基于寬禁帶氧化物半導(dǎo)體的紫外測(cè)試儀研制

尹 博， 李 昕， 解天驕， 鄭連陞， 劉彩霞

(吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

0 引言

近年來，紫外光電探測(cè)在國(guó)防科技、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮了巨大作用［1-6］。全球范圍內(nèi)人工智能成為熱門新領(lǐng)域，如無人駕駛汽車和無人機(jī)已在小范圍地區(qū)開始試用，傳感技術(shù)尤其是光電傳感展現(xiàn)出一定的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)檫@類智能產(chǎn)品需隨時(shí)檢測(cè)天氣和環(huán)境，紫外線強(qiáng)度也是其中的重要部分［7］。如果紫外探測(cè)儀能夠產(chǎn)品化并結(jié)合到這些產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)中，定能在這些領(lǐng)域得到巨大的市場(chǎng)份額。

本文采用溶膠凝膠法［8-10］和磁控濺射法［11-13］制作了夾層式MSM型［14］紫外探測(cè)器芯片，并通過設(shè)計(jì)外圍電路［15］及封裝實(shí)現(xiàn)了一款穩(wěn)定性好、靈敏度高、成本較低的便攜式紫外測(cè)試儀，為紫外測(cè)試儀在便攜化和市場(chǎng)化方面開啟了新途徑。

1 材料與探測(cè)器制作

將鈦酸四丁酯、醋酸、乙酰丙酮、蒸餾水各10 mL依次加入100 mL乙醇中。在此過程中持續(xù)攪拌，每?jī)煞N物質(zhì)的添加間隔1 h，再靜置24 h，得到TiO2溶膠凝膠。在Si片襯底上以3 000 r/min，20 s旋涂溶膠，100℃下烘干。重復(fù)上述旋涂-烘干步驟4次后在650℃下退火2.5 h，并自然降至室溫，得到TiO2薄膜。采用X射線衍射儀(XRD)表征薄膜，如圖1所示，2θ=25.3°附近有一明顯吸收峰，分析確定其對(duì)應(yīng)銳鈦礦型TiO2的(101)晶向，說明所得為銳鈦礦相TiO2。通過XPS測(cè)試薄膜表面的化學(xué)元素組成，得到O1s電子能譜(圖2(a))和Ti2p電子能譜(圖2(b))。O1s譜帶中，531.9 eV和529.4 eV兩處特征峰分別對(duì)應(yīng)薄膜表面的吸附氧和晶格氧。Ti2p譜中，458.3 eV和464 eV兩處特征峰分別對(duì)應(yīng)Ti2p3/2電子和Ti2p1/2電子。從圖3紫外吸收譜(UV-vis)可見，TiO2薄膜只吸收紫外光，并且效果良好，在325 nm附近顯示出明顯的吸收邊。

圖1 TiO2納米薄膜的XRD測(cè)試圖

圖2 TiO2薄膜的XPS譜

圖3 TiO2薄膜的紫外吸收譜

用旋涂法在TiO2薄膜上制備一層光刻膠，并在掩膜版的遮蔽下曝光，在TiO2薄膜上得到帶有插指圖案的光刻膠，再采用磁控濺射法在TiO2/光刻膠上濺射Pt電極，丙酮中進(jìn)行超聲剝離光刻膠后，TiO2薄膜上形成插指電極(見圖4)。以同樣參數(shù)在所得TiO2/Pt插指電極上旋涂一層TiO2溶膠，650℃，2.5 h燒結(jié)，得到TiO2/Pt插指電極/TiO2夾層結(jié)構(gòu)MSM型紫外探測(cè)芯片。將該芯片與底座相連，得到氧化物半導(dǎo)體紫外探測(cè)器件(見圖5)。

圖4 紫外探測(cè)器件的插指結(jié)構(gòu)

