高性能ZnO 薄膜紫外光電探測器的研究★

劉思霖，張詩曼，王 楠

（長春師范大學，吉林 長春 130032）

ZnO 紫外光電探測器近年來受到了研究者廣泛的關注，它在環境監測、化學和生物分析、火焰探測、太陽天文學、導彈羽流探測和燃燒監測[1]等方面具有廣泛的應用價值。隨著半導體材料的充分研究，紫外光電探測器的制造也逐步發展。ZnO 作為一種具有吸引力的寬帶隙（如室溫下為3.37 eV）氧化物半導體，可用于制造包括紫外光電探測器[2-4]在內的短波長光電器件。不同研究小組對ZnO 在單晶、薄膜和納米結構形式中的紫外光響應進行了大量研究，顯示出其復雜的特性[5-8]。目前仍在繼續努力獲得具有更高響應特性的ZnO 紫外光電探測器。

ZnO 紫外光探測器的近期報道主要集中在MSM結構上，其中包含基于肖特基勢壘的光電壓型光電探測器和基于歐姆接觸的光導型光電探測器。研究者試圖通過優化ZnO 薄膜來提高光電探測器的響應度，但缺乏對器件本身的優化。退火是一種增強膜性能的有效處理方法。目前，已采用多種技術沉積ZnO 薄膜，證明退火膜可以有效地提高晶體質量。在本研究中，采用射頻磁控濺射技術，在石英襯底上增長ZnO薄膜，并通過退火工藝，優化了ZnO 的薄膜質量。通過退火的手段，使得光電探測器的響應能力顯著增強，這表明退火方法是提高ZnO 薄膜紫外光電探測器性能的有效途徑。

1 實驗部分

1.1 探測器的制備

ZnO 基MSM結構紫外光電探測器的制作如圖1所示。

圖1 光電探測器制作流程圖

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%）、無水乙醇（≥99.7%）和超純水在超聲波清洗機中清洗10 min，高純氮氣干燥后備用。采用ZnO 陶瓷（≥99.995%）作為濺射靶，直徑為50.8 mm，厚度為4 mm。目標與石英基底之間的距離為50 mm。雙空氣抽吸系統可使系統的真空度低于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 薄膜生長過程中，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，濺射時間為2.5 h。為了保證沉積薄膜的均勻性，載物臺以5 r/min 的速度旋轉。將生長好薄膜的探測器分別命名S1、S2、S3、S4。對S2、S3、S4 進行退火處理，退火溫度分別為500、600、700 ℃，升溫和降溫速度均為8 ℃/h，持續退火15 min。在退火過程中，探測器在含有氧氣和氬氣（20、60 sccm）的混合氣體中得到保護。

1.1.2 電極的制備

采用直流濺射技術在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，采用紫外線照射和濕法光刻技術制備了探測器的MSM結構電極。電極插指對數為15，插指長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）進行樣品物相分析（40 kV、20 mA），Cu Kα輻射（λ=0.154 3 nm）；利用美國的PerkinElmer Lambda 950 UV/Vis 雙光束紫外分光光度計表征ZnO 薄膜的光學吸收特性（300～500 nm）；利用卓立漢光公司的Zolix DR800-CUST 型光譜響應測試系統對探測器進行光響應測試，采用Agilent 16442A 設備對探測器的電學性能進行測試。

2 結果與分析

2.1 XRD 表征

圖2 為探測器的XRD 譜圖，所有ZnO 薄膜都具有良好的c 軸取向，連續退火后明顯提高了ZnO 薄膜的衍射峰強度，薄膜的特征衍射峰均保持單一六方相。結果表明，ZnO 薄膜的晶體質量在氮氣氛圍退火作用下得到提高，薄膜中的應力得到了釋放，結晶質量得到了改善。

圖2 探測器的XRD 圖譜

2.2 吸收光譜表征

圖3 展示了探測器在300～500 nm 范圍內的吸收光譜。結果表明，所有探測器的吸收都隨著波長的減小而增大，探測器在紫外波段中具有較強的寬頻吸收。4 組探測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。利用標準(αhν)2 vs hν得到相應的禁帶能，通過計算得到探測器的禁帶寬度為3.36 eV。

圖3 探測器的紫外-可見吸收光譜

2.3 電流表征

圖4 為ZnO 薄膜光電探測器的暗電流變化曲線，非線性I-V 特性表明，探測器實現了肖特基金屬-半導體接觸。5 V偏壓下未退火和退火溫度為500、600、700 ℃的探測器暗電流分別為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。主要原因為，在ZnO 射頻磁控濺射過程中，一些Au 原子進入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 原子會在薄膜中擴散得更深，形成更多的間隙缺陷。金費米表面的能級（功函數）接近于ZnO 導帶底部的能級，來自間隙缺陷（Au 原子）的電子在能級上積累，并從導帶底部的ZnO 電子中吸收能量，位于ZnO 導帶底部的能級將會降低。當退火溫度越高時，能級會降低越多。薄膜中的Au 原子不僅增強了ZnO 薄膜的電子親和能，而且降低了肖特基勢壘高度，這對提高暗電流也有好處。因此，暗電流的變化更大。

圖4 探測器的暗電流曲線

2.4 響應度表征

在5 V 的偏壓，320 μW/cm2光功率下，測量了250～500 nm 范圍內ZnO 紫外光探測器在未退火及不同溫度下退火時的響應度光譜，如圖5 所示。很明顯，隨著退火溫度的升高，光電流極大增強，響應度從0.016 A/W 增加到1.621 A/W。通過連續退火，在相同的偏置偏壓下，Au 電極與ZnO 半導體之間的電有效質量足夠，電子空穴移動會變慢，繼續吸引更多的電子。器件中的電流將存在較長的時間，直到電子空穴被電子中和。與未退火器件相比，連續熱退火裝置中電子的壽命會有一定程度的延長，因此該器件表現出增益現象。由此可以看出，增強光電探測器光響應的最簡單方法是對器件進行退火。

圖5 探測器的響應度圖譜

3 結論

利用射頻磁控濺射技術在石英襯底上制備了ZnO 薄膜，將MSM結構的光電探測器在濺射室中分別在500、600、700 ℃進行連續退火15 min。結果表明，隨著退火溫度的升高，暗電流和響應強度逐漸增強。這是由于隨著退火溫度的升高，少量Au 原子進入ZnO 薄膜并擴散得更深，這不僅增強了ZnO 薄膜的電子親和能，并且降低了肖特基勢壘高度，使得探測器性能得到了提高。