ZnMgO紫外探测器研究现状

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Mgx Zn1-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380 nm到300 nm的紫外光,单个探测器响应时间为8 ns。

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Mgx Zn1-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225 nm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Mgx Zn1-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，Mgx Zn1-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-x MgxO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250ns。

研究表明，高的薄膜质量对于增强探测器性能有十分显著的作用。

同年，该小组刘可为等采用等离子辅助分子束外延技术，在蓝宝石基底上制备出N掺杂空穴浓度为1×1016cm-3的P型ZnMgO合金薄膜，并以Ni/Au和In作为欧姆接触，首次报道了Zn0.73Mg0.24O同质PN结光电二极管。

探测器响应峰为325nm,6V偏压下紫外可见光抑制比为4个数量级，时间常数为38ns。

2008年刘可为等通过射频磁控溅射方法，采用Zn-Mg0-Zn复合靶材，实现了高温下精确控制薄膜中Mg含量，并在石英基底上外延生长出六方Zn0.6Mg0.4O合金薄膜；以Au为叉指电极制备出MSM结构光导型紫外探测器，其响应峰为270nm, 3 V偏压下暗电流仅为5pA,紫外可见光抑制比大于3个数量级。

2009年Li等采用等离子辅助MBE手段在蓝宝石基底上制备出了p-Mg 0.2Zn 0.8O/ZnO 异质结二极管，开启电压约5V ，响应峰340nm,紫外可见光抑制比R340nm/R500nm 为2个数量级，响应范围从400nm 到320nm 。

2007年，西安交通大学利用激光分子束外延方法在蓝宝石衬底上制备出Mg 0.2Zn 0.8O MSM 光导型紫外探测器，探测器的上升时间仅为14.3 ns ，下降时间为6.5 μs 。

浙江大学自2001年起开展Zn0紫外探测器的研究，采用PLD 方法，以A1为欧姆接触电极，在Si(111)基底上制备出光电导型紫外探测器。

Yuan 等采用磁控溅射方法，以Au 为肖特基接触，在Al/Si(100 )基底上制备出Zn0肖特基二极管。

该研究小组对ZnMgO 三元合金材料也进行了较多研究，生长出高质量的ZnMgO 合金薄膜，Mg 含量为37%(原子分数)时依然为单一相六方纤锌矿结构。

由以上ZnMgO 薄膜材料和探测器件的结果可知，虽然ZnMgO 薄膜中Mg 的组分已很高，但相应的高性能的紫外探测器件还没有报道，比如器件的光响应截止边都长于300 nm, 其主要原因是由于高Mg 组分的ZnMgO 合金薄膜中仍存在结构分相和结晶质量等问题。

3 探测器的主要性能指标3.1量子效率η量子效率的定义是每一个入射的光子所产生的电子空穴对的数目，通常用百分数表示，包括内量子效率和外量子效率。

外量子效率一般用如下公式来表示：inc ph inc ph P h q I h P q I ννη⋅==// （公式1-1） 式中I ph 为平均光电流，q 为电子电荷，P inc 为入射光功率，hv 为相应波长的光子能量（h 为普朗克常数，v 为光的频率）。

外量子效率依赖于很多因素，比如材料的吸收系数和吸收区的厚度等，)1(t ext e αη--∞ （公式1-2）式中α为材料的吸收系数，t 为吸收区的厚度。

一般来说，外量子效率依赖于材料的吸收系数，而吸收系数又是波长的函数，因此外量子效率也依赖于光的波长。

3.2 暗电流I d探测器在紫外光照射下产生的电流信号由光电流和暗电流两部分组成，而在无紫外光照射的情况下，探测器表现出的电流为暗电流。

研究表明，当频率不是很低时，探测器散粒噪声的影响将大于热噪声和低频噪声1/f 的影响，噪声电流均方值主要取决于I d 。

因此，通过掺杂、退火等手段可以增强薄膜的电阻率，降低器件的暗电流，进而提高探测器的信噪比。

3.3 响应度R探测器的响应度定义为单位面积上每瓦特的入射光功率产生的输出电流密度，即光生电流和紫外光的照射功率的比值，单位为A/W ，phinc I q R P h ην== （公式1-3） 式中为I ph 平均光电流，P inc 为入射光功率，η为量子效率，hv 为相应波长的光子能量（h 为普朗克常数，v 为光的频率），因此响应度的意义是投射到光敏器件上的单位辐射功率所产生的光电流。

如果把光的频率换算成光的波长，上式也可以写成：qR hc ηλ= （公式1-4）其中λ为被探测的光波长，c 为真空中光的速度。

当探测器的光谱响应与光源光谱匹配越好时，探测器的响应度也越高。

紫外探测器的光谱响应图谱表明，探测器的响应曲线还同时向峰值响应波长的长波和短波两个方向扩展。

当探测器薄膜中存在成分起伏或杂质和缺陷时，长波长的紫外光可以把这些缺陷能级中的电子激发到导带中去，使探测器的响应曲线向长波方向发展。

对于短波长紫外光，由于其具有更大的能量，薄膜吸收系数较高，使探测器在短波方向上也会产生响应。

但由于薄膜表面产生的光生载流子浓度很高，复合速率急剧提高，使探测器的短波响应度大大降低。

3.4 响应时间τ研究表明，MSM 光导型紫外探测器的10%～90%下降弛豫时间慢于相应上升响应时间，与光生空穴载流子的寿命有很大关系。

当关闭光照后，在外电场作用下，n 型Zn 1-x Mg x O 薄膜中产生的光生电子和空穴分别向正负电极运动。

在漂移过程中，由于少数载流子陷阱作用，空穴易被薄膜中缺陷或杂质所形成的此类陷阱所捕获。

故当电子到达正极消失时，留在空穴陷阱内的空穴会将负极中的电子感应出来，并在电场作用下开始向正极移动。

如此循环，直至陷阱中的空穴移动到负极消失。

因而，空穴载流子寿命的增加造成探测器的下降弛豫时间变长。

可以看到，一方面由于空穴寿命的增加造成探测器响应时间变长，另一方面由于载流子数目的增多使探测器的响应度得到很大提高。

此外，由于合金薄膜表面固有的缺陷以及探测器制备过程可能对薄膜表面造成的损伤，氧分子的吸附和光解析也是影响探测器响应速度的重要因素。

当合金薄膜表面吸附氧分子后，由于氧电负性较高，可束缚薄膜中的自由电子。

在紫外光照射下，部分氧分子吸收光子后从表面脱附，同时释放自由电子，使载流子浓度提高。

由于此过程相对光生载流子的产生复合较为缓慢，因而使探测器的响应时间大大延长。

3.5 噪声等效功率NEP 和探测灵敏度D *噪声等效功率是信噪比为1的探测器探测到的最小辐射功率。