ZnO肖特基型紫外光电探测器性能的方法：电场影响分析

对于肖特基型紫外光电探测器而言，对器件性能影响最大的就是对器件所加偏压的改变。人们所熟知的是在给定的指宽下，响应度随着偏压的增加而增加，直至出现饱和现象。然而，对于不同指宽，不同场压下的器件所反映出来的性能会有一定的不同。本节将针对这方面，对ZnO肖特基型紫外光电探测器进行研究，并得到了一定的优化结果。

图1-17 不同指宽的MSM结构ZnO紫外光电探测器在暗场条件下的I-V特性曲线

图1−17为指宽为2µm、5µm、10 µm的ZnO基MSM结构紫外光电探测器在无光照条件下的I-V特性曲线。三种指宽所对应的I-V特性曲线均形成良好的肖特基接触。指宽为2µm、5µm、10 µm的器件在3 V偏压下，对应的暗电流分别为1.0nA、0.8nA和0.3 nA。显然，在相同电压下，指宽越大的暗电流越小。

图1−18为不同指宽的ZnO肖特基型紫外光电探测器的光响应图谱。在3 V偏压下，随着指宽的减小，响应度值也随之增加。而且，器件截止边的陡峭程度随着指宽的减小而增加。可以看到无论是哪种指宽的器件，在可见光波段，都存在着一定的光响应，这主要是样品中存在着一定的深能级缺陷，可以从样品的室温光致发光图中得到证实。

图1-18 不同指宽的ZnO器件的光响应图谱测器在暗场条件下的I-V特性曲线

为了说明不同指宽下器件所反映出的不同性能，我们建立一个关于MSM结构的一维模型原理图，如图1−2所示。MSM结构可以看成是两个金属半导体结与一段半导体串联，只不过是两个金属半导体结的内建电场方向是相反的。当外加偏压时，一个肖特基势垒得到增强，一个肖特基势垒得到削弱。由于我们制备的样品在光照情况下电阻依然为10⁶ Ω，远远大于所串联的信号电阻的阻值，所以外加偏压可以认为全部加在器件上。对于肖特基型的紫外光电探测器，人们普遍认为器件的有效光激活区是空间电荷区，即耗尽层。对于指宽为2 µm的器件，在外加3 V偏压下，其反向偏压的耗尽层的宽度可以用式（1−10）表示。

式中，k是相对介电常数；ε₀是绝对介电常数；ψ0是内建电势；V是外加偏压；q是电子电量；N_d为施主浓度，约为10¹⁶ cm^-3。经过计算得到反向偏压耗尽层的宽度约为0.57 µm。所以正反耗尽层的宽度之和小于2 µm，也就是说反向偏压没有达到贯穿电压值。电场应该降落在两个耗尽层以及耗尽层中间的串联电阻上。那么，我们可以用一维电场模型（见图1−19）解释不同指宽下器件所表现出的性能：①对于暗电流的解释。随着指宽的增加，中间的串联电阻也会随之增加，但空间电荷区也会随之减弱。由于我们的样品的电阻在1 µm情况下的电阻为100 GΩ左右，所以电压主要加载在中间的串联电阻上，因而即使空间电荷区有所减弱，暗电流仍会减少。②对于光响应度的解释。随着指宽的增加，其有效的受光面积，即空间电荷区有所减弱，所以响应度会有所降低。由于空间电荷区势垒的减弱，所以电荷不能被有效地收集，器件的截止边随着指宽的增加而有所减弱。(www.xing528.com)

图1-19 一维MSM结构电场和能级模型

我们又对不同指宽器件的瞬态响应进行了测试，如图1−20所示。随着指宽的增加，器件的下降时间也随之增加，这主要是由于器件的RC时间常数增加造成的。但需要指出的是，器件下降时间的变化不大，并没有按照RC常数的变化比例而变化。我们认为造成这种现象的主要原因是由于器件的制备过程中采用了湿法刻蚀，因而不可避免地会对ZnO样品的表面造成不同程度的损伤。

图1-20 不同指宽器件的瞬态响应

这里需要指出的是，前面所进行的光响应谱线及瞬态响应谱线的测试均是在小电压下完成的（3 V），然而在大电压下，不同指宽的器件所表现出来的性能与规律将有别于小电压的情况。图1−21为不同电压下，指宽为2µm、5µm、10 µm的ZnO肖特基型紫外光电探测器的光响应图谱。随着电压的增加，各指宽器件的响应度均随之增加，指宽为2 µm的器件先达到贯穿电压。然而，在没有到达贯穿电压前，即偏压为20 V时，指宽为5 µm的器件的响应度就已经大于指宽为2 µm的器件，而在电压为30 V时，指宽为10 µm的器件的响应度为最高。这与我们前面所说的有效激活区的变化规律有所不同。最大的不同就在于所施加的偏压不同，在3 V偏压（即小电压）下，两个肖特基结中间的串联电阻所产生的光生载流子没有被有效地收集，而是绝大多数被复合，这主要是因为在偏压小的条件下，没有足够强的电场。如果施加较大偏压（如20 V），对于指宽为5 µm的器件会产生更好的效果，而且其空间电荷区的宽度小于指宽为2 µm的器件，说明中间的串联电阻的光生载流子被有效地收集，因而产生了更高的光响应度。因此，在大偏压下，有效地激活区不仅是肖特基的结区，中间的串联电阻也起到了部分作用。所以，为了得到更高的光响应度，施加较小偏压时，比较适合指宽较小的器件，而施加较大偏压时，比较适合指宽较大的器件。

图1-21 不同指宽器件的电压响应度关系图谱