劉思霖，張?jiān)娐?楠

（長(zhǎng)春師范大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130032）

ZnO 紫外光電探測(cè)器近年來(lái)受到了研究者廣泛的關(guān)注，它在環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)和生物分析、火焰探測(cè)、太陽(yáng)天文學(xué)、導(dǎo)彈羽流探測(cè)和燃燒監(jiān)測(cè)[1]等方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。隨著半導(dǎo)體材料的充分研究，紫外光電探測(cè)器的制造也逐步發(fā)展。ZnO 作為一種具有吸引力的寬帶隙（如室溫下為3.37 eV）氧化物半導(dǎo)體，可用于制造包括紫外光電探測(cè)器[2-4]在內(nèi)的短波長(zhǎng)光電器件。不同研究小組對(duì)ZnO 在單晶、薄膜和納米結(jié)構(gòu)形式中的紫外光響應(yīng)進(jìn)行了大量研究，顯示出其復(fù)雜的特性[5-8]。目前仍在繼續(xù)努力獲得具有更高響應(yīng)特性的ZnO 紫外光電探測(cè)器。

ZnO 紫外光探測(cè)器的近期報(bào)道主要集中在MSM結(jié)構(gòu)上，其中包含基于肖特基勢(shì)壘的光電壓型光電探測(cè)器和基于歐姆接觸的光導(dǎo)型光電探測(cè)器。研究者試圖通過(guò)優(yōu)化ZnO 薄膜來(lái)提高光電探測(cè)器的響應(yīng)度，但缺乏對(duì)器件本身的優(yōu)化。退火是一種增強(qiáng)膜性能的有效處理方法。目前，已采用多種技術(shù)沉積ZnO 薄膜，證明退火膜可以有效地提高晶體質(zhì)量。在本研究中，采用射頻磁控濺射技術(shù)，在石英襯底上增長(zhǎng)ZnO薄膜，并通過(guò)退火工藝，優(yōu)化了ZnO 的薄膜質(zhì)量。通過(guò)退火的手段，使得光電探測(cè)器的響應(yīng)能力顯著增強(qiáng)，這表明退火方法是提高ZnO 薄膜紫外光電探測(cè)器性能的有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 探測(cè)器的制備

ZnO 基MSM結(jié)構(gòu)紫外光電探測(cè)器的制作如圖1所示。

圖1 光電探測(cè)器制作流程圖

1.1.1 ZnO 薄膜的制備

采用射頻磁控濺射技術(shù)在石英襯底上制備了ZnO 薄膜。在濺射之前，石英襯底分別用丙酮（≥99.5%）、無(wú)水乙醇（≥99.7%）和超純水在超聲波清洗機(jī)中清洗10 min，高純氮?dú)飧稍锖髠溆谩２捎肸nO 陶瓷（≥99.995%）作為濺射靶，直徑為50.8 mm，厚度為4 mm。目標(biāo)與石英基底之間的距離為50 mm。雙空氣抽吸系統(tǒng)可使系統(tǒng)的真空度低于5×10-4Pa。濺射的混合氣體是含有超純（5N）氧和氬的工作氣體（15、50 sccm，sccm 代表cm3/min）。在濺射室中，ZnO 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，壓力保持在5.0 Pa，石英基底溫度保持在683 K。射頻功率保持在150 W，濺射時(shí)間為2.5 h。為了保證沉積薄膜的均勻性，載物臺(tái)以5 r/min 的速度旋轉(zhuǎn)。將生長(zhǎng)好薄膜的探測(cè)器分別命名S1、S2、S3、S4。對(duì)S2、S3、S4 進(jìn)行退火處理，退火溫度分別為500、600、700 ℃，升溫和降溫速度均為8 ℃/h，持續(xù)退火15 min。在退火過(guò)程中，探測(cè)器在含有氧氣和氬氣（20、60 sccm）的混合氣體中得到保護(hù)。

1.1.2 電極的制備

采用直流濺射技術(shù)在ZnO 薄膜上制備了Au 薄膜，厚度為20 nm，濺射功率為60 W，濺射氣體氬氣的流量為30 sccm。同時(shí)，采用紫外線照射和濕法光刻技術(shù)制備了探測(cè)器的MSM結(jié)構(gòu)電極。電極插指對(duì)數(shù)為15，插指長(zhǎng)500 μm，寬5 μm，插指間距為5 μm。

1.2 分析與表征

利用Rigaku D/M-2200T X 射線衍射儀（XRD）進(jìn)行樣品物相分析（40 kV、20 mA），Cu Kα輻射（λ=0.154 3 nm）；利用美國(guó)的PerkinElmer Lambda 950 UV/Vis 雙光束紫外分光光度計(jì)表征ZnO 薄膜的光學(xué)吸收特性（300～500 nm）；利用卓立漢光公司的Zolix DR800-CUST 型光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行光響應(yīng)測(cè)試，采用Agilent 16442A 設(shè)備對(duì)探測(cè)器的電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 XRD 表征

