MgZnO紫外光电探测器的变温响应特性研究

为了获得高质量的MgZnO薄膜，我们采用由英国VG公司的分子束处延（MBE V80H）设备改造而成的等离子体辅助的分子束外延设备（P-MBE），将其中一束源炉改造成气源，气源利用射频源（Oxford HD 25型）将气体激活成为激发态的原子和离子。生长过程中，衬底采用c面Al₂O₃，经丙酮和甲醇脱脂后，用去离子水冲洗，用高纯氮气吹干，再在H₂SO₄:H₃PO₄=3:1的混合液（160℃）中腐蚀15 min，然后用去离子水冲洗，用氮气吹干后，将衬底固定在钼托上放入高真空的预处理室内加热至800℃，除气30 min后再移入生长室。生长时纯度为99.9999%的Zn源和Mg源，束流确定在5×10⁻⁵ Pa，纯度为99.9999%氧气压力为3×10⁻³ Pa，射频等离子体功率为300 W，由无油分子泵与干泵维持生长室真空。

图2−27给出了MgZnO样品的X射线衍射图。从图中可以看出，只观测到了位于34.80°和41.68°的两个衍射峰，前者为MgZnO（002）衍射峰，而后者为Al₂O₃的（006）衍射峰。这表明MgZnO薄膜的生长是以c轴方向为择优取向的。从图中可以看到MgZnO（002）衍射峰明显是由两个衍射峰组成。其中最强的衍射峰来自Cu K_α1的衍射，后者则来自Cu K_α2。为了进一步表征其晶体质量，我们对其进行了Gauss曲线拟合，得到的衍射峰半高宽仅为0.05°，说明样品具有较高的结晶质量。

图2-27 采用MBE法制备的MgZnO合金薄膜的X射线衍射谱

ZnO基材料的一个典型的特性就是有一个陡峭的紫外光吸收边，并且吸收边随着Mg的掺入逐渐蓝移，经EDS能谱测试得到其Mg的组分为10%，从图2−28中明显可以看到其位于362.6 nm处有陡峭的吸收边。带隙能量为3.42 eV，这与所测得的近带边发光峰位相一致，并且没有观测到样品位于深能级处的发光。

图2-28 Mg_0.10Zn_0.90O合金薄膜的室温发光及吸收谱

在制备高质量Mg_0.10Zn_0.90O薄膜样品的基础上，采用传统光刻和湿法腐蚀的方法，用Au作为金属电极，制备得到了指宽为5 μm，指间距为5 μm，指长为500 μm的平面MSM叉指结构。为了使金属与半导体形成良好的欧姆接触，我们把器件放在真空为1×10⁻⁴Pa的真空室内，进行温度为600℃，时间为10 min的热退火处理。图2−29给出了MSM结构Mg_0.10Zn_0.90O紫外光电探测器在暗场条件下的I-V特性曲线。从图中可以看到I-V曲线呈现良好的欧姆特性。在5 V偏压下，器件的暗电流为5 μA。

图2-29 Mg_0.10Zn^0.90O紫外光电探测器在暗场条件下的I-V特性曲线(www.xing528.com)

图2−30为MSM结构Mg_0.10Zn_0.90O紫外光电探测器在85K和325K条件下的光响应谱线。在测试温度为85 K，工作电压为5 V的条件下，器件响应峰值的位置位于348 nm，光响应度大小为40 A/W。在360nm处有陡峭的截止边，这与图2−28中的室温吸收谱362.6 nm相一致。器件的紫外光和可见光抑制比（R348 nm/R400 nm）大于5个数量级，这是目前所报道的MgZnO紫外光电探测器紫外光与可见光抑制比的最大值。在测试温度为325 K的条件下，器件响应度为15 A/W，相比于85 K的测试温度，响应度明显减少。需要指出的是，在温度为325 K的条件下，器件响应峰值的位置为354 nm，红移了6 nm，其原因将会在下一节讨论。此外，器件的紫外光和可见光抑制比（R354 nm/R400 nm）仅大于2个数量级，光响应截止边出现了明显的拖尾现象。如上结果中，器件的性能在低温时表现出了较好的探测性能，主要是薄膜内部的缺陷被大量抑制，不容易被激活，表现出低温时晶体的质量要好于高温。因而器件产生的光生载流子不容易被复合，呈现较好的探测性能。

图2-30 Mg_0.10Zn^0.90O紫外光电探测器在85 K和325 K条件下的光响应谱线

那么，是不是温度越低，响应度越高呢？我们对器件进行了不同温度的响应度测试，如图2−31所示。从图中可以看出，随着温度由85K升高至225K，其响应度迅速下降，之后响应度有一定的增加（225～325K），但是增加的比较缓慢。显而易见，85K时，器件的响应度呈现最大值，当温度为225K时，器件的响应度最小，并不是先前我们所预想的325K。这主要是由于俘获中心随温度变化的原因造成的，为了解释这种现象，我们建立一个简单的机制模型图，如图2−32所示。在温度较低的情况下，样品中的各种缺陷包括俘获中心很大一部分被冻结，因而价带被激发的电子直接从价带顶跃迁到导带底，很少被俘获。随着温度的升高，俘获中心被激活，因而部分电子会被俘获，这就造成了响应度随着温度的升高反而下降。但随着温度的进一步升高，被束缚的电子获得了足够高的能量而脱离俘获中心的束缚，而跃迁到导带，进而造成了响应度随着温度的升高会有一定的升高。

图2-31 Mg_0.10Zn^0.90O紫外光电探测器在不同温度下的响应度

图2-32 响应度随温度变化的机制模型图