ZnO材料MSM-PDs的制备与应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：改善ZnO与金属电极之间的接触界面是肖特基型ZnOMSMPDs研究的一个主要方面。类似于6.4节中SiGeMSM-PDs中利用图案不对称电极来降低器件暗电流的方法，研究者们发现在肖特基型ZnOMSM-PDs中使用图案不对称电极可以实现器件的自供电。为了提高ZnOMSM-PDs器件的光响应，研究者将前文中提到的共振腔增强结构应用于ZnOMSM-PDs器件。在ZnOMSM-PDs中也出现了表面等离激元增强的相关报道。

ZnO是一种具有直接宽带隙的Ⅱ族～Ⅵ族N型化合物半导体，室温下禁带宽度为3.37eV，具有优异的光学和电学特性，在紫外探测器、蓝紫光发光二极管（LED）和激光二极管等领域备受关注［185，295，296］。与其他制备紫外光电探测器的半导体材料相比，ZnO有载流子饱和漂移速率高、抗辐射能力强、晶体质量好等优点［186，295］，是制备紫外光电探测器的首选材料之一。

1986年，Fabricius制作了第一个肖特基型ZnOMSMPD［297］，半导体层是溅射得到的ZnO多晶薄膜，该器件的响应率为3mA／W，相应的量子效率仅为1%，这主要是由于他们所制备的ZnO多晶薄膜内部相对较高的载流子复合率所致。2000年，Liu等人［298］利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长了高质量的ZnO薄膜，基于此制备的光电导型MSMPD的响应率达到400A／W，使得该类型器件的性能大幅度改善，其光响应时间在微秒量级。2006年，Xu等人基于磁控溅射法获得的ZnO薄膜同样制备了光电导型MSMPD，发现其响应率与前述MOCVD方法制得的器件降低了一个数量级，但是其上升沿时间却缩短了1个数量级［299］。

改善ZnO与金属电极之间的接触界面是肖特基型ZnOMSMPDs研究的一个主要方面。Au、Ag、Pd与n-ZnO形成的肖特基势垒均在0.6～0.8eV，由于存在不可忽视的界面缺陷态，其势垒高度并未随功函数的不同而变化，并且Au与ZnO在365K真空加热下就会相互反应，而Ag与ZnO形成的接触在相同处理下则表现出局部分层现象，这反映出上述金属电极无法与ZnO形成稳定可靠的肖特基接触［300］。2005年，Lin等人研究了具有Ru接触电极的ZnOMSM-PDs，得到了相对较高的明暗电流比和较快的响应速度［301］。该器件在1V偏压下，明暗电流分别为和1.8×10-5A和8×10-8A，明暗电流比达225。具体地，Ru电极在含氧环境下热退火会生成高透明度、导电性好及高功函数的RuO2，进而RuO2与n-ZnO外延层之间形成了好的肖特基接触来抑制暗电流，同时透明电极的形成还有利于提高光电流。也有研究者在氧化锌与金属之间插入一层绝缘层来解决这一问题。如2008年，Nejad等人基于热电子发射理论和隧穿效应计算了具有不同接触电极的ZnOMSM-PDs电流传输机制［302］，发现Ru电极在3V偏压下有最低的暗电流6.03×10-10A，同时证明在氧化锌与金属电极间插入薄层二氧化硅提高了肖特基势垒使其暗电流降低到6.0×10-14A。2010年，Ali等人实验上制备了含5nmSiO2绝缘层的ZnOMSM-PDs［303］，将势垒高度从0.748eV提高到0.838eV，暗电流在3V偏压下从5.63×10-7A降低到3.75×10-8A，在波长365nm、功率0.1mW光照下，明暗电流比从12提高到904，响应率从0.056A／W提高到0.206A／W。

类似于6.4节中SiGeMSM-PDs中利用图案不对称电极来降低器件暗电流的方法，研究者们发现在肖特基型ZnOMSM-PDs中使用图案不对称电极可以实现器件的自供电。2014年，Chen等人报道了一种基于非对称金属电极的自供电ZnOMSM-PDs［304］，结构示意图见图6.7（a），相对的两组电极一组较宽，一组较窄，该探测器在0V偏压下展示了引人注目的光伏特性，并且随着金属叉指电极不对称比（宽指宽度／窄指宽度）的增加，响应率得到提高，如图6.7（b）所示，其中当叉指电极不对称比为20∶1时，响应率达到20mA／W。

