ZnO基紫外光电探测材料研究

ZnO作为II-VI族直接宽禁带半导体材料,在室温下的禁带宽度约为3.37 eV,对应紫外波段的光子能量,且ZnO具有较高的化学和热稳定性,较强的抗辐射损伤能力,来源丰富,电子诱生缺陷较低等特点,适用于制备高性能的紫外探测器。而ZnO在掺杂后形成的合金可调节其禁带宽度,并与ZnO的晶格失配度及热膨胀系数差别较小,可构成量子阱或超晶格结构被广泛地应用于光电器件中,提高光电性能,所以相关的带隙工程的开展有利于推进实用的高性能的ZnO基光电器件的开发。尤其是对于ZnO基紫外探测器件,ZnO基三元合金具有可调控其探测波段到日盲区的特点,在此基础上所实现的紫外探测器在军事和民用领域具有广泛应用。基于此,笔者采用掺杂的方式调制ZnO的禁带宽度,使ZnO基三元合金材料的光学禁带宽度达到4.4 eV以上,获得可用于日盲紫外光波段探测的ZnO基光电探测器;同时,通过控制掺杂技术开发ZnO基异质复合结构,可应用于高性能的紫外光电发射探测器件。主要内容和创新性结果如下:1.采用溶胶–凝胶方法制备了Mg、Cd、Al掺杂的ZnO基三元合金薄膜,并对其微结构和光电性能进行研究,分析其掺杂效率和光学禁带调制效应,获得掺杂对ZnO薄膜禁带宽度调制的规律,并从不同元素掺杂引起Zn3d电子结合能变化的角度探讨了其禁带调制的机理。2.采用射频磁控溅射法制备AlxZn1-xO(AZO)合金薄膜,研究不同掺Al浓度对其微结构和光电性质的影响规律,研究表明:Al粒子数分数增大到20%会导致ZnO纤锌矿结构的消失,表明掺Al的固溶度在20%以内,而当掺Al粒子数分数达到30%则出现新的晶相;且随掺Al粒子数分数增加,薄膜中晶粒细化,电阻率大幅上升;通过改变Al组分可较大地展宽光学带隙,在Al粒子数分数为30%时带隙被展宽至4.43 eV。3.探讨氧气氛对AZO合金薄膜导电性的影响,并通过对其微结构和光电特性的研究发现:溅射过程中通入少量氧气有利于获得结晶质量较好的c轴择优取向薄膜;而纯氩气氛下溅射的薄膜具有很低的电阻率,拉曼测试和SEM分析表明其存在特殊的内建电场和c轴取向平行于膜面的晶粒;溅射过程中氧分压的增加会导致薄膜的绝缘性能增强;其透光谱显示光学吸收边发生明显蓝移。4.研究AZO合金薄膜的光电响应性能,结果表明:掺入Al可抑制ZnO薄膜中氧空位缺陷的形成,Al粒子数分数的增大使得薄膜的绝缘性能增强,有利于实现暗电流低的光电探测器件,提高其光暗电流比,尤其是可以抑制慢速的氧气吸附和解吸附反应,从而提高器件的响应速度。获得的快速响应的AZO探测器在紫外光照下显示出对称的非线性特征,即采用元件替代方法将光敏电阻应用于蔡氏电路时,在变型蔡氏电路中可产生三涡旋光电混沌吸引子。5.研究掺Al对AZO薄膜表面势垒和功函数的影响,通过对不同Al浓度AZO合金薄膜的C-V测试,获得其表面接触势垒高度随Al浓度增加而减小的规律;分别从理论计算和I-V-T测试拟合研究了5%粒子数分数掺Al对ZnO薄膜表面功函数的影响,两种方式获得的表面功函数值分别下降了0.090 eV和0.098 eV。以上研究结果表明掺Al使得AZO薄膜的费米能级上移至导带,从而形成较小的表面势垒,有利于电子从表面逸出。6.研究将AlxZn1-xO薄膜用于实现NEA紫外光电阴极,制作AZO阴极真空光电管,其光暗电流相差两个数量级以上。采用高导电AZO薄膜作为透明导电底电极,在其上诱导生长阳离子空位为主导的AZO纳米晶表面层,由以上掺杂调制技术获得的AZO异质复合结构阴极材料,因为底电极和阴极膜同属AZO材料体系,界面间结合紧密,并能有效实现能带调制,具有良好的紫外光电发射性能。在铯激活条件下的测试结果为:暗电流为0.2 nA,在254 nm波长的紫外光照射下产生220 nA光电发射电流,光暗电流比达到103数量级。

Al_xZn_(1-x)O合金MSM光电探测器的研究

在Si衬底上磁控溅射制备AlxZn1-xO（AZO）合金薄膜,在其上真空蒸发Ni/Au叉指电极获得金属-半导体-金属（MSM）结构光电探测器。采用UV-Vis-Nir分光光度计测量AZO系列薄膜的光吸收特性,观察到AZO合金薄膜的光学吸收带边随Al含量增加明显蓝移。测试AZO探测器的电流-电压特性、时间特性和响应光谱发现,随Al含量的增加,紫外光照下的电流-电压曲线呈现出明显的非线性特征,且光响应时间显著变小;30at.%Al含量样品在5 V偏压下暗电流为14 nA,光暗电流比达到10倍,上升时间和下降时间都小于1 s;Al含量为5 at.%时获得光电导型紫外光电探测器,而Al含量为30 at.%时获得紫外增强型Si探测器,其响应光谱变宽为0.3~1.0μm。