高性能ZnO 薄膜紫外光電探測器的研究★

劉思霖，張詩曼，王 楠

（長春師范大學(xué)，吉林 長春 130032）

ZnO 紫外光電探測器近年來受到了研究者廣泛的關(guān)注，它在環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)和生物分析、火焰探測、太陽天文學(xué)、導(dǎo)彈羽流探測和燃燒監(jiān)測[1]等方面具有廣泛的應(yīng)用價值。隨著半導(dǎo)體材料的充分研究，紫外光電探測器的制造也逐步發(fā)展。ZnO 作為一種具有吸引力的寬帶隙（如室溫下為3.37 eV）氧化物半導(dǎo)體，可用于制造包括紫外光電探測器[2-4]在內(nèi)的短波長光電器件。不同研究小組對ZnO 在單晶、薄膜和納米結(jié)構(gòu)形式中的紫外光響應(yīng)進(jìn)行了大量研究，顯示出其復(fù)雜的特性[5-8]。目前仍在繼續(xù)努力獲得具有更高響應(yīng)特性的ZnO 紫外光電探測器。

ZnO 紫外光探測器的近期報道主要集中在MSM結(jié)構(gòu)上，其中包含基于肖特基勢壘的光電壓型光電探測器和基于歐姆接觸的光導(dǎo)型光電探測器。研究者試圖通過優(yōu)化ZnO 薄膜來提高光電探測器的響應(yīng)度，但缺乏對器件本身的優(yōu)化。退火是一種增強(qiáng)膜性能的有效處理方法。目前，已采用多種技術(shù)沉積ZnO 薄膜，證明退火膜可以有效地提高晶體質(zhì)量。在本研究中，采用射頻磁控濺射技術(shù)，在石英襯底上增長ZnO薄膜，并通過退火工藝，優(yōu)化了ZnO 的薄膜質(zhì)量。通過退火的手段，使得光電探測器的響應(yīng)能力顯著增強(qiáng)，這表明退火方法是提高ZnO 薄膜紫外光電探測器性能的有效途徑。

1 實驗部分

1.1 探測器的制備

ZnO 基MSM結(jié)構(gòu)紫外光電探測器的制作如圖1所示。

圖1 光電探測器制作流程圖

1.1.1 ZnO 薄膜的制備

采用射頻磁控濺射技術(shù)在石英襯底上制備了ZnO 薄膜。在濺射之前，石英襯底分別用丙酮（≥99.5%）、無水乙醇（≥99.7%）和超純水在超聲波清洗機(jī)中清洗10 min，高純氮氣干燥后備用。采用ZnO 陶瓷（≥99.995%）作為濺射靶，直徑為50.8 mm，厚度為4 mm。目標(biāo)與石英基底之間的距離為50 mm。雙空氣抽吸系統(tǒng)可使系統(tǒng)的真空度低于5×10-4Pa。濺射的混合氣體是含有超純（5N）氧和氬的工作氣體（15、50 sccm，sccm 代表cm3/min）。在濺射室中，ZnO 薄膜生長過程中，壓力保持在5.0 Pa，石英基底溫度保持在683 K。射頻功率保持在150 W，濺射時間為2.5 h。為了保證沉積薄膜的均勻性，載物臺以5 r/min 的速度旋轉(zhuǎn)。將生長好薄膜的探測器分別命名S1、S2、S3、S4。對S2、S3、S4 進(jìn)行退火處理，退火溫度分別為500、600、700 ℃，升溫和降溫速度均為8 ℃/h，持續(xù)退火15 min。在退火過程中，探測器在含有氧氣和氬氣（20、60 sccm）的混合氣體中得到保護(hù)。

1.1.2 電極的制備

采用直流濺射技術(shù)在ZnO 薄膜上制備了Au 薄膜，厚度為20 nm，濺射功率為60 W，濺射氣體氬氣的流量為30 sccm。同時，采用紫外線照射和濕法光刻技術(shù)制備了探測器的MSM結(jié)構(gòu)電極。電極插指對數(shù)為15，插指長500 μm，寬5 μm，插指間距為5 μm。

1.2 分析與表征

利用Rigaku D/M-2200T X 射線衍射儀（XRD）進(jìn)行樣品物相分析（40 kV、20 mA），Cu Kα輻射（λ=0.154 3 nm）；利用美國的PerkinElmer Lambda 950 UV/Vis 雙光束紫外分光光度計表征ZnO 薄膜的光學(xué)吸收特性（300～500 nm）；利用卓立漢光公司的Zolix DR800-CUST 型光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)對探測器進(jìn)行光響應(yīng)測試，采用Agilent 16442A 設(shè)備對探測器的電學(xué)性能進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 XRD 表征