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图6.7　（a）自供电ZnOMSM－PD结构示意图；（b）自供电ZnOMSM－PD在0V偏压下光谱响应［304］；（c）具有Pt纳米颗粒的ZnOMSM－PDs结构示意图；（d）基于不同溅射时间下Pt纳米颗粒的ZnOMSM－PDs光谱响应［305］。

为了提高ZnOMSM-PDs器件的光响应，研究者将前文中提到的共振腔增强结构应用于ZnOMSM-PDs器件。如2013年，Lee等人将共振腔增强结构引入到ZnOMSM-PDs中，结果表明具有共振腔增强结构的器件ZnO薄膜厚度50nm时，器件在305nm波长下的响应率为0.268A／W，数值与传统器件ZnO薄膜厚度为500nm时的响应率相当［306］。此外，表面等离激元模式可以将大部分入射光耦合到附近的半导体层中，通过调控金属纳米结构的形貌、材料以及周围的介电环境，可以最大限度提高半导体吸收光的能力［307-310］，这在太阳能电池［311-313］、荧光发射［314］、光电探测［305，315-317］等多个领域发现是有效的。在ZnOMSM-PDs中也出现了表面等离激元增强的相关报道。2014年，Tian等人介绍了一种基于Pt金属纳米颗粒的ZnOMSM-PDs［305］，结构示意图如图6.7（c），通过控制Pt纳米颗粒的溅射时间，他们研究了Pt纳米颗粒对探测器光响应的影响规律，如图6.7（d）所示，其响应率最大可达1.306A／W，比没有Pt纳米颗粒的响应度提高了0.562倍。2016年，Kumar等人也利用磁控溅射的方法将银纳米颗粒引进平面ZnO薄膜上制备了MSM-PD，结果表明增加了银纳米颗粒的器件在340nm处紫外光照射下的响应提高了30倍［317］。同年，Sun等人利用热纳米压印技术制备了具有周期性三维纳米结构的ZnO半导体薄膜，在该薄膜上制作了ZnOMSM-PD，与标准未制作纳米结构的器件相比，具有三维纳米结构的器件紫外光响应提高，这归因于三维纳米结构高效的光捕获能力［315］。多元氧化物也可以实现带隙的可调性。MgxZn1-xO随Mg组分的增加其带隙宽度在3.37～7.8eV之间变化，对应的波长范围为370～159nm，也适用于日盲区紫外光探测器的制备，受到了研究者的关注。2009年，Wang等人在蓝宝石基底上制备了一个Mg0.48Zn0.52OMSM-PD［318］，该器件的峰值响应为268nm，截止波长为283nm。10V偏压下，器件的暗电流为6.5pA，这归因于良好的晶体质量。在波长268nm光照下，偏压20V时得到最大的响应率为16mA／W，相应的外量子效率为7%，波长268nm与350nm响应率抑制比达到103数量级。该器件也展示了较快的响应速度，负载电阻为50Ω时，上升时间为10ns，衰减时间为150ns。

为了提高ZnO类薄膜的光电性能，一些研究者提出将Al、Ga等原子掺杂到ZnO薄膜中。如2006年，Xu等人报道了利用溶胶凝胶法制备Al掺杂的ZnO薄膜［319］，并基于此制作了Au／ZnO∶Al／Au紫外光电探测器，该器件在6V偏压下测到的暗电流值为18μA，相同电压下，350nm单色光照射时电流为58.05μA。2015年，Singh和Park也报道了有关Al掺杂ZnOMSM-PD的工作［320］，1.5V偏压下，该器件的暗电流最小为2.3×10-11A，明暗电流比高达6.7×103。2014年，Xie等人制备了Ga掺杂的MgZnOMSM-PD［321］，具有Ga掺杂的器件暗电流为比未掺杂的器件上升了两个数量级，这是由于Ga掺杂使得MgZnO薄膜的电导率提高导致的。但是，Ga掺杂器件的响应率比未掺杂器件的提高了50倍，相应的量子效率也提高了50倍。这些结果表明，有效掺杂Ga、Al等有希望改善ZnOMSM-PDs器件的光电性能。

ZnO材料MSM-PDs的制备与应用

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