新型非对称复合透明电极MgZnO日盲紫外光探测器工作机理与实验研究

Considering the limitation of both optical responsivity and quantum efficiency by the inherent defect of shadow effect for normal incidence of traditional metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors, a novel MgZnO solar- blind MSM ultraviolet detector with MgO/Metal(Au、Pt)/MgO transparent electrodes which have asymmetric structures to suppress the dark currents is proposed. The theoretical analyses and experiments will be carried out in this study. Based on the optical thin-film theory, a theoretical model of multilayer films will be established to get the parameters of the UV transparent electrodes. On the basis, the pre-established numerical model of ours will be further improved by considering a variety of physical mechanisms. Then, the detection mechanism will be investigated and the device structure will be optimized. To obtain stable and reliable manufacturing processes,some important fabrication processes such as the growth of MgZnO with ZnO buffer layer, the preparation technology of Schottky transparent electrodes with asymmetric structure and the PECVD deposition of the SiO2 passivation /antireflection layer will be studied in detail. For the circuit level simulation of novel photodetectors, semi-analytical model and equivalent-circuit-based model will be set up after device fabrication and testing. The purpose of this study is to explore the internal working mechanism of the detector with novel electrode structure and reveal the impact of asymmetric MgO/Metal(Au、Pt)/MgO transparent electrodes on the solar-blind detection, providing the theoretical and experimental references for the design and preparation of high-performance solar-blind UV photodetector.

针对叉指电极结构MSM探测器光电响应度低、量子效率不高的固有缺陷，结合非对称电极对于探测器暗电流特性的改善作用，申请者提出了基于非对称MgO/Metal(Au、Pt)/MgO复合透明电极的MgZnO日盲紫外探测器结构。拟从理论和实验两个方面对其展开研究。具体包括基于薄膜光学理论建立多层膜理论模型，获取紫外复合透明电极参数，在此基础上，通过引入多种物理机制的影响完善申请者前期建立的器件数值模型并进行探测机理研究和器件结构优化；通过基于ZnO缓冲层的六方相MgZnO外延材料生长、肖特基非对称复合透明电极制备、二氧化硅钝化层/减反射层PECVD沉积等探索稳定、可靠的工艺方案并进行器件实验；进而建立半物理半经验/经验等效电路模型进行电路级仿真。上述研究旨在探索新电极结构探测器工作的内部机理，揭示复合透明电极对日盲探测性能的影响机制，为MgZnO高性能日盲紫外探测器的设计与制备提供理论和实验参考。

MgZnO基MSM紫外探测器由于其优良的器件特性和广阔的应用前景，受到了研究人员的广泛关注。到目前为止，有关MgZnO基MSM紫外光探测器的研究已取得较大的进展，但与人们的期望相比，仍有一定的差距。本项目围绕新型电极结构MgZnO MSM紫外探测器，从ZnO、MgZnO基半导体材料的第一性原理计算、输运特性的蒙特卡洛分析、新型电极结构MgZnO MSM探测器的设计与优化、等效电路的建模与仿真等方面开展了研究工作。结果表明，锌间隙和Y共掺杂对ZnO在可见光和紫外光区域的光吸收有一定的改善作用。另外，Fe原子的掺杂和吸附对ZnO(0001)表面在可见光区域的光吸收也都具有较强的改善作用；对MgZnO三元化合物而言，随着Mg含量的增加，电子漂移的峰值速度随之降低，瞬态条件下，随着Mg的增加，发生速度过冲的起始电场逐渐增强，值得注意的是，在Zn0.889Mg0.111O和Zn0.833Mg0.167O中，当电场分别为2000kV/cm、2500kV/cm时发现速度下冲现象，而对于Zn0.806Mg0.194O 和 Zn0.75Mg0.25O，当电场达到3000kV/cm时仍未出现速度下冲；对MgZnO/ZnO异质结而言，在MgZnO层厚度较薄的条件下，势垒层厚度的波动对2DEG迁移率的影响较大。此外，合金群散射是该异质结低温下主要的散射机制之一。高场条件下，MgZnO/ZnO异质结电子漂移速度的稳态特性研究中观察到了负微分迁移率（其阈值电场近似为80 KV/cm），瞬态特性研究中发现了速度过冲，200 KV的电场下，Zn0.694Mg0.306O/ZnO异质结的最高漂移速度为2.011×108 cm/s；非对称功函数三棱柱形和半圆柱形电极MgZnO MSM光探测器结构能够在提高光电流的同时有效抑制暗电流，且能够获得良好的PDR特性；建立的MgZnO MSM光探测器半物理半经验等效电路模型能够很好地模拟其稳态、瞬态和噪声特性。另外，串联型峰值增益技术以及加强型峰值增益技术在显著提高探测器带宽的同时，还可以起到降低探测器噪声的作用；设计的ZnO/Mg0.3Zn0.7O量子级联探测器在光响应度方面具有较好的温度稳定性，另外，通过提高掺杂浓度可以显著提高探测性能。本项目为深入探索新结构MgZnO探测器工作的内部机理，设计和制备MgZnO基高性能光探测器提供了参考。