氩氧比对ZnO薄膜特性的影响与紫外探测器的研制

传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 2009年第28卷第12期设计与制造氩氧比对Zn O薄膜特性的影响与紫外探测器的研制吴跃波(安徽建筑工业学院机械与电气工程学院,安徽合肥230601)摘　要:利用射频磁控溅射技术在Si O2/n2Si和玻璃衬底上制备Zn O薄膜,研究了溅射气体氩氧比对薄膜特性的影响,在氩氧比为2∶3下所制备的Zn O薄膜c轴择优取向相对较好,薄膜的颗粒随氩氧比的增加而增大,所制备的薄膜在可见光均具有较高的透射率,吸收边在360～380n m附近;并在以Si O2/n2Si为衬底,氩氧比为2∶3,经过退火处理的Zn O薄膜上制作Ag2Zn O2Ag肖特基MS M叉指结构的紫外探测器,所制作的探测器在5V偏压下漏电流为3.3×10-8A,在紫外波段有较高的响应度,光响应度峰值在365n m附近。

关键词:Zn O薄膜;磁控溅射;紫外探测器中图分类号:O484.4;T N364.2 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2009)12—0064—03Effect of Ar/O2ra ti o on properti es of ZnO f il m anddevelop m en t of ultrav i olet photodetectorWU Yue2bo(School of M echan i ca l and Electr i ca l Eng i n eer i n g,Anhu i Un i versity of Arch itecture,Hefe i230601,Ch i n a)Abstract:Zn O fil m s are deposited on Si O2/n2Si and glass by RF magnetr on s puttering.The effect of A r/O2rati oon p r operties of Zn O fil m is studied.The Zn O fil m deposited under A r/O2(2∶3)has a relatively better p referentialc2axis orientati on.The grain size aug ments with A r/O2rati o increasing.The fil m s exhibit a high trans m ittance invisible regi on and have shar p funda mental abs or p ti on edge at about360～380n m.The interdigital metal2se m iconduct or2metal(M S M)ultravi olet(UV)phot odetect ors are fabricated by using Ag2Zn O2Ag as Schottkycontact metal on the annealed Zn O fil m s,which are deposited on Si O2/n2Si under A r/O2rati o(2∶3).I2Vcharacteristics of the M S M phot odetect or indicates that the leakage current is3.3×10-8A at a bias of5V.Thephot ores ponsivity of the detect or is high in the ultravi olet range and has a maxi m u m value at about365n m.Key words:Zn O fil m;magnetr on s puttering;UV phot odetect or0　引　言Zn O是一种宽禁带直接带隙的Ⅱ2Ⅵ族半导体[1],其薄膜制备容易,方法很多,主要有磁控溅射法[2～4]、金属有机物化学气相沉积法[5]、脉冲激光沉积法[6]、喷雾热分解法[7]、分子束外延法[8]及溶胶—凝胶法[9]等,其中,磁控溅射法制备Zn O薄膜因具有较高的沉积速率、低的衬底温度和良好的衬底粘附性等优点而被广泛的应用。

紫外探测器在军事、生物、医疗等众多领域有着广泛的应用。

由于Zn O具有良好的抗高能射线辐射能力,相比其他半导体(如,Si C,GaN)在制作紫外探测器方面Zn O有着独特的优势。

目前,有关Zn O基紫外探测器的研制已有很多报道[10～16],其中,很多是利用P LD,MOC VD,MBE方法在蓝宝石衬底上制备Zn O薄膜,然后,在薄膜上研制紫外探测器,所用的设备和衬底昂贵。

本实验采用简便的射频磁控溅射法在Si O2/n2Si和石英玻璃衬底上制备Zn O薄膜,研究了氩氧比对薄膜特性的影响,并在以Si O2/n2Si为衬底,氩氧比为2∶3,经过退火处理的Zn O薄膜上制作Ag2Zn O2 Ag肖特基MS M结构的紫外探测器。

1　实　验本实验用JC500—3/D射频磁控溅射机在Si O2/n2Si和玻璃衬底上制备Zn O薄膜,靶材采用Zn O(纯度为99.99%)陶瓷靶,在溅射过程中,溅射腔气压保持为1Pa,衬底温度为250℃,靶与衬底间距离为8cm,溅射功率为75W,溅射时间为1h,改变溅射气体氩氧比例:1∶4,1∶2,2∶3,5∶4,对应地以Si O2/n2Si衬底的样品被标为S1,S2,S3,S4,以玻璃为衬底的样品被标为G1,G2,G3,G4。

并把样品S3放入氮气中退火1h,退火温度为700℃。

在退火后的薄膜上制作Ag2Zn O2Ag肖特基MS M叉指结构的紫外探测器,先溅射一收稿日期:2009—06—09 46第12期 吴跃波:氩氧比对Zn O薄膜特性的影响与紫外探测器的研制 层200n m厚的银做接触电极,再溅一层100n m厚的金防止银被氧化,形成Ag2Zn O2Ag的M S M结构。