圖5 紫外探測(cè)器件成品

2 氧化物半導(dǎo)體紫外測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與制作

本檢測(cè)系統(tǒng)基于模擬光電變換原理，主要由紫外探測(cè)器件和外圍檢測(cè)電路組成(見圖6)。將紫外探測(cè)器件與一個(gè)阻值與其處于同一數(shù)量級(jí)上的電阻R串聯(lián)，并接到一個(gè)5 V電壓源兩端，用檢測(cè)電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)電阻R兩端電壓，并經(jīng)過計(jì)算顯示光強(qiáng)值。本實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試光源為氙燈。使一束光入射到器件表面，改變照射到器件上的光強(qiáng)，從而得到不同強(qiáng)度P的紫外光與電阻R兩端的電壓U之間的關(guān)系。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，得到了電路中串聯(lián)電阻R兩端的電壓隨入射光強(qiáng)P變化的關(guān)系，如圖7(a)所示，經(jīng)擬合后的曲線如圖7(b)所示，最終擬合方程如下:

圖6 紫外測(cè)試儀的工作原理

圖7 電阻兩端的電壓U隨光強(qiáng)P變化關(guān)系圖

經(jīng)分析，這是由于紫外光照射到器件上，一方面激發(fā)光電流使串聯(lián)電阻中的電流增大;另一方面器件自身阻值變小，分壓減小，這兩種效果的同時(shí)作用使得R兩端的電壓增大。

外圍電路用來將串聯(lián)電阻兩端的電壓隨入射紫外光強(qiáng)變化而變化的關(guān)系用功能電路展現(xiàn)出來，使得液晶顯示屏上能夠顯示出入射的紫外光強(qiáng)。工作原理如圖8所示，測(cè)得電阻R兩端電壓后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，輸入單片機(jī)中進(jìn)行處理，經(jīng)過計(jì)算后，通過液晶顯示模塊進(jìn)行光強(qiáng)顯示。實(shí)驗(yàn)中，選用AT89C52型單片機(jī)為數(shù)字處理單元，TN型LCD用作顯示屏。以PCB版作為支撐，連接單片機(jī)和顯示屏，完成了外圍檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)中，通過向單片機(jī)輸入電路的串聯(lián)電阻兩端電壓和入射紫外光的強(qiáng)度之間的關(guān)系，以達(dá)到測(cè)試儀檢測(cè)入射光信號(hào)強(qiáng)度的目的。

使用4節(jié)1.5 V的干電池為紫外探測(cè)器和串聯(lián)電阻提供電壓，并將帶有電源的外圍電路封裝起來，最終得到一款穩(wěn)定性好、功能完備的半導(dǎo)體紫外測(cè)試儀，如圖9所示。

圖8 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)原理

圖9 TiO2紫外測(cè)試儀成品

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將所得擬合方程輸入外圍檢測(cè)電路模塊的MCU中，并將該實(shí)驗(yàn)中制作的紫外測(cè)試儀與紫外輻照計(jì)在相同條件下對(duì)同樣的紫外光進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)試儀的顯示結(jié)果與紫外輻照計(jì)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較(圖10)。從圖10中可以看出，本實(shí)驗(yàn)所制作的紫外測(cè)試儀對(duì)紫外光的測(cè)試結(jié)果和紫外輻照計(jì)相比，相差不到2%，說明該測(cè)試儀性能良好，能夠達(dá)到所需要的測(cè)量精度。

圖10 TiO2紫外測(cè)試儀與紫外輻照計(jì)的探測(cè)對(duì)比圖

通過大量的測(cè)試可以確定，該紫外測(cè)試儀反應(yīng)靈敏，對(duì)于高強(qiáng)度和低強(qiáng)度的紫外輻射都能進(jìn)行準(zhǔn)確的探測(cè)，測(cè)量結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同紫外光強(qiáng)度下性能測(cè)試圖

4 結(jié)語

以寬禁帶氧化物半導(dǎo)體基夾層式MSM型紫外探測(cè)芯片為中心，研發(fā)了一款紫外測(cè)試儀。夾層式MSM型紫外探測(cè)芯片不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電極的保護(hù)封裝，還能提高自身的穩(wěn)定性。該芯片使照射到器件上的不同強(qiáng)度紫外光轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，將電信號(hào)輸入本文所設(shè)計(jì)的外圍電路中并通過數(shù)字系統(tǒng)加以處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射紫外光強(qiáng)度的檢測(cè)與顯示。通過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文所制備的紫外測(cè)試儀測(cè)量精度高，準(zhǔn)確度高，并且具有成本低，易于集成的市場(chǎng)化優(yōu)勢(shì)。