基于寬禁帶氧化物半導體的紫外測試儀研制

尹 博， 李 昕， 解天驕， 鄭連陞， 劉彩霞

(吉林大學電子科學與工程學院，長春130012)

0 引言

近年來，紫外光電探測在國防科技、工業生產、環境保護等方面發揮了巨大作用［1-6］。全球范圍內人工智能成為熱門新領域，如無人駕駛汽車和無人機已在小范圍地區開始試用，傳感技術尤其是光電傳感展現出一定的應用價值，因為這類智能產品需隨時檢測天氣和環境，紫外線強度也是其中的重要部分［7］。如果紫外探測儀能夠產品化并結合到這些產品的研發和生產中，定能在這些領域得到巨大的市場份額。

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］紫外探測器芯片，并通過設計外圍電路［15］及封裝實現了一款穩定性好、靈敏度高、成本較低的便攜式紫外測試儀，為紫外測試儀在便攜化和市場化方面開啟了新途徑。

1 材料與探測器制作

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。在此過程中持續攪拌，每兩種物質的添加間隔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，分析確定其對應銳鈦礦型TiO2的(101)晶向，說明所得為銳鈦礦相TiO2。通過XPS測試薄膜表面的化學元素組成，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兩處特征峰分別對應薄膜表面的吸附氧和晶格氧。Ti2p譜中，458.3 eV和464 eV兩處特征峰分別對應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)。以同樣參數在所得TiO2/Pt插指電極上旋涂一層TiO2溶膠，650℃，2.5 h燒結，得到TiO2/Pt插指電極/TiO2夾層結構MSM型紫外探測芯片。將該芯片與底座相連，得到氧化物半導體紫外探測器件(見圖5)。

圖4 紫外探測器件的插指結構

圖5 紫外探測器件成品

2 氧化物半導體紫外測試儀的設計與制作

本檢測系統基于模擬光電變換原理，主要由紫外探測器件和外圍檢測電路組成(見圖6)。將紫外探測器件與一個阻值與其處于同一數量級上的電阻R串聯，并接到一個5 V電壓源兩端，用檢測電路進行監測電阻R兩端電壓，并經過計算顯示光強值。本實驗中的測試光源為氙燈。使一束光入射到器件表面，改變照射到器件上的光強，從而得到不同強度P的紫外光與電阻R兩端的電壓U之間的關系。經過多次實驗，得到了電路中串聯電阻R兩端的電壓隨入射光強P變化的關系，如圖7(a)所示，經擬合后的曲線如圖7(b)所示，最終擬合方程如下:

圖6 紫外測試儀的工作原理

圖7 電阻兩端的電壓U隨光強P變化關系圖

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

外圍電路用來將串聯電阻兩端的電壓隨入射紫外光強變化而變化的關系用功能電路展現出來，使得液晶顯示屏上能夠顯示出入射的紫外光強。工作原理如圖8所示，測得電阻R兩端電壓后經AD轉換變為數字信號，輸入單片機中進行處理，經過計算后，通過液晶顯示模塊進行光強顯示。實驗中，選用AT89C52型單片機為數字處理單元，TN型LCD用作顯示屏。以PCB版作為支撐，連接單片機和顯示屏，完成了外圍檢測電路。實驗中，通過向單片機輸入電路的串聯電阻兩端電壓和入射紫外光的強度之間的關系，以達到測試儀檢測入射光信號強度的目的。

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

圖8 數字信號處理系統原理

圖9 TiO2紫外測試儀成品

3 實驗結果分析

將所得擬合方程輸入外圍檢測電路模塊的MCU中，并將該實驗中制作的紫外測試儀與紫外輻照計在相同條件下對同樣的紫外光進行測量，并將測試儀的顯示結果與紫外輻照計的測試結果進行比較(圖10)。從圖10中可以看出，本實驗所制作的紫外測試儀對紫外光的測試結果和紫外輻照計相比，相差不到2%，說明該測試儀性能良好，能夠達到所需要的測量精度。

圖10 TiO2紫外測試儀與紫外輻照計的探測對比圖

通過大量的測試可以確定，該紫外測試儀反應靈敏，對于高強度和低強度的紫外輻射都能進行準確的探測，測量結果如圖11所示。

圖11 不同紫外光強度下性能測試圖

4 結語

以寬禁帶氧化物半導體基夾層式MSM型紫外探測芯片為中心，研發了一款紫外測試儀。夾層式MSM型紫外探測芯片不僅能夠實現對電極的保護封裝，還能提高自身的穩定性。該芯片使照射到器件上的不同強度紫外光轉化為相應的電信號，將電信號輸入本文所設計的外圍電路中并通過數字系統加以處理，能夠實現對入射紫外光強度的檢測與顯示。通過大量的實驗測試，本文所制備的紫外測試儀測量精度高，準確度高，并且具有成本低，易于集成的市場化優勢。