高响应度MgZnO日盲光电探测器研究

本研究旨在采用叠靶溅射的方法制备MgZnO合金薄膜，开展生长动力学、晶体结构等方面的研究，通过调节上层靶材的组分、数量、大小等生长参数，开展以实现低缺陷密度、覆盖整个日盲波段的MgZnO合金薄膜为核心，实现高响应度的MgZnO日盲探测器为突破目标的研究工作。此外，将关注和研究该体系具有竞争力的基础问题，包括MgZnO中强激子效应对器件电荷分离效率的影响、电子-声子耦合强度、饱和漂移速度及少子的寿命和扩散长度等。这些基础问题的深入研究，对提高器件的效率、响应度和响应速度等有重大意义。该项目对于尽快实现高响应度的MgZnO日盲光电探测器具有重要的学术价值和研究意义。

目前，一个真正高性能的MgZnO日盲光电探测器尚未走出实验室，响应度低成为了限制其发展的瓶颈。而响应度低的原因主要是因为处于日盲波段的MgZnO吸收层的Mg组分不易控制，并且容易造成分相现象，进而使得局域部分电阻变大，从而降低了器件的响应度。本项目创新性的提出采用叠靶磁控溅射的方法制备MgZnO日盲光电探测器，有别于传统的单靶溅射的方法，本项目所提出的叠靶溅射是采用下层靶材为金属Zn靶，上层靶为MgZnO陶瓷靶，通过调节上层靶材Mg的组分，实现了吸收边从可见盲到日盲波段的连续可调，并使得薄膜中的化学计量比得到了很好的控制。此外，我们对其成膜机理进行了分析，当溅射时，上下靶材同时起辉溅射，下层靶材的Zn原子可以填补由Mg蒸汽压高带来的Zn缺失。在此基础上，采用传统的紫外光刻和湿法腐蚀的方法，制备得到了MSM结构的MgZnO日盲光电探测器。器件的截止边位于284nm，响应峰值位于267nm，响应度的紫外与可见抑制比大于4个数量级。并且响应度得到了极大的提高，器件的响应度在3V偏压下为0.31A/W，与传统的单靶溅射相比响应度提高了180多倍。同时，器件的暗电流在10V偏压下仅为2.67pA，有效的抑制了背底的噪音，计算得到器件的探测率为1.14 × 1013 cmHz1/2W-1. 现在提高MgZnO日盲探测器响应度的方法最主要的就是从晶体角度入手。作为本项目的延伸，本项目还器件结构的角度创新性的提出了ZnO/Au/ZnO三明治结构，使得电极处于两次薄膜的中间。由于上次薄膜的制备，很大程度上减少了下层薄膜的避免的不饱悬挂和键，在使器件的响应度提高的同时，器件的暗电流得到了一定程度的降低，这对于提高器件的整体性能是至关重要的，改变了为了提高响应度而牺牲某一参数来实现的途径。除此之外，我们还从提高吸收光的角度入手，构建了基于Pt表面等离激元增强效应结构的ZnO紫外光电探测器，器件的响应度提高了1.56倍，这不失为另一个构建高响应度紫外探测器的可行器件结构。