光导型Mg0.40Zn0.60O可见盲紫外光电探测器的特性研究

需要提到的是，上节介绍的肖特基型Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器，虽然暗电流很低，但响应度很小，这样就影响到了器件的整体性能（如探测度）的提高。造成器件响应度低的主要原因是薄膜的高阻与短波处光功率的急剧下降。虽然肖特基型MgZnO紫外光电探测器有诸多优点，但也给器件测试带来了困难，如目前绝大多数探测器的测试均是由锁相放大器提取和输出，由于所产生的光生电流过低，往往超出了锁相放大器的检测限，因而无法测试器件的响应度谱线。这就是为什么人们均制备光导型的高Mg组分MgZnO紫外光电探测器。本节主要是对现有的肖特基型的Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器进行真空热处理，得到光导型的紫外光电探测器，从而使光响应度得到了一定的提高。当然需要指出的是，这是在牺牲暗电流和响应时间等参数的前提下来完成的。

将肖特基型的Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器在真空度为1.0×10⁻⁴ Pa的真空腔内，进行不同温度的热处理。图2−19为在不同温度下热处理的样品测得的I-V特性曲线。表2−1为在不同温度下热处理的不同器件类型与结构类型参数。

图2-19 器件在不同温度下热处理的I-V特性曲线

表2-1 不同温度处理下器件的类型、暗电流及晶体结构

从表2−1中可以看到获得光导型的Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器最佳热处理温度为600℃。我们对600℃热处理的样品和原生样品进行了XRD图谱比较，热处理后样品的结晶质量并没有发生变化，衍射峰的位置、强度，以及半高宽均未发生变化。而且，我们也比较了热处理前后的吸收图谱，两条吸收曲线也几乎是重合的，说明样品的带隙没有发生变化。这是不难理解的，因为样品已经在600℃高温下热处理过，因此结晶质量和带隙没有发生变化。但第二次600℃热处理是直接对现有器件的热处理，样品与金属电极的接触会发生一定的变化。从图2−19中可以看到，在600℃热处理后，样品与金属电极的接触已经由肖特基接触转变成欧姆接触，暗电流也变大了两个数量级。金属与样品之间变成欧姆接触，主要是因为由热扩散进入Mg_0.40Zn_0.60O的Au原子以填隙原子的形式存在。即使要填充体内的Zn空位或Mg空位也要穿过表面层，由此造成的深能级缺陷又会使势垒的高度降低。同时考虑到肖特基势垒的热稳定性的限制，势垒高度也会出现下降。所以当温度达到一定高度时，结效应就会消失。

图2−20为光导型Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器在3 V偏压下的光响应特性曲线。响应度峰值为0.2 A/W，相比于肖特基型的0.0012 A/W，增加了约200倍。响应度峰值的位置出现在278 nm处，相比于肖特基型的红移了2 nm。而紫外光和可见光的抑制比（R278 nm/R400 nm）大约为3个数量级，比肖特基型的4个数量级有所降低，这是由于较高的暗电流把噪声引入测试系统造成的。而其截止边相对于肖特基型的探测器明显的变缓，有一定的拖尾现象，这主要是因为器件在退火过程中Au原子的渗入以及一定量的缺陷被激活所致。

图2-20 光导型Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器在3V偏压下的光响应特性曲线(www.xing528.com)

器件之所以在热处理后响应度有明显的增加，主要是因为在光导型器件中存在着较大的光电导增益，根据定义有

式中，g为光生载流子产生率；S是器件横截面积；τ_n，τ_p和µ_n，µ_p分别是表示电子和空穴的载流子寿命和迁移率；E是电场强度；t_n和t_p是电子和空穴经过长度为L的电极间距所需的渡越时间。

对于n型半导体而言，由于电子的有效质量远远小于空穴的有效质量，因此电子的迁移率要比空穴的大得多，也就是说电子在极间的渡越时间要比空穴的小得多，即µ_nµ_p,t_nt_p，所以式（2−4）可以表示成：

光导增益的产生机制可以理解成半导体样品中存在着空穴俘获缺陷，在光照的情况下，产生光生电子空穴对，部分空穴被俘获，而电子则被复合或者是被电场扫向电极。为了维持体内的电中性，被俘获的空穴就会从另一电极吸引电子，而由于电场的作用，部分被吸引的电子还没有来得及与空穴复合，就被电场扫走。所以，一个光生载流子可以引起若干个通过电极的载流子，直到复合为止，因此也就出现了比较大的光电导增益。

下面我们针对不同电压下光导增益对响应度的影响进行研究，如图2−21所示。响应度随着电压的增加先增加，约到23 V时发生急剧衰减，而后又微弱的增加。从式（2−5）我们可以看到，随着电压的增加，载流子的渡越时间减少，光导增益有所增加，因而响应度也随之增加。而后，当偏压大于25 V时，响应度剧烈衰减，由原来的0.2 A/W衰减到0.006 A/W，这有悖于人们通常所观察到的光导型光探测器的响应度随着电压增加而逐渐增加，并慢慢趋于饱和状态。造成响应度剧烈的衰减主要是因为光生电子空穴对被电场迅速的分开并扫向两极，由于强场的存在，被俘获的空穴也被扫走，所以增益会迅速的减少，因而造成了响应度的剧烈衰减。所施加的偏压从25V到32 V，响应度衰减之后又微弱的增加，这主要是由于光生电子空穴对被有效地收集，减少了被复合的概率。

图2-21 光导型Mg_0.40Zn_0.60O紫外光电探测器在不同偏压下的响应度