图1为探测器叉指结构图,叉指长250μm,宽6μm,叉指间距为6μm 。

图1　探测器叉指结构图F i g1　I n terd i g it a l structure of photodetector 用X’Pert PRO X2射线衍射仪对所制备的Zn O薄膜的晶体结构进行分析;用LE O1530场发射扫描电镜对薄膜表面形貌和横截面进行观测;用Varian Cary—300分光光度计测量薄膜在200～800n m的透射谱;用Keithley4200—S CS半导体参数分析仪测量Ag2Zn O2Ag肖特基MS M紫外探测器的I2V特性;M S M紫外探测器的光谱响应是由自制的一种光学系统进行测量的,由氙灯和单色仪结合起来提供光源,用Si紫外增强标准探测器进行光强校准。

2　实验结果与讨论2.1　ZnO薄膜的测试分析图2是样品S1,S2,S3,S4的X射线衍射图,从图中可以看出:所有的样品均出现了(002)和(103)衍射峰,而(002)衍射峰的强度都远远超过(103)衍射峰强度,这说明所制备的Zn O薄膜均具有良好的c轴择优取向[2]。

其中,样品S1,S2的(002)衍射峰强度相对较弱,半高宽也较大,而(103)衍射峰的强度反而相对较强,样品S1还出现了(110)衍射峰,这说明在氩氧比为1∶4,1∶2情况下溅射的薄膜c轴择优取向较差;样品S3,S4的(002)衍射峰相对较强,衍射峰尖锐,(103)衍射峰相对较弱,这说明在氩氧比为2∶3,5∶4情况下溅射的薄膜c轴择优取向较好。

同时,S3与S4相比较,S3的c轴择优取向更好。

图2　样品的X射线衍射谱F i g2　X2ray d i ffracti on pa ttern of s am ples 图3为样品S1,S2,S3,S4的表面扫描电镜图,可以看出:所制备的Zn O薄膜结构致密,颗粒均匀,薄膜的颗粒随着氩氧比的增加而增大。

分析认为,刚溅射时被氩离子、氧离子轰击出的粒子具有一定的动能,沉积到衬底上形成一定间距的核,随着溅射的进行,衬底上的核逐渐生长,相互连接并沿着垂直衬底的方向生长,形成粒状致密的薄膜。

由于氩离子质量比氧离子高,氩离子轰击出来的粒子动能较高,溅射开始时在衬底上成核的间距较大,氩氧比的增加会使最终的薄膜颗粒较大;同时,氩离子相对氧离子俘获电子的能力较低,氩氧比的增加会使溅射时的二次电子增加,从而提高靶材的溅射率,溅射率的提高有利于薄膜颗粒的形成,增加核的生长速度,薄膜的颗粒就会相应地增大。

图3　样品的表面扫描电镜图F i g3　SE M i m ages of s am ples 图4为样品G1,G2,G3,G4在200～800n m波段的透射谱图,可以看出氩氧比的改变对薄膜的透射率影响不大,在可见光区域样品都具有较高的透射率,平均透射率在85%左右,样品G3的平均透射率相对略高些;样品在360～380n m附近都有条吸收边,对低于360n m的紫外光基本完全吸收。

图4　样品的透射谱F i g4　Tran s m issi on spectra of s am ples2.2　Ag2ZnO2Ag肖特基MS M紫外探测器对ZnO薄膜进行的测试分析可以看出:样品S3的薄膜质量相对较好,把样品S3放入氮气中退火1h,并在其上面制作Ag2ZnO2Ag肖特基M S M紫外探测器。

图5为所制作的Ag2ZnO2Ag肖特基M S M紫外探测器在光照和无光照下的I2V特性。

可以看出:在5V偏压下,器件的漏电流和光电流分别为 3.3×10-8A和 1.7×10-6A。

光电流和漏电流的比超过1个数量级,漏电流与文献[12]所研制的M S M(A l2ZnO2A l)光电导型紫外探测器相比小得多,这说明Ag2ZnO2Ag肖特基M S M结构能更好地抑制器件的漏电流。

56 传感器与微系统 第28卷图5　探测器的I2V曲线F i g5　I2V curves of photodetector 图6是M S M紫外探测器在5V偏压下的光谱响应图,器件在365n m附近有个光响应度峰值[11],这和Zn O的禁带宽度基本吻合。

从峰值到400n m段随着波长的增加器件光响应度逐渐下降,在400n m处的响应很弱。

从趋势看器件的紫外响应度比长波区的响应高得多,这说明所制作的探测器在紫外波段具有较高的响应度。

从图中还可以看出:器件光响应度在峰值前的短波段也有所下降,主要是由于短波段的吸收系数较大,器件的光生电子空穴对主要集中在器件的表面,同时,由于表面的缺陷态较多,使得表面的复合增加,有效的光生电子空穴对减少,导致光响应度相应下降[10]。