[發(fā)明專利]基于稀土鎳酸鹽-鈮摻雜鈦酸鍶的異質(zhì)結(jié)材料及其傳感器制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711099351.2
• 申請(qǐng)日: 2017-11-09
• 公開（公告）號(hào): CN107808908B
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王先杰;周倩;胡昌;隋郁;宋波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/109
• 分類號(hào): H01L31/109;H01L31/032;H01L31/18;G01D5/26
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 賈澤純

基于稀土鎳酸鹽?鈮摻雜鈦酸鍶的異質(zhì)結(jié)材料及其傳感器制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，它為了解決現(xiàn)有紫外光電探測(cè)器的響應(yīng)速度較慢，未有同時(shí)兼具自驅(qū)動(dòng)紫外光電傳感器和位敏傳感器材料器件的問(wèn)題。該基于稀土鎳酸鹽?鈮摻雜鈦酸鍶的異質(zhì)結(jié)材料具有p?n結(jié)結(jié)構(gòu)，在n型鈮摻雜鈦酸鍶基片上采用激光脈沖沉積有厚度為5～20nm的p型鎳酸鹽氧化物層，其中的鎳酸鹽氧化物為鎳酸釹、鎳酸釤或鎳酸釓。在該異質(zhì)結(jié)表面鍍有金電極制備傳感器，此傳感器能夠應(yīng)用于自驅(qū)動(dòng)紫外光電探測(cè)器和位敏傳感器中。本發(fā)明利用Nb:SrTiO₃半導(dǎo)體僅在紫外/近紫外光區(qū)響應(yīng)的特點(diǎn)，其探測(cè)范圍接近日盲區(qū)范圍，且光電響應(yīng)速度快。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及基于異質(zhì)結(jié)縱向和側(cè)向光伏效應(yīng)在自驅(qū)動(dòng)紫外光電探測(cè)器和位敏傳感器中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

紫外光電探測(cè)器具有安全性高、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)需人操作等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤、紫外通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等軍事和民用方面都具有非常重要的應(yīng)用。目前使用的紫外光電探測(cè)器主要是真空光電倍增管，但其體積大、易碎和高功耗等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中還存在探測(cè)靈敏度和光電轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題。按工作原理半導(dǎo)體光電探測(cè)器主要分成兩大類：一類是利用異質(zhì)結(jié)的光生伏特效應(yīng)工作的異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器；另一類是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)工作的光電導(dǎo)探測(cè)器。光電導(dǎo)探測(cè)器本質(zhì)上是一個(gè)光敏電阻，無(wú)光照時(shí)，電路中的暗電流很小；當(dāng)入射光的能量大于材料帶寬時(shí)，產(chǎn)生的光生電子空穴對(duì)在外加電壓作用下被器件兩電極收集，探測(cè)器電阻急劇減小，顯示較高的光靈敏度。光電導(dǎo)探測(cè)器最大的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度非常慢。以寬禁帶半導(dǎo)體ZnO納米線紫外光探測(cè)器為例。由于ZnO納米線表面捕獲態(tài)的存在，使得基于ZnO納米線的紫外光探測(cè)器的響應(yīng)速度很慢——光電導(dǎo)型探測(cè)器光電響應(yīng)最快恢復(fù)時(shí)間為20ms。Y.-Q.Bie等組裝了n-ZnO納米線/p-GaN薄膜異質(zhì)結(jié)，該器件對(duì)367nm波長(zhǎng)的光響應(yīng)信號(hào)上升時(shí)間為20μs，恢復(fù)時(shí)間為219μs，速度比先前報(bào)道的ZnO基光電導(dǎo)探測(cè)器提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)(Advanced Materials，2011，23，649)。顯然異質(zhì)結(jié)型的紫外光電器件通常具有高的光電性能，尤其是可以提高器件的光電響應(yīng)速度。隨著現(xiàn)代光通信技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)有高靈敏度，快速光響應(yīng)的光電探測(cè)器需求也日益增長(zhǎng)。由于在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)內(nèi)部的強(qiáng)大內(nèi)建電場(chǎng)能快速分離光生載流子，因此，具有強(qiáng)大內(nèi)建電場(chǎng)的異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器成為了研究熱點(diǎn)。

此外，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中也存在著側(cè)向光伏效應(yīng)，而且側(cè)向光伏電壓的大小與光照位置間存在著高度的線性依賴關(guān)系，使得側(cè)向光伏效應(yīng)在位敏傳感器中具有重要的應(yīng)用。截止目前，尚未有同時(shí)兼具自驅(qū)動(dòng)紫外光電傳感器和位敏傳感器材料器件的制備及研究，這主要是由于基于p-n結(jié)原理的p型寬禁帶半導(dǎo)體的工藝比較復(fù)雜、難以工業(yè)化制備，故而無(wú)法實(shí)現(xiàn)以寬禁帶半導(dǎo)體為核心的兼具紫外光電探測(cè)器和位敏傳感器的器件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有紫外光電探測(cè)器的響應(yīng)速度較慢，未有同時(shí)兼具自驅(qū)動(dòng)紫外光電傳感器和位敏傳感器材料器件的問(wèn)題，而提供一種基于寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料及制備方法和在自驅(qū)動(dòng)式紫外光電探測(cè)器和位敏傳感器中的應(yīng)用。

本發(fā)明基于稀土鎳酸鹽-鈮摻雜鈦酸鍶的異質(zhì)結(jié)材料具有p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，在n型鈮摻雜鈦酸鍶(Nb:SrTiO₃)基片上采用激光脈沖沉積有厚度為5～20nm的p型鎳酸鹽氧化物層，其中所述的p型鎳酸鹽氧化物為鎳酸釹(NdNiO₃)、鎳酸釤(SmNiO₃)或鎳酸釓(GdNiO₃)。

本發(fā)明基于稀土鎳酸鹽-鈮摻雜鈦酸鍶的異質(zhì)結(jié)材料的傳感器制備方法按下列步驟實(shí)現(xiàn)：

一、按照化學(xué)計(jì)量比為1∶2將稀土氧化物和NiO粉末充分混合，混合粉末壓片成型，然后在900～1000℃下燒結(jié)預(yù)處理，再在高純氧氣(99.9995％)氣氛中以1100～1400℃的溫度燒結(jié)處理，得到稀土鎳酸鹽氧化物靶材；