基于ZnO/Glass聲表面波器件的高速紫外傳感特性研究*

谷 航， 何興理， 駱季奎

(浙江大學 信息與電子工程學系，浙江 杭州 310027)

0 引 言

ZnO是一種同時具有半導體、光電和壓電特性的材料,它對于紫外光比較敏感，在室溫下的禁帶寬度為3.37 eV ，有較高的激子復合能(60 meV)。ZnO價格低廉，原材料豐富，其薄膜容易制備，方法包括磁控濺射(sputtering)、脈沖激光沉積(PLD)、化學氣象沉積(MOCVD)和原子層沉積(ALD)等。其中通過磁控濺射方法制備的ZnO薄膜具有較高的沉積速率，低的襯底沉積溫度，與基板有良好的粘附性，工藝成本低，晶體性能好，而被廣泛采用[1]。

紫外探測器可廣泛用于科研、軍事、環保、醫療等領域,隨著社會的發展，人們越來越關注紫外光的輻射與測量，對紫外探測器的需求日益增長。使用ZnO可以制備高性能的紫外探測器，且具有很高的穩定性[2]。本文采用基于ZnO/玻璃(Glass)的聲表面波(SAW)器件來開發高性能的紫外探測器。利用直流反應磁控濺射法在Glass襯底上制備了ZnO薄膜，然后在薄膜上制作了聲表面波(SAW)器件，并對該種器件的特性進行測試，該種器件表現出良好的紫外傳感特性。由于采用了Glass襯底，相比于硅基襯底，器件的生產成本大大降低，使該種傳感器的大量應用成為可能。本實驗室最近成功地制作了柔性SAW器件[3，4],并將其用于溫度、濕度[5]和紫外傳感器，顯示了它巨大的應用潛力。

1 基于COMSOL的SAW器件仿真

為了驗證器件在Glass襯底上能否正常工作，同時對其性能做出預估，很有必要對ZnO/Glass結構的器件進行理論建模分析。

本次研究，采用COMSOL Multiphysics 4.2有限元計算軟件對ZnO/Glass結構的SAW器件進行了S11參數的仿真。

為簡化分析，采用了2D仿真。因SAW器件的叉指電極數量較多，可以截取其中的一對叉指來進行仿真研究，所建立的SAW諧振器的仿真模型如圖1(a)所示。在仿真時給邊界(圖1(a)中的M1,M2)添加周期性邊界條件，這樣就可以仿真模擬實際中叉指數量較多的情況。將該SAW器件模型的2個鋁電極一個加電壓，而另一個接地。

本文選取4 μm指寬(周期為16 μm)的器件進行頻率響應分析，通過COMSOL軟件后處理可以繪出其在諧振頻率167 MHz時的壓電振動所引起的表面形貌變化。圖1(b)給出了在167 MHz時，SAW諧振器的表面形變特性。圖1(c)為仿真得到的器件S11參數。

圖1 SAW 器件仿真結果

2 ZnO/Glass結構SAW器件的制備與測試

2.1 ZnO薄膜的制備

本實驗利用直流反應磁控濺射法制備ZnO薄膜，襯底采用型號為2318的康寧玻璃;靶材采用直徑為10.2 cm，純度為99.999 %的Zn靶；靶材與襯底之間的距離為7 cm;濺射室本底氣壓為3×10-3Pa；反應氣體采用純度為99.999 %的O2和Ar，Ar/O2為100/50,濺射氣壓為1 Pa，襯底溫度為200 ℃。每次濺射前先預濺射20 min以除去靶材表面污物；濺射時間為2.5 h，實驗得到的ZnO薄膜的厚度約為2.1 μm。

采用日立冷場發射電子顯微鏡S—4800掃描ZnO的橫截面，獲得薄膜截面結構特性。從圖2(a)可看到所得的ZnO薄膜呈現柱狀生長。本實驗還采用日本島津X射線衍射儀XRD—6000對ZnO薄膜進行掃描，并獲得薄膜的晶體取向(見圖2(a))，可以看到制備的ZnO有很好的(0002)取向，即壓電特性的C軸擇優取向。此外，還采用日本精工SPA—400原子力顯微鏡對ZnO表面形貌進行觀測，如圖2(b)所示，測得ZnO薄膜的表面平均粗糙度約為13.797 nm，這說明ZnO薄膜表面非常平整，適合于制作SAW器件。

