实现更小的指间距。

本实验中通过真空蒸发技术制作MSM结构的Au电极的示意图如图5-1所示，制备的叉指电极的长度为4mm，叉指宽度为0.5mm，叉指间距为1mm，有效感光面积为32.97mm2。

图5-1 Si衬底上的MSM结构示意图

金属与半导体接触形式主要有两种形式：欧姆接触和肖特基接触。当金属的功函数小于半导体的功函数时，半导体形成负的表面空间电荷区，在半导体表面的电子浓度高于半导体体内的电子浓度，在表面形成高电导区，于是金属与半导体之间就形成欧姆接触，通常制备ZnO基紫外探测器的欧姆接触电极材料有In、Ti、Al、Ag、Ni、Ti/Al、In/Al和Ti/Au等。当金属的功函数大于半导体功函数时，半导体形成正的表面空间电荷区，在半导体表面形成一定高度的势垒，于是金属与半导体之间就会形成肖特基势垒。通常制备ZnO紫外探测器的肖特基接触电极材料有：Au、Pt、Ag和W等。

为了提高探测器对载流子的收集能力，通常金属电极采用叉指结构，制备成MSM结构的探测器。这样的探测器具有响应度高、随偏压变化小、响应速度快、工艺简单和易于集成等优点。加之，由于目前ZnO很难实现P型掺杂，因而很难制备出性能优良的p-n型光电探测器，而MSM结构无需制备p-n结，尤其适合难以掺杂的半导体材料，且与半导体电子工艺完全相容。

真空蒸发镀膜是制作薄膜电极的常见方法。这种方法是把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2Pa以下，然后加热镀料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜。真空蒸发设备主要由真空镀膜室和真空抽气系统两大部分组成。真空镀膜室内装有蒸发源、被蒸镀材料、基片支架及基片等。

实现真空蒸镀需要有“热”的蒸发源、“冷”的基片和周围的真空环境，三者缺一不可。尤其对真空环境的要求很高，原因是：1）防止在高温下因空气分子和蒸发源发生反应，生成化合物而使蒸发源劣化；2）防止因蒸发物质的分子在蒸镀室内和空气分子碰撞而阻碍蒸发分子直接到达基片表面，以及在途中生成化合物或由于蒸发分子间的相互碰撞而在到达基片之前就凝聚等；3）在基片上形成薄膜的过程中，防止空气分子作为杂质混入膜内或者在薄膜中形成化合物。

电阻式蒸发原理：利用高熔点、低蒸汽压、高稳定性的电阻材料（如W、Mo、Ta等）通电产生焦耳效应对镀料进行加热。根据镀料的特性及其与加热材料的浸润情况，蒸发加热源可以是直接加热原料的丝状蒸发源或舟（板）状蒸发源。使用丝状加热源，一般要求镀料与加热材料浸润性较好，如用W丝蒸发Au、Al等；蒸发舟适用于粉粒或块状镀料的蒸发。此外，有的情况下，我们也使用坩埚类蒸发源用于蒸发熔点不高但容易与发热材料产生化学反应或形成合金的材料。

在电阻热蒸发装置中，一般都通过控制加热电压以改变通过发热材料的电流来实现对蒸发温度的控制。在实际使用中需注意：1）发热材料的电阻会随温度发生变化；2）在加热过程中某些原料可能会有放气现象；3）有些材料与发热材料热接触并不是很好；4）在被金属材料浸润后发热材料电阻会有较大变化。对于以上情况，应缓慢调节加热电压，来获得稳定沉积速率。

实验六 光敏电阻的光电性能测试实验

本实验通过自搭建光电探测器光谱响应测试平台，对实验制作的光敏电阻样品进行光响应测试，记录数据并计算被测样品的光响应度，并画出其光谱响应曲线。

实验系统如图1，主要由光源、三光栅单色仪、复合稳流电源、光学斩波器、锁相放大器、直流电源和标准探测器几部分构成，可提供稳定的350nm-2500nm的溴钨灯紫外-可见-近红外光源，此连续光源照射在Omni-λ3005单色仪的入射狭缝处，经Omni-λ3005三光栅单色仪产生单色光投射在探测器上，单色仪通过RS-232串行通讯口与计算机进行数据通讯，可以控制分光波长。作为有效的标准传递，所用参考探测器为经过国内计量院定标的硅探测器（200nm-1100nm），其有效接收面积100（Φ11.28mm），峰值波长响应度0.52A/W。