基于宽禁带氧化物半导体的紫外测试仪研制

尹 博， 李 昕， 解天骄， 郑连陞， 刘彩霞

(吉林大学电子科学与工程学院，长春130012)

0 引言

近年来，紫外光电探测在国防科技、工业生产、环境保护等方面发挥了巨大作用［1-6］。全球范围内人工智能成为热门新领域，如无人驾驶汽车和无人机已在小范围地区开始试用，传感技术尤其是光电传感展现出一定的应用价值，因为这类智能产品需随时检测天气和环境，紫外线强度也是其中的重要部分［7］。如果紫外探测仪能够产品化并结合到这些产品的研发和生产中，定能在这些领域得到巨大的市场份额。

本文采用溶胶凝胶法［8-10］和磁控溅射法［11-13］制作了夹层式MSM型［14］紫外探测器芯片，并通过设计外围电路［15］及封装实现了一款稳定性好、灵敏度高、成本较低的便携式紫外测试仪，为紫外测试仪在便携化和市场化方面开启了新途径。

1 材料与探测器制作

将钛酸四丁酯、醋酸、乙酰丙酮、蒸馏水各10 mL依次加入100 mL乙醇中。在此过程中持续搅拌，每两种物质的添加间隔1 h，再静置24 h，得到TiO2溶胶凝胶。在Si片衬底上以3 000 r/min，20 s旋涂溶胶，100℃下烘干。重复上述旋涂-烘干步骤4次后在650℃下退火2.5 h，并自然降至室温，得到TiO2薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)表征薄膜，如图1所示，2θ=25.3°附近有一明显吸收峰，分析确定其对应锐钛矿型TiO2的(101)晶向，说明所得为锐钛矿相TiO2。通过XPS测试薄膜表面的化学元素组成，得到O1s电子能谱(图2(a))和Ti2p电子能谱(图2(b))。O1s谱带中，531.9 eV和529.4 eV两处特征峰分别对应薄膜表面的吸附氧和晶格氧。Ti2p谱中，458.3 eV和464 eV两处特征峰分别对应Ti2p3/2电子和Ti2p1/2电子。从图3紫外吸收谱(UV-vis)可见，TiO2薄膜只吸收紫外光，并且效果良好，在325 nm附近显示出明显的吸收边。

图1 TiO2纳米薄膜的XRD测试图

图2 TiO2薄膜的XPS谱

图3 TiO2薄膜的紫外吸收谱

用旋涂法在TiO2薄膜上制备一层光刻胶，并在掩膜版的遮蔽下曝光，在TiO2薄膜上得到带有插指图案的光刻胶，再采用磁控溅射法在TiO2/光刻胶上溅射Pt电极，丙酮中进行超声剥离光刻胶后，TiO2薄膜上形成插指电极(见图4)。以同样参数在所得TiO2/Pt插指电极上旋涂一层TiO2溶胶，650℃，2.5 h烧结，得到TiO2/Pt插指电极/TiO2夹层结构MSM型紫外探测芯片。将该芯片与底座相连，得到氧化物半导体紫外探测器件(见图5)。

图4 紫外探测器件的插指结构

图5 紫外探测器件成品

2 氧化物半导体紫外测试仪的设计与制作

本检测系统基于模拟光电变换原理，主要由紫外探测器件和外围检测电路组成(见图6)。将紫外探测器件与一个阻值与其处于同一数量级上的电阻R串联，并接到一个5 V电压源两端，用检测电路进行监测电阻R两端电压，并经过计算显示光强值。本实验中的测试光源为氙灯。使一束光入射到器件表面，改变照射到器件上的光强，从而得到不同强度P的紫外光与电阻R两端的电压U之间的关系。经过多次实验，得到了电路中串联电阻R两端的电压随入射光强P变化的关系，如图7(a)所示，经拟合后的曲线如图7(b)所示，最终拟合方程如下:

图6 紫外测试仪的工作原理

图7 电阻两端的电压U随光强P变化关系图

经分析，这是由于紫外光照射到器件上，一方面激发光电流使串联电阻中的电流增大;另一方面器件自身阻值变小，分压减小，这两种效果的同时作用使得R两端的电压增大。

外围电路用来将串联电阻两端的电压随入射紫外光强变化而变化的关系用功能电路展现出来，使得液晶显示屏上能够显示出入射的紫外光强。工作原理如图8所示，测得电阻R两端电压后经AD转换变为数字信号，输入单片机中进行处理，经过计算后，通过液晶显示模块进行光强显示。实验中，选用AT89C52型单片机为数字处理单元，TN型LCD用作显示屏。以PCB版作为支撑，连接单片机和显示屏，完成了外围检测电路。实验中，通过向单片机输入电路的串联电阻两端电压和入射紫外光的强度之间的关系，以达到测试仪检测入射光信号强度的目的。

使用4节1.5 V的干电池为紫外探测器和串联电阻提供电压，并将带有电源的外围电路封装起来，最终得到一款稳定性好、功能完备的半导体紫外测试仪，如图9所示。

图8 数字信号处理系统原理

图9 TiO2紫外测试仪成品

3 实验结果分析

将所得拟合方程输入外围检测电路模块的MCU中，并将该实验中制作的紫外测试仪与紫外辐照计在相同条件下对同样的紫外光进行测量，并将测试仪的显示结果与紫外辐照计的测试结果进行比较(图10)。从图10中可以看出，本实验所制作的紫外测试仪对紫外光的测试结果和紫外辐照计相比，相差不到2%，说明该测试仪性能良好，能够达到所需要的测量精度。

图10 TiO2紫外测试仪与紫外辐照计的探测对比图

通过大量的测试可以确定，该紫外测试仪反应灵敏，对于高强度和低强度的紫外辐射都能进行准确的探测，测量结果如图11所示。

图11 不同紫外光强度下性能测试图

4 结语

以宽禁带氧化物半导体基夹层式MSM型紫外探测芯片为中心，研发了一款紫外测试仪。夹层式MSM型紫外探测芯片不仅能够实现对电极的保护封装，还能提高自身的稳定性。该芯片使照射到器件上的不同强度紫外光转化为相应的电信号，将电信号输入本文所设计的外围电路中并通过数字系统加以处理，能够实现对入射紫外光强度的检测与显示。通过大量的实验测试，本文所制备的紫外测试仪测量精度高，准确度高，并且具有成本低，易于集成的市场化优势。