研究进展：2.1MgZnO紫外光电探测器

近年来，宽带隙紫外光电探测器的研究在全世界范围内广泛开展，以AlGaN紫外光电探测器研究最为成熟，并取得了一系列的成果^[1-5]，但由于其没有合适的衬底，高Al组分的薄膜质量不好等因素，严重制约了其走出实验室迈向市场。然而，MgZnO紫外光电探测器又成为了人们一个研究的热点^[6-14]。到目前为止，人们主要对可见盲MgZnO紫外光电探测器进行了研究，而对太阳盲MgZnO紫外光电探测器的研究比较少，这主要是由于MgZnO容易发生结构分相。ZnO和MgO晶格结构不同，其固溶度低，所以存在相分离区，制约了高质量MgZnO薄膜的实现，同时也制约了太阳盲紫外光电探测器的研究，尤其采用射频磁控溅射方法生长制备MgZnO薄膜的报道也比较少^[15-20]。本章主要讲解利用射频磁控溅射方法生长制备MgZnO薄膜，并对可见盲与太阳盲MgZnO紫外光电探测器进行了研究。宽带隙II-VI族半导体合金材料MgZnO是继AlGaN之后的又一种理想的紫外光电材料，这是由于其与AlGaN相比有其更优越的性能具体如下：

1）Zn²⁺(0.060 nm)和Mg²⁺(0.057 nm)离子半径接近，Mg²⁺和Zn²⁺在各自氧化物晶格中互相替换形成MgZnO，这种替位式混晶引起的晶格畸变较小，为制备高质量的MgZnO合金薄膜提供了必要的基础。

2）热稳定性更高，所需的生长温度较低（100～700℃）。

3）有与其匹配的单晶衬底（六方相有ZnO，立方相有MgO）。

4）具有超强的抗辐射能力，使得ZnO及MgZnO能够在一些特殊环境和条件下（例如，空间和核技术领域）保持稳定的工作状态。

5）具有更宽的带隙可调范围（3.3～7.8 eV），宽的带隙可以应用到真空紫外光探测。

6）原料丰富，无毒。本身是氧化物，可以减少表面处理的繁琐工序。

基于II-VI族半导体ZnO及其合金材料MgZnO的诸多优点，自1998年以来人们就开始采用激光脉冲沉积（PLD）^[21]、分子束外延（MBE）^[22]、金属有机气相沉积（MOVPE）^[23]、磁控溅射^[24]等方法对MgZnO合金进行研究。最早且最详细、最系统地研究MgZnO合金的是日本A.Ohtomo^[25]研究小组，在1998年其报道了利用PLD方法在蓝宝石（0001）上制备MgZnO合金薄膜。在保持六方相结构的情况下，随着Mg的掺入，吸收边的位置逐渐蓝移，Mg的掺入量为33%时，合金的室温下带宽为3.9 eV，且开始出现了分相，直到Mg的掺入量为45%时才完全变成了立方相。所有样品的透射图谱如图2−1所示，图2−2则形 象地给出了不同结构Mg_xZn_1-xO合金薄膜样品的带隙能量。这远远超过了理论上平衡状态下4%的固溶度。Choopun^[21]和Minemoto^[24]等研究小组对MgZnO合金薄膜的制备进行了报道，在利用不同方法进行的合金薄膜生长过程中，由于系统条件和形成机制的不同使得样品Mg含量的极限有所不同。2006年Kumar^[26]研究小组第一次报道了采用磁控溅射且衬底不加热，在石英衬底上制备MgZnO合金薄膜的方法，而且实现了MgZnO薄膜从六方相结构到立方相结构的转换，带隙得到了大范围的调制。从图2−3中我们可以看出Mg的组分为64%时合金薄膜结构转换为立方相结构。其对应的光学带隙的能量为5.25 eV，如图2−4所示。

图2-1 不同Mg组分的MgZnO透射图谱

图2-2 MgZnO合金薄膜样品的带隙能量随Mg组分的变化关系

图2-3 不同组分的MgZnO的XRD图谱

图2-4 不同组分的Mg_xZn_1-xO薄膜的带隙能量图谱(www.xing528.com)

MgZnO薄膜由于带隙宽、可调，使得其在开发可见盲和太阳盲区紫外光电探测器方面有巨大潜力。2001年美国马里兰大学及军队研究实验室Yang^[27]等人首先用PLD方法在蓝宝石衬底上生长了带隙为4.05 eV的MgZnO薄膜，制成MSM结构的紫外光电探测器，在5V偏压下，308 nm的紫外光响应达到1200 A/W，如图2−5所示。其上升和下降时间分别是8 ns和1.4 µs，如图2−6所示。

图2-5 Mg_0.34Zn_0.66O MSM结构光导型紫外光电探测器的光响应曲线

图2-6 Mg_0.34Zn_0.66O MSM结构光导型紫外光电探测器的响应时间曲线

2003年，该小组^[28]又用SrTiO₃缓冲层以克服Si和MgZnO间晶格和热膨胀失配，在异质外延生长立方结构MgZnO薄膜，如图2−7所示。这种基于Mg_0.68Zn_0.32O/SrTiO₃/Si的光导型紫外光电探测器对225 nm深紫外光具有良好的响应度，其紫外光与可见光抑制比大于一个数量级。当0.62≤x≤1时，用来探测157～230 nm的紫外光，效率将优于AlGaN、SiC及金刚石等其他宽带材料。利用MgZnO薄膜横向Mg含量的梯度分布，2003年Takeuchi^[29]等人成功制成了单片多通道的紫外光电探测器阵列，如图2−8所示。2005年，日本的Koike^[30]等人采用MBE方法制备了Mg组分为0.34，截止边为300 nm的MgZnO紫外光电探测器。2007年，我国西安交通大学的毕臻^[31]等人采用激光分子束外延（LMBE）的方法，制备了Mg浓度为0.2的光导型MSM紫外光电探测器，探测器的上升时间仅为14.3ns，下降时间为6.5μs，其光响应度的截止波长为395nm。这主要是因为薄膜内存在杂质和晶格缺陷，在禁带中形成了杂质能级。并且，其光响应的抑制比不大于1个数量级。

图2-7 Si衬底上生长立方相Mg_0.68Zn_0.32O薄膜紫外光响应谱

2007年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘可为^[32]等人采用磁控溅射的方法制备了Mg_0.4Zn_0.6O MSM结构光导型紫外光电探测器，如图2−9所示。但对于光导型紫外光电探测器器件而言，其响应度值过低，说明薄膜中存在着大量的缺陷。同年，刘可为^[33]等人采用等离子体辅助分子束外延（PMBE）方法制备了同质Mg_0.24Zn_0.76O紫外光电探测器，如图2−10所示。但由于其p型的Mg_0.24Zn_0.76O薄膜质量较差，以至于整流效应差，探测度较小和噪声等效功率较弱。因此由于p型MgZnO材料制备困难，采用MSM结构的MgZnO紫外光电探测器依旧是研究的主流。

图2-8 不同Mg组分的ZnMgO紫外光电探测器阵列的归一化响应曲线

图2-9 在6 V偏压下Mg_0.4Zn_0.6O MSM结构的光响应曲线

图2-10 Mg_0.24 Zn_0.76O pn同质结光电探测器分别在0 V和6 V偏压下的光谱响应特性曲线