ZnO肖特基型紫外光电探测器的制备与表征

退火后的样品经过3%的过氧化氢浸泡5 min后，用去离子水清洗后吹干，放入真空镀膜机中蒸镀一层200 nm厚的金属膜。用过氧化氢浸泡的目的是减少表面缺陷密度，从而提高ZnO与金属接触形成的耗尽层宽度，降低表面漏电流，获得更好的肖特基接触。通过扫描电镜照片可以看到，金膜的表面致密平整，颗粒尺寸为20～50 nm，如图1−11所示。

图1-11 金（Au）电极的表面形貌

蒸镀结束后，采用负胶剥离技术和湿法刻蚀，在ZnO薄膜表面制作出叉指状金电极。叉指间距的宽度为5 µm、长度为500 µm。为了研究叉指间距对器件性能的影响，我们选用了不同的指宽，分别为2 µm、5 µm和10 µm。图1−12为指宽为5 µm的器件的照片。

图1-12 叉指电极的电镜照片

电极剥离后ZnO薄膜表面的照片如图1−13所示，可以看到ZnO薄膜表面的平整度很好。之后，我们对器件的各种性能进行了测试与表征。首先，器件的暗电流是通过Lakeshore 7707霍尔效应测量系统进行表征的。图1−14给出的是器件在暗场及360 nm紫外光照射下的I-V特性曲线。从图中可见，器件呈现出了较好的肖特基整流特性，并且器件的光电流大于暗电流3个数量级，这将有助于提高器件的信噪比以及抑制比。在3 V偏压下，器件的暗电流小于3 nA，在75 V工作电压下，暗电流也仅为10 nA，说明器件具有较低的背底噪声。而且在正负偏压下，器件的I-V特性曲线的对称性较好，这主要是因为在湿法刻蚀后，薄膜依旧保持完整性以及叉指电极的侧向腐蚀较浅的缘故。可以看到，在100 V偏压下，器件依旧没有出现击穿现象，说明器件具有较高的耐压特性。

图1-13 光刻后，ZnO薄膜表面形貌

图1-14 器件在暗场及360nm紫外光照射下的I-V特性曲线(www.xing528.com)

图1−15为指宽为2 µm，在偏压为3 V的条件下，ZnO紫外光电探测器的光响应图谱。探测器在360 nm呈现最大响应度为0.34 A/W。理想状态下，肖特基以及pin结或者是pn结结构的探测器是不存在增益现象^[26]的。但是，有人观测到肖特基型紫外光电探测器中存在增益现象。针对本书中所制备测试的ZnO紫外光电探测器而言，假设量子效率为100%，我们通过式（1−8）^[27]计算可以得到理想状态下响应峰值在360 nm的响应度R为0.29 A/W，说明器件也存在着微弱的增益现象。

这将不利于提高器件的响应时间等参数。器件中存在的增益现象，主要是由样品中的缺陷造成的，从我们的样品室温光致发光谱（即图1−9）中可以看到存在深能级缺陷。而从图1−15中可以看到，器件的紫外光与可见光的抑制比（R₃₆₀/R₄₅₀）大于4个量级，说明我们的器件可以较好地抑制来自可见光部分的噪声。并且，器件的响应度从360 nm一直到200 nm衰减很少，说明器件在短波处仍具有非常高的量子效率。与pn结结构的探测器在短波处响应度的剧烈衰减相比较，凸显出了MSM结构探测器的优势。这主要是因为在短波处，紫外光的光强剧烈衰减，穿透深度只能达到薄膜的表层，而pn结探测器存在着结构上的劣势，以及存在着大量的光生载流子复合现象，但MSM结构则以横向和表层收集为主，所以能够最大限度地收集光生载流子，获得较高的量子效率。

图1-15 ZnO紫外光电探测器在3V偏压下的光响应图谱

图1−16为器件的瞬态光响应谱线，其外加电压为3 V，负载电阻为50Ω，用266 nm的Nd:YAG脉冲激光器作为光源，激光器脉宽为10 ns。从图中可以看出，ZnO器件的上升时间为20 ns，下降时间为250 ns（10%～90%，90%～10%），这一值远大于S.Liang等人报道的上升时间为12 ns，下降时间为50 ns（0～66%，100%～66%）的结果，而且没有出现持续光电导现象。由于激光器的脉冲宽度为10 ns，所以上升时间一部分来源于脉冲宽度。如图1−14所示的光照条件下，3 V偏压下器件的电阻约为10⁶ Ω，经测量器件的电容约为1 pF，得到器件的RC时间常数约为1 µs。为了进一步确定下降时间的产生机制，我们利用式（1−9）对其进行双e指数拟合。拟合曲线与实验数据结果非常的吻合，如图1−16中的曲线所示，得到的时间常数为38 ns和183ns，说明下降时间由两种机制组成。另外，根据测量得到样品的迁移率为1 cm²/s，计算了在3 V偏压下得到渡越时间为40 ns，从而可以看出器件的下降时间由RC时间常数和渡越时间组成。

y=A₁exp(−x/t₁)+A₂exp(−x/t2)+y₀ （1−9）

图1-16 器件的瞬态光响应谱线