電極寬度對(duì)ZnO基MSM紫外光電探測(cè)器性能的影響

李健?孫娥?金禮南?裴佳楠?蔣大勇

摘 要：利用射頻磁控濺射技術(shù)，選用靶材為ZnO陶瓷靶材，在石英襯底上制備ZnO 薄膜。并且制備了叉指電極，指寬分別為 3μm、5μm、8μm的金屬-半導(dǎo)體-金屬型紫外光電探測(cè)器，研究了不同指寬對(duì)探測(cè)器性能的影響。結(jié)果表明：指寬為3 um的探測(cè)器響應(yīng)性能明顯高于其它兩種類型探測(cè)器。

關(guān)鍵詞：ZnO薄膜；射頻磁控濺射；不同電極寬度；MSM型紫外光電探測(cè)器

近年來， 由于紫外光電子器件廣闊的應(yīng)用前景，寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO已經(jīng)引起了人們廣泛的關(guān)注. ZnO是一種新型的直接寬隙II-VI 族化合物半導(dǎo)體材料， 晶體結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其室溫禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV。ZnO原材料資源豐富、價(jià)格低廉、無毒無污染、制備工藝簡(jiǎn)單。ZnO具有高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此是制作紫外光電探測(cè)器的理想材料。在軍事、民用等方面有著巨大的應(yīng)用前途。近年來，科研工作者們分別采用金屬有機(jī)氣相沉積法（MOCVD）、激光脈沖沉積法（PLD）、分子束外延法（MBE）等方法制備了不同類型的ZnO合金薄膜[3-5]。采用射頻磁控濺射法制備ZnO薄膜材料時(shí)，其襯底材料選擇為石英襯底，濺射反應(yīng)氣體則為氬氣、氧氣一定比例的混合氣體，這種ZnO薄膜制備方法研究較少，尤其是不同指寬對(duì)紫外光電探測(cè)器性能的影響方面研究。

本文利用射頻磁控濺射方法，用氧氣和氬氣作為濺射氣體在石英襯底上制備了ZnO薄膜，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析研究。通過射頻磁控濺射所成的ZnO薄膜會(huì)具有良好的致密性和均勻性，有利于得到高質(zhì)量的ZnO薄膜。通過測(cè)試分析不同類型的探測(cè)器的光響應(yīng)光譜，得出最優(yōu)指寬的叉指型電極。

一、實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用射頻磁控濺射方法在石英襯底上制備ZnO 薄膜。所使用的靶材是純度99.99%的ZnO陶瓷靶材。石英襯底分別用酒精，丙酮，去離子水超聲清洗五分鐘，然后使用氮?dú)獯蹈?，待吹干后立即放入薄膜生長腔體。使用分子泵將薄膜生長腔體內(nèi)真空抽到5×10-4Pa，之后把純度為99.999%的氬氣和氧氣通入到生長腔體，氣體流量分別設(shè)為50sccm、50sccm，濺射功率控制在110W，薄膜的生長溫度控制在673K，石英襯底轉(zhuǎn)數(shù)控制在8r/min，薄膜生長過程中生長腔體內(nèi)的的壓強(qiáng)保持在5Pa。薄膜的生長時(shí)間為2h。同樣使用射頻磁控濺射的方法在ZnO 薄膜上表面濺射生長約100nm后的Au，使用光刻的方法刻出叉指型電極。指間距均為5μm，制備出指寬分別為 3μm、5μm、8μm的紫外光電探測(cè)器。

二、結(jié)果與討論

圖1 所示為利用射頻磁控濺射方法，用ZnO靶材生長的ZnO薄膜的X 射線衍射（XRD）圖譜。圖中在34.44°處有一個(gè)高強(qiáng)度的尖銳的衍射峰，對(duì)應(yīng)于六角纖鋅礦ZnO晶體的（002）取向。XRD 的半高寬對(duì)于樣品的晶體質(zhì)量來說是一個(gè)有力的表征手段。在得到半高寬值為0.25°后，可以通過下面的公式計(jì)算得到平均晶粒尺寸d 即

d = 0.94λ/B cosθ （1）

式中d 是晶粒的平均尺寸，λ是波長（1.54?），測(cè)B是衍射峰半高寬度，θ是Bragg 衍射角。通過計(jì)算晶粒的直徑為213.2nm，大的晶粒尺寸有利于減少晶粒的界面和表面缺陷，從而形成高質(zhì)量的ZnO薄膜，這對(duì)于制備高性能紫外光電探器件是積極有益的。

