聚合物表面修饰高性能紫外光探测器的研究

Ultraviolet detector is an important branch of modern sensor ,wide bandgap semiconductor provide a new field for the study of the UV detector. To improve the response time and the responsibility of the TiO2 nanofilm UV detector,we modified the surface of the film by PEI. This leads to a larger photocurrent,lower dark current,higher responsibility and shorter response time. Meantime,XPS and UPS are used to monitor the chemical composition,element information and the energy level of the vacuum of the surface. Combined with the experimental results ,the principle of the surface modification is studied to find the more effective method to improve the performance of the device. Then we can lead to an innovation and breakthrough in the study of oxide semiconductor UV detector,provide a high performance TiO2 thin film UV detector with MSM Schottky barrier structures. It is anticipated that the responsibility of the device which surface has been modified will be improved by 50 times,the photo-to-dark current ration will be improved 4 orders,the dark current of the devices will be less than 1nA,and the response time will be less than 5ms.

紫外光电探测器可应用于军事和民用领域。本项目采用聚合物聚乙烯亚胺PEI对TiO2纳米薄膜表面进行修饰，通过反应性很强的伯胺和仲胺与半导体薄膜表面悬挂键发生反应，减少表面态，减小表面漏电流，从而达到降低暗电流的目的。 聚乙烯亚胺的极性基团（氨基）与处理后半导体表面的羟基形成“偶极子”，降低金-半接触之后形成的肖特基势垒高度，形成大的光电流，提高响应度。同时，采用XPS和UPS对薄膜表面进行化学成分、元素信息及表面真空能级等测试，结合实验结果，对表面修饰在紫外探测器中的作用机理进行研究，进而找到更有效的提高器件性能的处理方法，争取在氧化物半导体紫外探测器的研究上取得创新与突破，制备出高性能的以TiO2纳米薄膜为敏感材料、MSM肖特基势垒结构的紫外探测器。预期通过表面修饰后器件响应度比未经修饰器件提高50倍，光暗电流比提高4个数量级以上,在5V偏压下暗电流小于1nA，响应时间小于5ms。

21世纪，人类已经进入信息时代，传感器技术作为系统测控和研究对象的接口位置，是人们得到信息的重要媒介。紫外探测器是现代传感器的重要分支之一，是将紫外辐射能转换为电能或者其他易于测量的物理量的器件。近年来，紫外探测技术发展迅速，并且在军用和民用领域得到广泛应用，这类探测器的技术关键是研制高灵敏度、高响应度和低噪声的紫外探测器。. 本项目的主要目的是通过表面修饰提高氧化物半导体紫外光探测器的性能。在金-半接触中，势垒高度很大程度上受到表面态的影响，本项目通过采用带有极性基团（氨基）的聚合物来对氧化物半导体表面进行修饰，降低金属-半导体接触的肖特基势垒高度，使光电流增大，光响应度提高，响应时间减小；同时，减少半导体表面悬挂键，减小表面态，抑制表面漏电流，从而使暗电流减小。. 本项目已按计划进行研究并完成了任务和指标，修饰后的器件响应度最高可达1594A/W，相比于未修饰的纯TiO2器件提高了33倍，光暗电流比达到2.16×105，响应波长范围为250-325nm，5V偏压下的暗电流为0.43nA，响应时间为3.8ms。 项目进行过程中，共发表高水平SCI论文6篇，申请发明专利4项，其中1项获得授权。获得吉林省科学技术一等奖1项。本项目详细研究了聚合物表面修饰对器件性能的影响，解释了光电流、响应度和响应时间等性能参数提高的具体机理，为提高紫外探测器性能提供了一种新途径。