利用MOCVD在Si襯底上制備立方相Mg0.25Zn0.75O 薄膜及日盲探測器

王立昆，單崇新，申德振，張振中

(1中國科學(xué)院長春光機所凝聚態(tài)物理實驗室，吉林長春，130033;2河北科技師范學(xué)院)

近年來，紫外波段尤其在日盲區(qū)(280～220 nm)工作的光電探測器件研制已在世界發(fā)達(dá)國家相繼開始，并通過探測導(dǎo)彈、火箭尾煙的熱輻射和熒光輻射來實現(xiàn)紫外告警研究取得重大進(jìn)展。另外，它在電暈檢測、火災(zāi)探測、紫外通訊和紫外天文學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用［1～4］。寬禁帶半導(dǎo)體材料基探測器，由于沒有對可見光的響應(yīng)，可以在室溫下工作，得到人們越來越多的關(guān)注。目前，受到關(guān)注的寬帶隙半導(dǎo)體材料包括4H-SiC，Diamond，GaN/GaAlN，ZnO/MgZnO，Ga2O3等。其中，MgZnO材料具有獨特的優(yōu)點，如大的可調(diào)諧的帶隙(3.3～7.8 eV)和較低的生長溫度(100～750℃)。此外，環(huán)保和生物相容性的特點使MgZnO合金更具吸引力［5～9］。2008年，Ju等［10］首次實現(xiàn)了MSM結(jié)構(gòu)的MgZnO日盲紫外探測器，光響應(yīng)峰值在220～260 nm，幾乎覆蓋了整個日盲波段。

由于P型ZnO(MgZnO)材料的制備上的困難，極大的限制了MgZnO基同質(zhì)結(jié)型探測器件的研究進(jìn)展。Si基異質(zhì)結(jié)型器件具有成本低，易于實現(xiàn)與Si工藝集成等特點而受到關(guān)注［11～14］。筆者利用MOCVD 方法在 Si襯底上生長了立方相 Mg0.25Zn0.75O 薄膜，研制出垂直結(jié)構(gòu)的 Mg0.25Zn0.75O/n-Si異質(zhì)結(jié)探測器。器件具備良好的整流效應(yīng)，在0 V偏壓下的峰值響應(yīng)位于約280 nm，具備日盲探測能力。

1 材料生長

選用N型Si(100)作為襯底，Si襯底的清洗過程:(1)丙酮超聲清洗5 min;(2)乙醇超聲清洗5 min后，去離子水反復(fù)沖洗;(3)利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30的HF酸溶液浸泡10 min后，用高純度干燥N2吹干。

利用MOCVD技術(shù)，在襯底上進(jìn)行了Mg0.25Zn0.75O薄膜的生長。生長過程如下:

生長室壓力設(shè)定在2×104Pa，生長溫度設(shè)定在450℃，本次研究選用的金屬有機源分別為二乙基鋅(DEZn)和二甲基二茂鎂(BCp2Mg)，源溫分別控制在5℃和50℃。氧源選用高純氧(O2的體積分?jǐn)?shù)為0.999 99)，而載氣選擇高純N2，二乙基鋅流量設(shè)定為25 mL/min，二甲基二茂鎂流量設(shè)定為50 mL/min。O2流量分別設(shè)定為550 mL/min。

本次研究對生長的薄膜進(jìn)行了X射線衍射測試，測試結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看到，通過查找PDF 卡片，位于36.7°的峰對應(yīng)于 Mg0.25Zn0.75O 薄膜的(111)衍射峰。位于42.6°的衍射峰對應(yīng)于(200)取向，位于61.7°的對應(yīng)于(220)取向。這說明薄膜具備立方相結(jié)構(gòu)，并且具有3個取向。由于Si襯底和薄膜的晶格常數(shù)相差比較大，存在著大的晶格失配度，這樣導(dǎo)致了Mg0.25Zn0.75O薄膜的多個取向。通過對薄膜的(111)衍射峰的高斯線形擬合，(111)衍射峰的半高寬僅為0.2°，這說明 Mg0.25Zn0.75O薄膜在(111)取向上的結(jié)晶質(zhì)量還是比較不錯的。

圖1 Si襯底上生長的Mg0.25Zn0.75O薄膜的X射線衍射圖

本次研究對薄膜進(jìn)行了能譜色散譜儀(EDS)測試，Mg在合金薄膜中的組分為0.25。根據(jù)公式，

其中，Eg(MgZnO)為合金薄膜的帶隙寬度，X為薄膜中 Zn的組分［15］。Eg(ZnO)為 ZnO的帶隙，取為3.37 eV;Eg(MgO)為 MgO 的帶隙，取為 7.8 eV。通過計算，得到 Mg0.25Zn0.75O 合金薄膜的帶隙寬度為4.48 eV，對應(yīng)于波長為276 nm。