圖2 ZnO基MSM光電探測(cè)器件結(jié)構(gòu)示意圖，通過濕法刻蝕得到Au電極，為了研究電極寬度對(duì)器件性能的影響，我們制備了電極寬度 h 分別為3，5，8μm的ZnO基MSM光電探測(cè)器。

圖3 所示為指寬分別為 3μm 的ZnO基MSM型紫外光電探測(cè)器在1-7 V 偏壓下的響應(yīng)圖譜。由圖可見隨著電壓的增大，器件的響應(yīng)度逐漸上升。響應(yīng)圖譜中截止邊清晰，呈直線型。圖3 所示為指寬分別為 3μm、5μm、8μm 的ZnO基MSM型紫外光電探測(cè)器在5 V 偏壓下的響應(yīng)圖譜。圖2中3個(gè)器件的響應(yīng)峰值均位于380nm。指寬為3μm的探測(cè)器響應(yīng)度最高達(dá)到0.058 A/W，5μm的探測(cè)器響應(yīng)度最高達(dá)到0.041 A/W，8μm的探測(cè)器響應(yīng)度最高達(dá)到0.03 A/W。本文中由于外加電場(chǎng)恒定為5 V，若增大指寬，則落于叉指電極間電阻上的電壓增大，會(huì)使耗盡區(qū)上的分壓減小，耗盡區(qū)會(huì)比窄叉指電極的情況下變窄。MSM 結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的有效光響應(yīng)區(qū)即為耗盡區(qū)。因此探測(cè)器的反應(yīng)接收區(qū)變小，則可分離的光生載流子減少，器件的響應(yīng)度降低。反之，則器件的響應(yīng)度升高。

三、結(jié)論

用射頻磁控濺射方法制備了高質(zhì)量的ZnO薄膜。利用Au 叉指電極，在ZnO薄膜上制備了電極指寬不同的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)紫外光電探測(cè)器。研究發(fā)現(xiàn)，隨著叉指電極寬度的縮小，光響應(yīng)度增大。在相同偏壓下，電極寬度3μm 的器件響應(yīng)度比寬度8μm 的器件增大了2倍。上述現(xiàn)象是由于叉指電極寬度的縮小導(dǎo)致器件耗盡區(qū)寬度增大，因此更多的光生載流子得到有效分離，從而提高了光電流輸出。本文的結(jié)果表明，對(duì)MSM 結(jié)構(gòu)的紫外光電探測(cè)器件來說，在一定的工作偏壓下，過大的叉指電極寬度會(huì)減小實(shí)際的耗盡區(qū)寬度。因此叉指電極寬度的選取要充分考慮到耗盡區(qū)寬度和偏壓大小。

參考文獻(xiàn)：

[1] KlingshirnC.TheLuminescence ofZnOunder OneandTwo-Quantum Excitation[J].Phys Status Solid （b），1975，71：547.

[2] Schreiber P， Dang T， PickenpaughT. Solar-blind UV region and UV detector development objectives [J]. SPIE， 1999， 3629： 230-248.

[3] Du X L，Mei Z X，Liu Z LControlled growth of high-quality ZnO-based films and fabrication of visible-blind and solarblindultra-violet detectors [J]. Adv. Mater. 2009， 21（45）： 4625-4630.

[4] Gruber T， Kirchner C， Kling R， et al. ZnMgOepilayers and ZnO-ZnMgO quantum wells for optoelectronic applications inthe blue and UV spectral region [J] .Appl. Phys. Lett. ， 2004，84（26）： 5359-5361.

[5] Xu X L，Lu L，Wang Y，et al. Photoluminescence and structure propertiesofZn1-xMgxO films grown by RF magnetronsputtering [J]. J. Phys. ：CondensedMatter， 2006， 18（4）： 1189-1196.