2.2 SAW器件的制作與特性測試

在沉積完ZnO后，在ZnO/Glass結構上利用標準光刻和剝離(lift-off)工藝制作SAW器件，并對器件進行了400 ℃、常壓條件下的退火。叉指電極的周期，即波長λ為16 μm。叉指電極的寬度為1.28 mm；叉指數量左右各20對,左右兩組叉指電極之間的距離為20λ。器件還采用了4對反射(reflector)電極。所制作的SAW器件如圖3所示。

圖3 實驗制備的ZnO/Glass結構SAW器件顯微照片

本實驗采用安捷倫公司型號為E5071C的矢量網絡分析儀對制作好的SAW器件進行測試，通過基于LabVIEW的測試程序記錄器件的特性

本實驗采用光源型號為ANUP5252的紫外燈，用一個中心波長為365 nm的濾光片進行濾光。實驗測試了紫外光照前和紫外光照后的S21(插入損耗)參數和器件中心頻率的變化。圖4是測試系統示意圖。未經過熱處理的SAW器件的傳輸特性很差，只有微小的161.7 MHz的諧振峰，不能用于紫外光的檢測,經過400 ℃熱處理，器件性能大大提高。圖5是此SAW器件S21參數的測試結果，其插入損耗約為-32.5 dB，中心(或諧振)頻率約為161.7 MHz。實際諧振頻率與仿真所得的167 MHz有少許偏離。主要原因是，仿真是基于理想的單晶晶體，聲速大，而實際的ZnO是由磁控濺射法制備的，屬于多晶，聲速低，因此,實際的諧振頻率比仿真值要小。熱處理可以減少薄膜內應力和去除缺陷和雜質，使晶體重新結晶而變大，有利于制作性能良好的壓電器件。

圖4 紫外光傳感器測試系統示意圖

圖5 SAW器件的S21參數

圖6為每隔50 s開關一次紫外光照的情況下，光照前后的S21參數的對比。可以看到施加了紫外光照后，S21參數數值降低，降低量隨著光照能量密度增大而增大。當光強為8.6 mW/cm2時，器件插入損耗約增加了2.75 dB。由圖6所知，在經歷了3次往復的紫外光照射后，器件插入損耗仍能回復到原來的數值，顯示出該種傳感器的高度穩定性。

圖7為每隔50 s開關一次紫外光照情況下得到的器件中心頻率的變化情況。由圖可知,器件的反應時間約為3 s。當紫外光強為8.6 mW/cm2時，器件的中心頻率減小了62 kHz，頻率變化極其明顯，顯示出該種傳感器的優良特性。

圖6 SAW傳感器S21參數隨紫外光強的變化

圖7 中心頻率隨紫外光強的變化

圖8為總結圖7測試數據得到的結果，通過對測試得到的數據進行擬合分析，可以得到，這種基于ZnO/Glass結構的器件其中心頻率隨紫外光強的變化呈近似線性變化關系。其紫外傳感的靈敏度可以通過以下公式計算得到[6]

(1)

其中，fr為器件的諧振頻率，Δf和ΔIUV為頻率偏移量和紫外光強偏移量。由圖8和公式(1)可計算得到該種器件的靈敏度為36.4×10-6/mW/cm2。

圖8 頻率改變量隨紫外光強的變化

該種基于ZnO/Glass 結構器件對紫外光的反應主要是由于ZnO表面的光生載流子引起的[7，8]，當紫外光照射到器件表面時，ZnO晶體價帶中的電子躍遷到導帶中，導致自由電子空穴對的產生，而光生載流子主要集中在ZnO薄膜的表面，這些載流子將于SAW器件表面產生聲電耦合作用，從而導致器件傳輸特性的變化。SAW器件聲波傳播速度偏移(Δv)和插入損耗偏移(ΔΓ)由以下兩式決定[9，10]

(2)

(3)

其中，v0為聲波的原始傳播速度，k2為有效機電耦合系數，λ為聲波波長，σm和σ分別為材料固有電導和材料表面電導。由式(2)、式(3)可知，當紫外光照射ZnO表面時，ZnO材料的表面電導發生變化，因而,相對應的SAW器件的頻率和插入損耗也發生變化。

3 結束語

本文研究了基于ZnO/Glass結構的SAW器件及其紫外特性,通過COMSOL仿真得到的SAW器件模型的中心頻率與實驗得到的頻率相接近。本文用磁控濺射的方法在Glass片上制備了ZnO薄膜，并制作了相應的SAW器件，對其紫外特性進行了測試,得到了良好的結果。這為研究這種基于ZnO薄膜的紫外探測器提供了一種新的途徑。

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