2 器件制備及分析

對在Si襯底上生長的Mg0.25Zn0.75O薄膜，進(jìn)行了如下的器件制備。具體工藝過程如下:首先在薄膜表面利用DMD-450型鍍膜機通過熱蒸鍍方法蒸上圓形Au電極，直徑約為1 mm。然后，在Si側(cè)通過熱蒸鍍方法蒸In點極，引出導(dǎo)線?；贛g0.25Zn0.75O/n-Si異質(zhì)結(jié)型探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示。測量過程中，光從 Mg0.25Zn0.75O 側(cè)入射。

本次研究利用Lakeshore’s 7707型霍爾效應(yīng)測量系統(tǒng)對制備的器件進(jìn)行了電學(xué)特性測試。圖2(b)所示的是器件的IV特性曲線，從圖中可以看到，器件具備明顯的整流特性，正向開啟電壓約為2 V。在反向偏壓下，器件暗電流隨著電壓的增加沒有增加，呈截止特性，擊穿電壓大于20 V。在－5 V偏壓下，器件暗電流為0.02 mA。器件出現(xiàn)的整流效應(yīng)歸因于Mg0.25Zn0.75O和n-Si之間形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

本次研究利用自搭建的光譜響應(yīng)的測量系統(tǒng)進(jìn)行光響應(yīng)度測試。由150 W氙燈所發(fā)出的白光，經(jīng)過單色儀后，變成了矩形脈沖光。斬波器的頻率控制在150 Hz。待測試的器件與一個取樣電阻相串聯(lián)，其阻值為7.5 kΩ。當(dāng)器件產(chǎn)生的光生電流在流過取樣電阻時，通過鎖相放大器來測量電阻兩端電壓變化，并輸入到記錄儀中被記錄。從圖3中，可以看到，在0 V偏壓下，器件的響應(yīng)譜線在大約280 nm處出現(xiàn)了峰值，響應(yīng)度為1.2 mA/W，主要來自于Mg0.25Zn0.75O側(cè)。然而，器件的紫外可見抑制比為一個數(shù)量級。當(dāng)器件處于－1 V的反偏壓時，可以看到器件的響應(yīng)度有了整體上的提高，達(dá)到約8.0 mA/W，這是由于隨著反向偏壓的增加，使得電荷耗盡層展寬，更多的電子空穴對分離，產(chǎn)生更大的光電流。在大約300 nm處出現(xiàn)了明顯的截止邊，響應(yīng)的光譜特性有所改善。因為Si和Mg0.25Zn0.75O晶格不匹配，導(dǎo)致在生長過程中，在界面處產(chǎn)生大量缺陷而引入深能級，導(dǎo)致器件的光譜響應(yīng)截止特性比較弱。

圖2 基于Mg0.25Zn0.75O/n-Si異質(zhì)結(jié)型探測器結(jié)構(gòu)示意圖(a)，器件的暗電流特性曲線(b)

圖 3 Mg0.25Zn0.75O/n-Si異質(zhì)結(jié)型探測器的響應(yīng)譜

3 結(jié)論與討論

利用MOCVD技術(shù)在Si襯底上生長了立方相Mg0.25Zn0.75O薄膜，薄膜具備了(100)，(110)和(111)多重取向，在(111)方向上結(jié)晶質(zhì)量較高。利用熱蒸鍍等工藝制備了Mg0.25Zn0.75O/n-Si異質(zhì)結(jié)型的探測器件。通過電學(xué)特性測試，發(fā)現(xiàn)器件具備明顯的整流效應(yīng)。在－5 V偏壓下，器件暗電流為0.02 mA。器件在0 V下響應(yīng)峰值位于大約280 nm處，響應(yīng)度為1.2 mA/W。下一步工作:由于本器件暗電流較大，光譜響應(yīng)抑制比不高，筆者將在Si與Mg0.25Zn0.75O界面插入介電層，如MgO，改善器件整流效應(yīng)，提高響應(yīng)能力。

致謝:這項工作是在“973”項目Nos.2008CB317105和2006CB604906，以及中國科學(xué)院自然科學(xué)知識創(chuàng)新基金項目No.KJCX3.SYW.W01的支撐下完成的;另外，感謝河北科技師范學(xué)院分析測試中心的技術(shù)支持。

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(責(zé)任編輯:朱寶昌)