Pt/ZnO/Pt結(jié)構(gòu)紫外探測器件的構(gòu)建與性能研究

方勇，檀湯亮

（1.池州學(xué)院 機電工程學(xué)院，安徽 池州 247100；2.安徽池州偉舜機電有限公司，安徽 池州 247000）

Pt/ZnO/Pt結(jié)構(gòu)紫外探測器件的構(gòu)建與性能研究

方勇1，檀湯亮2

（1.池州學(xué)院 機電工程學(xué)院，安徽 池州 247100；2.安徽池州偉舜機電有限公司，安徽 池州 247000）

本文通過水熱法制備ZnO納米陣列，基于不同生長時間的ZnO陣列構(gòu)建了Pt-ZnO-Pt型紫外探測器，對器件性能進行了研究.研究表明，器件對紫外線有明顯的光響應(yīng)，響應(yīng)度為0.13～0.77A/W；響應(yīng)時間為20～150s.生長24小時制備的ZnO納米陣列組建的器件性能最優(yōu)，ZnO納米陣列缺陷峰低，結(jié)晶性能好，陣列缺陷少；生長16h的缺陷峰最高，結(jié)晶性較差.

ZnO；肖特基；PN結(jié)；紫外探測器

ZnO是一種II-VI族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度在室溫下為3.37eV，激子復(fù)合能高達60meV[1,2]，具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu).ZnO在紫外發(fā)光二極管[3]、激光二極管[4]和探測器[5]等方面具有重要的應(yīng)用前景，成為紫外光電探測器領(lǐng)域研究的熱點之一.本文利用水熱法制備了ZnO納米陣列，利用生長良好的ZnO納米陣列組裝出Pt-ZnO-Pt結(jié)構(gòu)紫外探測器，對其性能進行測試.通過上述研究，為優(yōu)化ZnO紫外探測器的設(shè)計、構(gòu)建提供有效實用的數(shù)據(jù)，奠定實驗基礎(chǔ).

1 實驗

ZnO納米陣列制備采用水熱法，切割FTO玻璃片(1.5cm×1cm)，依次用去離子水、丙酮、乙醇、異丙醇進行超聲清洗，烘干后放在勻膠機上，在有FTO導(dǎo)電膜的一側(cè)旋涂配制好的晶種液（Zn+濃度0.5mol/L），再放入電爐中350℃燒結(jié)30min.取出后放入反應(yīng)釜中，添加生長液（Zn+濃度0.05mol/L），放入95℃烘箱進行反應(yīng).最后將生長好樣品的玻璃片取出，用去離子水清洗、烘干.

器件的構(gòu)建首先將PMMA旋涂在ZnO納米陣列上，3000rpm旋轉(zhuǎn)2分鐘.用掩膜板(寬度為0.5cm)掩蓋中央?yún)^(qū)域后使用氧氣等離子體刻蝕技術(shù)將ZnO納米陣列頂端的PMMA刻蝕掉，真空蒸鍍一層Pt膜（厚度為2μm）后放入丙酮中清洗，得到所需的MSM型紫外探測器件.

圖1 基于ZnO陣列MSM型紫外探測器件模型圖

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

用FESEM對制備的ZnO陣列進行形貌表征，如圖2所示.從圖中可觀察到水熱生長時間8小時的ZnO陣列長度在2μm左右，生長時間16和24小時的ZnO陣列長度在2.5～3μm.

圖2 ZnO納米陣列場發(fā)射掃描電鏡照片

用光譜儀測量了ZnO的光致發(fā)光譜(PL)，如圖3所示.可以看出在378nm處有很強的近邊帶散射峰，主要是由ZnO固有的深能級散射造成的[6].位于500-650nm弱的綠光散射峰主要是由單個電離的氧空位造成.圖中ZnO納米陣列的本征峰很強，缺陷峰很弱，表明其結(jié)晶性很好.對比生長時間8小時、16小時和24小時的ZnO納米陣列的PL譜，生長時間24小時的樣品缺陷峰最弱，這表明生長時間的延長，ZnO的生長逐漸成熟，結(jié)晶性越好.

圖3 ZnO納米陣列光致發(fā)光(PL)譜

2.2 I-V特性

對制備的器件進行了紫外線響應(yīng)測試，測試用到的雙波長紫外燈距離為15cm時，功率分別為：0.5Mw/cm2，254nm；0.47mV/cm2，365nm.I-V曲線和時間響應(yīng)曲線在Solartron1287/1260電化學(xué)工作站上測試.