圖2 為探測器的XRD 譜圖，所有ZnO 薄膜都具有良好的c 軸取向，連續(xù)退火后明顯提高了ZnO 薄膜的衍射峰強(qiáng)度，薄膜的特征衍射峰均保持單一六方相。結(jié)果表明，ZnO 薄膜的晶體質(zhì)量在氮氣氛圍退火作用下得到提高，薄膜中的應(yīng)力得到了釋放，結(jié)晶質(zhì)量得到了改善。

圖2 探測器的XRD 圖譜

2.2 吸收光譜表征

圖3 展示了探測器在300～500 nm 范圍內(nèi)的吸收光譜。結(jié)果表明，所有探測器的吸收都隨著波長的減小而增大，探測器在紫外波段中具有較強(qiáng)的寬頻吸收。4 組探測器均有陡峭的吸收邊，且吸收率隨著退火溫度的提高而逐漸升高。利用標(biāo)準(zhǔn)(αhν)2 vs hν得到相應(yīng)的禁帶能，通過計算得到探測器的禁帶寬度為3.36 eV。

圖3 探測器的紫外-可見吸收光譜

2.3 電流表征

圖4 為ZnO 薄膜光電探測器的暗電流變化曲線，非線性I-V 特性表明，探測器實現(xiàn)了肖特基金屬-半導(dǎo)體接觸。5 V偏壓下未退火和退火溫度為500、600、700 ℃的探測器暗電流分別為8.11×10-10、1.55×10-9、2.84×10-9、3.88×10-9A。暗電流隨著退火溫度的升高也在逐漸變大。主要原因為，在ZnO 射頻磁控濺射過程中，一些Au 原子進(jìn)入ZnO 薄膜中，形成間隙缺陷，存在一些空位缺陷。隨著退火溫度的升高，Au 原子會在薄膜中擴(kuò)散得更深，形成更多的間隙缺陷。金費米表面的能級（功函數(shù)）接近于ZnO 導(dǎo)帶底部的能級，來自間隙缺陷（Au 原子）的電子在能級上積累，并從導(dǎo)帶底部的ZnO 電子中吸收能量，位于ZnO 導(dǎo)帶底部的能級將會降低。當(dāng)退火溫度越高時，能級會降低越多。薄膜中的Au 原子不僅增強(qiáng)了ZnO 薄膜的電子親和能，而且降低了肖特基勢壘高度，這對提高暗電流也有好處。因此，暗電流的變化更大。

圖4 探測器的暗電流曲線

2.4 響應(yīng)度表征

在5 V 的偏壓，320 μW/cm2光功率下，測量了250～500 nm 范圍內(nèi)ZnO 紫外光探測器在未退火及不同溫度下退火時的響應(yīng)度光譜，如圖5 所示。很明顯，隨著退火溫度的升高，光電流極大增強(qiáng)，響應(yīng)度從0.016 A/W 增加到1.621 A/W。通過連續(xù)退火，在相同的偏置偏壓下，Au 電極與ZnO 半導(dǎo)體之間的電有效質(zhì)量足夠，電子空穴移動會變慢，繼續(xù)吸引更多的電子。器件中的電流將存在較長的時間，直到電子空穴被電子中和。與未退火器件相比，連續(xù)熱退火裝置中電子的壽命會有一定程度的延長，因此該器件表現(xiàn)出增益現(xiàn)象。由此可以看出，增強(qiáng)光電探測器光響應(yīng)的最簡單方法是對器件進(jìn)行退火。

圖5 探測器的響應(yīng)度圖譜

3 結(jié)論

利用射頻磁控濺射技術(shù)在石英襯底上制備了ZnO 薄膜，將MSM結(jié)構(gòu)的光電探測器在濺射室中分別在500、600、700 ℃進(jìn)行連續(xù)退火15 min。結(jié)果表明，隨著退火溫度的升高，暗電流和響應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。這是由于隨著退火溫度的升高，少量Au 原子進(jìn)入ZnO 薄膜并擴(kuò)散得更深，這不僅增強(qiáng)了ZnO 薄膜的電子親和能，并且降低了肖特基勢壘高度，使得探測器性能得到了提高。