基于梯度带隙MgZnO的单载流子倍增型深紫外探测器的研究

Deep Ultraviolet (DUV) photodetectors based on wide bandgap semiconductors have attracted much attention in recent years for their potential applications, including flame sensing, UV photography, chemical/biological agent detection, free space communications, missile plume sensing, and UV-astronomy, etc. On-type carrier multiplication is one of effective way of enhancing gain with low noise level. Among the latest findings are that MgZnO alloys have a larger ratio of conduction-band offset to valence-band offset. This indicates that quasi-electric forces for electrons in graded-band-gap MgZnO become much more marked than for holes. From other hand, to date, however, most of the DUV photodetectors based on MgZnO have low-performance, especially in responsivity, which is one of the important figures of merit for DUV detectors to be commercially applied. Motivated by the above reasons, in this application, via constructing heterojunctions based on Graded-Band-Gap-MgZnO/p-Si, we demonstrate a DUV photodetector with enhanced and tunable gain. The photodetector show sensitive spectral response, high quantum efficiency, and fast response time. The gain mechanism of the device is discussing in detail. In addition, this kind of structure may provide a new approach for high performance photodetector based on wide band gap semiconductor alloys.

半导体深紫外探测器在紫外制导、保密通讯和火灾预警等领域具有广泛应用。单一载流子倍增过程是弱光探测高保真自放大的有效途径，但同时也对材料载流子碰撞离化的调控提出了更高要求。最新的研究结果表明，MgZnO具有较低的价带顶，在合金化的过程中，导带低与价带顶的移动量存在较大差别。这使得MgZnO材料中存在由于组分梯度所引起的导带空间梯度，即电子型准电场。与此同时，高增益、低噪声MgZnO基深紫外探测器的研究也一直是研究的难点。结合以上分析，本项目提出利用梯度带隙MgZnO/p-Si构成异质结，并通过调节Mg、Zn的组分梯度，获得存在准电场的载流子倍增层，以此实现对光生电子的单一倍增，这对提高增益和降低碰撞离化噪声水平是极为有利的。本项目将优化梯度带隙MgZnO的组分梯度及结构，研究梯度带隙材料中准电场对载流子碰撞离化的影响机制，最终实现基于梯度带隙MgZnO的单载流子倍增型深紫外探测器。

深紫外波段光电探测器，特别是工作波长小于280 nm的日盲波段，由于存在臭氧层等的吸收作用，使得近地表面空间范围内不存在来自太阳辐照的影响，进而不存在背景辐射等干扰，具有虚警率低、目标信号源易追逐、抗干扰能力强等优点。因此，此波段探测器在火焰监测、导弹尾焰追踪、高压输电线实时监控等方面有着广泛的应用前景。近年来，由于具有易于集成、无需可见光滤光片、无需制冷、低能耗等优点，基于宽禁带半导体材料（氧锌镁、氮镓铝、氧化镓、金刚石等）的紫外探测器件受到了越来越多研究者们的关注。这其中，氧锌镁材料拥有着较大的可调带隙（7.8 eV 至 3.37 eV），同时具有较高的电子饱和飘移速率，较强的抗辐照能力，使其成为深紫外探测器件的最为理想的候选材料之一。然而，针对在空气环境中具有较强散射的深紫外波段信号而言，实现可控的有效光电探测增益机制是氧锌镁基深紫外探测器迈向弱光探测的重要挑战。针对以上难题，本项目中，我们提出利用较大MgxZn1-xO/MgyZn1-yO导带带阶差，以此构建准电场的思想，进而实现在界面处光生电子的倍增，从而获得针对深紫外探测的可控增益过程。相关的研究成果，被国内国际同行多次引用，并被评价为“出色的研究成果”及“进一步深化了该研究内容”等。此外，我们提出利用在分子束外延过程对表面重构与自发极化极性进行调控，实现薄膜点缺陷类型及浓度的有效控制，获得了低残余电子浓度的氧化锌基薄膜，进一步降低了器件的暗电流，10V偏压下达百fA量级。利用表面钝化工艺，即利用HF、H2O2等对电极接触面进行处理，钝化了表面缺陷，提高了紫外可见抑制比，达到大于4个量级水平，同时器件响应度达14 A/W。为提高器件响应速度，我们利用MSM结构减少寄生电容效应，使得器件的响应时间进入纳秒量级。在本项目的资助下，项目组成员共发表SCI论文9篇，其中影响因子大于3.0的5篇；参加国际国内会议并作报告6人次；培养博士生3名，硕士生1名。项目负责人获吉林省优秀青年基金、中科院长春光机所“曙光”人才计划，并以此项目取得成果为基础成功晋升为副研究员。