ZnMgO紫外探测器研究现状.docxVIP

ZnMgO紫外探测器研究现状1 引言ZnO是一种直接宽带隙的半导体材料（禁带宽度为3.37 eV），在室温下有很高的激子束缚能（60 meV），外延生长温度低，抗辐射能力强。通过Mg的掺入可实现禁带宽度从3.3 eV到7.8 eV可调的ZnMgO合金，ZnMgO作为优良的紫外光电材料在光电系统中有着广泛的应用，像LED、光探测器和太阳能电池等，特别是紫外光探测器方面的应用。紫外探测器广泛用于矿井可燃气体和汽车尾气的监测、固体燃料成分分析、环境污染监测、细胞癌变分析、DNA测试、准分子激光器检测等领域。在军事上可用于导弹跟踪、火箭发射、飞行器制导以及生化武器的探测。在现实生活中，用于火灾监测、紫外通信以及紫外线辐射的测量。随着紫外线的广泛应用，紫外探测器在环保、医学、军事等领域将得到更广泛的应用。作为一种宽禁带半导体材料，ZnMgO近年来受到了研究人员的广泛关注。2 ZnMgO紫外光探测器的研究进展ZnMgO薄膜材料生长和紫外探测器的研究主要有美国、日本，印度、南韩等国家，薄膜生长方法以脉冲激光沉积（PLD），分子束外延（MBE），金属有机化学气相沉积（MOCVD），和磁控溅射等为主。自1998年日本东京技术研究所用PLD方法在蓝宝石（0001）衬底上生长出了Mg组分达0.33的ZnMgO单晶薄膜之后，高Mg组分的ZnMgO薄膜材料生长和紫外探测器研究引起了人们的极大兴趣。美国北卡罗那州大学，马里兰大学都相继报道了ZnMgO薄膜的生长及光学特性研究；南韩Pohang科技大学采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长了Mg组分（0-0.49）连续可调的ZnMgO薄膜，并有X-射线衍射（XRD）谱表明未发生结构分相。这些结果已远远超过平衡态下Mg在ZnO中的固溶度值≤4％。以上ZnMgO薄膜大都是在单晶衬底和较高的衬底温度（350－750℃）上生长，而日本Ritsumeikan大学和印度德里大学均采用磁控溅射方法，在不加热的硅和石英衬底上生长出了Mg组分0.42和0.46的ZnMgO薄膜，结果表明薄膜仍未发生结构分相。随着ZnMgO薄膜生长的发展，其紫外探测器的进展也很快，首先由美国马里兰大学在2001年利用PLD设备在蓝宝石衬底上实现了MSM结构Zn0.66Mg0.34O光电导型紫外探测器，如图1所示（图1中为308nm、0.1μW紫外线光照射下的响应度随时间的关系曲线）。该探测器的暗电流在5 V偏压下为40 nA左右，探测截止波长在317 nm，在5V偏压下响应峰值308 nm处的响应度为1200 A/W, 紫外/可见抑制比在4个数量级以上，器件的瞬态响应测量表明该探测器具有快的响应速度，其响应时间的上升沿为8ns，下降沿为1.4μs。2003年，该研究组又利用MgxZn1-xO薄膜横向Mg含量的梯度分布, 成功制成了单片多通道的紫外探测器阵列。从ZnO到六方Mg0.4Zn0.6O可探测380nm到300nm的紫外光,单个探测器响应时间为8ns。与传统光波导光栅和薄膜滤光器相比,这种利用连续成分扩展组成探测阵列的单片微型光电探测器具有集成度高、可探测紫外光范围广等特点。此后该小组又用SrTiO3作缓冲层以克服Si（100）和MgxZn1-xO间的晶格及热膨胀失配,异质外延生长立方结构MgxZn1-xO薄膜，基于Mg0.68Zn0.32O/ SrTiO3 /Si 的光导型紫外探测器对225nm深紫外光有很好的响应度,其紫外/可见光抑制比大于一个数量级，这是目前报道的基于立方相MgxZn1-xO薄膜的探测波长最短的紫外探测器。他们同时也提出当0.37≤x≤0.62时，MgxZn1-xO薄膜处于六角相和立方相共存的不稳定区域。随后，该研究组又比较了制备在蓝宝石和石英衬底上的Mg0.15Zn0.85O紫外探测器，结果表明，由于生长在蓝宝石衬底上的薄膜具有更好的晶体质量，更少的缺陷，因此其探测器的紫外/可见抑制比（104）要比石英衬底上的（103）高一个数量级。2005年日本大版科技研究所报道了MBE方法在硅衬底生长ZnMgO薄膜，并获得光响应峰值在300 nm的紫外探测器件，并且发现随着Mg含量的增加，ZnMgO紫外探测器的探测紫外/可见抑制比在逐渐增大，当Mg含量增加到0.34的时候，器件的紫外/可见抑制比达到3个量级，探测截止边已经接近300 nm。图2为Zn1-xMgxO基紫外探测器光谱响应曲线。当x值为0、0.1、0.26和0.34时，响应截止边从375nm逐渐蓝移至300nm，响应紫外可见光抑制比由1个数量级增加到3个数量级。在国内，2007年中科院长春光机所Jiang等报道了一种Zn0.6Mg0.4O基高速光导型紫外探测器，如图3所示。探测器在320nm处的响应度约为1. 3A/W,10%～90%上升时间和下降时间分别为16ns和