圖4到6分別為生長時間8h、16h和24h的ZnO納米陣列紫外探測器的I-V曲線和3V偏壓下時間響應(yīng)曲線.

圖4(a)中的曲線具有明顯的勢壘效應(yīng)，Pt-ZnO-Pt紫外探測器呈現(xiàn)出肖特基接觸特性，在254nm波長的紫外光光照下，肖特基接觸特性更明顯，365nm紫外光照射時，曲線顯現(xiàn)出一定的歐姆特性.(b)圖中，波長365nm的紫外光照射下，器件的時間響應(yīng)曲線上升時間tt為6s，下降時間tf為18s，響應(yīng)度為0.21A/W，開關(guān)比為4.8.

圖5(a)中，器件在254nm紫外光照射下I-V曲線與黑暗條件下的基本重合，365nm紫外光照射下電流增加明顯.(b)圖中，波長365nm的紫外光照射下，器件的時間響應(yīng)曲線上升時間tr為35s，下降時間tf為110s，響應(yīng)度為0.13A/W，開關(guān)比為2.

圖6(a)中，器件對254nm和365nm紫外響應(yīng)都很明顯，并且在365nm紫外光照射下，器件的I-V特性曲線具有歐姆接觸特性.(b)圖中，365nm紫外光照射下，器件的時間響應(yīng)曲線上升時間tr為25s，下降時間tf為5s，響應(yīng)度為0.77A/W，開光比為9.

圖4 ZnO（生長8h）紫外探測器的光電特性

圖5 生長16h紫外探測器的光電特性

圖6 生長24h紫外探測器的光電特性

實驗數(shù)據(jù)表明：全部器件的I-V特性曲線都呈電壓極性對稱，器件中的ZnO納米陣列與Pt電極之間界面穩(wěn)定，接觸良好.器件暗電流較低，僅為10μA左右；生長24小時的ZnO納米陣列組建的紫外探測器件性能最好，8h小時的次之，16小時的最差.這主要是由于生長時間為24h的ZnO納米陣列缺陷峰最低，結(jié)晶性能最好，陣列缺陷最少，使得探測器具有較大的內(nèi)建電場，使得半導(dǎo)體的耗盡層產(chǎn)生的電子-空穴對能較快的向兩側(cè)移動，產(chǎn)生光電流.

3 結(jié)論

利用ZnO納米陣列作為中間半導(dǎo)體，構(gòu)建了Pt-ZnO-Pt型紫外探測器，并對器件性能進行了研究.結(jié)果表明：器件暗電流僅為10μA左右，有效的降低信噪比；響應(yīng)度為0.13～0.77A/W；響應(yīng)時間為20～150s.水熱生長24小時制備的ZnO納米陣列組建的紫外探測器件的光電響應(yīng)最好，8h的次之，16h的性能最差.這是因為生長時間提高了ZnO納米陣列的結(jié)晶性，減少了晶體缺陷，促進光電流的形成，提高其光電導(dǎo)效應(yīng)，減小了器件的響應(yīng)時間.

〔1〕Lee C H,Kim Y J,Lee J,Hong Y J,Jeon J M,Kim M,Hong S,Yi G C 2011 Nanotechnology 22 055205.

〔2〕WangJun，ZhaoDegang，LiuZongshun，et al．GaNSchottkybarrierultravioletdetector[J]．Chin．J．Semiconductor(半導(dǎo)體學(xué)報)，2004，25(6):711-714(inChinese).

〔3〕Sun H,Zhang Q F,Wu J L 2007 Acta Phys. Sin.563479(inChinese)[孫暉,張琦鋒,吳錦雷2007物理學(xué)報563479].

〔4〕Liu R B,Zou B S 2011 Chin.Phys.B 20 047104.

〔5〕Das S N,Moon K J,Kar J P,Choi J H, Xiong J J 2010Appl.Phys.Lett.97 022103.

〔6〕Wu C X,Zhou M,Feng C C,Yuan R,Li G,Ma W W,Cai L 2008 Acta Phys.Sin.57 3887(in Chinese)[吳春霞,周明,馮程程,袁潤,李剛,馬偉偉,蔡蘭2008物理學(xué)報573887].

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1673-260X（2017）07-0045-02

2017-05-17