肖特基型Mg0.40Zn0.60O可见盲紫外光电探测器特性研究

根据前面MgZnO系列样品的生长，确定了在我们的制备条件下，其结构分相区的波段在300～240nm区间，对应的Mg浓度为40%～60%。为了获得波长短和高质量的MgZnO合金薄膜，我们选定吸收边为325nm的样品进行真空热退火。具体条件是：腔体真空为1.0×10⁻⁴Pa，热处理温度为600℃，退火10min。经电子衍射能谱测量得到Mg的浓度为40%，如图2−13所示。

经热处理后Mg_0.40Zn_0.60O合金薄膜的X射线衍射谱如图2−14所示。从图中可以看到，仅有（0002）一个衍射峰出现，没有观察到结构分相迹象。图2−15给出了该样品的透射谱，可以看到热处理后的Mg_0.40Zn_0.60O合金薄膜位于300nm处具有陡峭的吸收边，没有拖尾现象，这说明MgZnO中绝大多数Mg进入了正常格位。目前，还没有看到用磁控溅射方法实现单一六角结构Mg_0.40Zn_0.60O薄膜的报道。

图2-13 热处理后MgZnO薄膜EDS谱

图2-14 热处理后Mg_0.40Zn_0.60O合金薄膜的X射线衍射谱

图2-15 热处理后Mg_0.40Zn_0.60O合金薄膜的透射谱

在Mg_0.40Zn_0.60O合金薄膜的基础上，我们采用真空热蒸镀的方法，在合金薄膜上蒸镀约200 nm厚的金膜，之所以采用Au作电极，主要是因为Au的功函数（Φ=5.1 eV）比较大，可以与MgZnO的半导体形成良好的肖特基接触。之后采用传统的紫外光刻与湿法刻蚀的方法，制备了MSM结构的金属电极。其指宽和指间距均为5 µm，指长为500 µm，如图2−16所示。

图2-16 MSM结构扫描电镜图和MSM结构的示意图

图2−17为器件在黑暗条件下的I-V特性曲线。由图中可以看出，器件呈现出了较好的肖特基接触，并且在正、反向偏压下，曲线基本对称，说明在湿法刻蚀过程中最大限度地避免了对样品表面的腐蚀。此外，器件在2 V偏压下，暗电流仅为100 pA，由于肖特基势垒的存在，极大地降低了暗电流并相应地减少了由于暗电流给系统带来的噪声。

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图2-17 Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器的暗场条件下的I-V特性曲线

图2−18为肖特基型Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器在2V偏压下的光响应谱。器件响应度的峰值位于276 nm，截止边为295 nm，这与吸收边相一致。紫外光和可见光抑制比（R276nm/R400 nm）大于4个数量级。响应度峰值的大小为0.0012 A/W，并且在短波方向衰减的很慢，说明器件在更短的波长处仍具有较高的量子效率。从图中我们可以看到，器件的响应度随偏压呈线性关系，并没有出现饱和现象。

图2-18 肖特基型Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器在2 V偏压下的光响应谱

根据器件的暗电流和得到的光响应度，我们可以计算出噪声等效功率和探测度。首先，噪声电流的光谱密度<i²_rms>可表示如下：

式中，R_dark是器件在一定偏压下的等效电阻；I_dark是一定偏压下的暗电流；T是绝对温度；Δf是测试带宽。

噪声等效功率（NEP）又可以通过噪声电流计算得到，即

NEP=i_rmsR （2−2）

式中，i_rms是一定偏压下器件的噪声电流；R是一定偏压下测得的器件的响度。噪声等效功率（NEP）能被用来定义探测器的探测度（D^*），即

D^*=(AΔf)^1/2/ NEP （2−3）式中，A为器件的有效吸收光面积。通过计算可以得到，在2 V偏压下，276 nm波长处，探测器室温下的探测度是1.37×10¹²cmHz^1/2W⁻¹,这个值要高于相同结构的ZnO和GaN基紫外光电探测器的探测度。