圖2 為探測(cè)器的XRD 譜圖，所有ZnO 薄膜都具有良好的c 軸取向，連續(xù)退火后明顯提高了ZnO 薄膜的衍射峰強(qiáng)度，薄膜的特征衍射峰均保持單一六方相。結(jié)果表明，ZnO 薄膜的晶體質(zhì)量在氮?dú)夥諊嘶鹱饔孟碌玫教岣撸∧ぶ械膽?yīng)力得到了釋放，結(jié)晶質(zhì)量得到了改善。

圖2 探測(cè)器的XRD 圖譜

2.2 吸收光譜表征

圖3 展示了探測(cè)器在300～500 nm 范圍內(nèi)的吸收光譜。結(jié)果表明，所有探測(cè)器的吸收都隨著波長(zhǎng)的減小而增大，探測(cè)器在紫外波段中具有較強(qiáng)的寬頻吸收。4 組探測(cè)器均有陡峭的吸收邊，且吸收率隨著退火溫度的提高而逐漸升高。利用標(biāo)準(zhǔn)(αhν)2 vs hν得到相應(yīng)的禁帶能，通過(guò)計(jì)算得到探測(cè)器的禁帶寬度為3.36 eV。

圖3 探測(cè)器的紫外-可見(jiàn)吸收光譜

2.3 電流表征

圖4 為ZnO 薄膜光電探測(cè)器的暗電流變化曲線，非線性I-V 特性表明，探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了肖特基金屬-半導(dǎo)體接觸。5 V偏壓下未退火和退火溫度為500、600、700 ℃的探測(cè)器暗電流分別為8.11×10-10、1.55×10-9、2.84×10-9、3.88×10-9A。暗電流隨著退火溫度的升高也在逐漸變大。主要原因?yàn)?，在ZnO 射頻磁控濺射過(guò)程中，一些Au 原子進(jìn)入ZnO 薄膜中，形成間隙缺陷，存在一些空位缺陷。隨著退火溫度的升高，Au 原子會(huì)在薄膜中擴(kuò)散得更深，形成更多的間隙缺陷。金費(fèi)米表面的能級(jí)（功函數(shù)）接近于ZnO 導(dǎo)帶底部的能級(jí)，來(lái)自間隙缺陷（Au 原子）的電子在能級(jí)上積累，并從導(dǎo)帶底部的ZnO 電子中吸收能量，位于ZnO 導(dǎo)帶底部的能級(jí)將會(huì)降低。當(dāng)退火溫度越高時(shí)，能級(jí)會(huì)降低越多。薄膜中的Au 原子不僅增強(qiáng)了ZnO 薄膜的電子親和能，而且降低了肖特基勢(shì)壘高度，這對(duì)提高暗電流也有好處。因此，暗電流的變化更大。

圖4 探測(cè)器的暗電流曲線

2.4 響應(yīng)度表征

在5 V 的偏壓，320 μW/cm2光功率下，測(cè)量了250～500 nm 范圍內(nèi)ZnO 紫外光探測(cè)器在未退火及不同溫度下退火時(shí)的響應(yīng)度光譜，如圖5 所示。很明顯，隨著退火溫度的升高，光電流極大增強(qiáng)，響應(yīng)度從0.016 A/W 增加到1.621 A/W。通過(guò)連續(xù)退火，在相同的偏置偏壓下，Au 電極與ZnO 半導(dǎo)體之間的電有效質(zhì)量足夠，電子空穴移動(dòng)會(huì)變慢，繼續(xù)吸引更多的電子。器件中的電流將存在較長(zhǎng)的時(shí)間，直到電子空穴被電子中和。與未退火器件相比，連續(xù)熱退火裝置中電子的壽命會(huì)有一定程度的延長(zhǎng)，因此該器件表現(xiàn)出增益現(xiàn)象。由此可以看出，增強(qiáng)光電探測(cè)器光響應(yīng)的最簡(jiǎn)單方法是對(duì)器件進(jìn)行退火。

圖5 探測(cè)器的響應(yīng)度圖譜

3 結(jié)論

利用射頻磁控濺射技術(shù)在石英襯底上制備了ZnO 薄膜，將MSM結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器在濺射室中分別在500、600、700 ℃進(jìn)行連續(xù)退火15 min。結(jié)果表明，隨著退火溫度的升高，暗電流和響應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。這是由于隨著退火溫度的升高，少量Au 原子進(jìn)入ZnO 薄膜并擴(kuò)散得更深，這不僅增強(qiáng)了ZnO 薄膜的電子親和能，并且降低了肖特基勢(shì)壘高度，使得探測(cè)器性能得到了提高。