高性能ZnO 薄膜紫外光电探测器的研究★

刘思霖，张诗曼，王 楠

（长春师范大学，吉林 长春 130032）

ZnO 紫外光电探测器近年来受到了研究者广泛的关注，它在环境监测、化学和生物分析、火焰探测、太阳天文学、导弹羽流探测和燃烧监测[1]等方面具有广泛的应用价值。随着半导体材料的充分研究，紫外光电探测器的制造也逐步发展。ZnO 作为一种具有吸引力的宽带隙（如室温下为3.37 eV）氧化物半导体，可用于制造包括紫外光电探测器[2-4]在内的短波长光电器件。不同研究小组对ZnO 在单晶、薄膜和纳米结构形式中的紫外光响应进行了大量研究，显示出其复杂的特性[5-8]。目前仍在继续努力获得具有更高响应特性的ZnO 紫外光电探测器。

ZnO 紫外光探测器的近期报道主要集中在MSM结构上，其中包含基于肖特基势垒的光电压型光电探测器和基于欧姆接触的光导型光电探测器。研究者试图通过优化ZnO 薄膜来提高光电探测器的响应度，但缺乏对器件本身的优化。退火是一种增强膜性能的有效处理方法。目前，已采用多种技术沉积ZnO 薄膜，证明退火膜可以有效地提高晶体质量。在本研究中，采用射频磁控溅射技术，在石英衬底上增长ZnO薄膜，并通过退火工艺，优化了ZnO 的薄膜质量。通过退火的手段，使得光电探测器的响应能力显著增强，这表明退火方法是提高ZnO 薄膜紫外光电探测器性能的有效途径。

1 实验部分

1.1 探测器的制备

ZnO 基MSM结构紫外光电探测器的制作如图1所示。

图1 光电探测器制作流程图

1.1.1 ZnO 薄膜的制备

采用射频磁控溅射技术在石英衬底上制备了ZnO 薄膜。在溅射之前，石英衬底分别用丙酮（≥99.5%）、无水乙醇（≥99.7%）和超纯水在超声波清洗机中清洗10 min，高纯氮气干燥后备用。采用ZnO 陶瓷（≥99.995%）作为溅射靶，直径为50.8 mm，厚度为4 mm。目标与石英基底之间的距离为50 mm。双空气抽吸系统可使系统的真空度低于5×10-4Pa。溅射的混合气体是含有超纯（5N）氧和氩的工作气体（15、50 sccm，sccm 代表cm3/min）。在溅射室中，ZnO 薄膜生长过程中，压力保持在5.0 Pa，石英基底温度保持在683 K。射频功率保持在150 W，溅射时间为2.5 h。为了保证沉积薄膜的均匀性，载物台以5 r/min 的速度旋转。将生长好薄膜的探测器分别命名S1、S2、S3、S4。对S2、S3、S4 进行退火处理，退火温度分别为500、600、700 ℃，升温和降温速度均为8 ℃/h，持续退火15 min。在退火过程中，探测器在含有氧气和氩气（20、60 sccm）的混合气体中得到保护。

1.1.2 电极的制备

采用直流溅射技术在ZnO 薄膜上制备了Au 薄膜，厚度为20 nm，溅射功率为60 W，溅射气体氩气的流量为30 sccm。同时，采用紫外线照射和湿法光刻技术制备了探测器的MSM结构电极。电极插指对数为15，插指长500 μm，宽5 μm，插指间距为5 μm。

1.2 分析与表征

利用Rigaku D/M-2200T X 射线衍射仪（XRD）进行样品物相分析（40 kV、20 mA），Cu Kα辐射（λ=0.154 3 nm）；利用美国的PerkinElmer Lambda 950 UV/Vis 双光束紫外分光光度计表征ZnO 薄膜的光学吸收特性（300～500 nm）；利用卓立汉光公司的Zolix DR800-CUST 型光谱响应测试系统对探测器进行光响应测试，采用Agilent 16442A 设备对探测器的电学性能进行测试。

2 结果与分析

2.1 XRD 表征

图2 为探测器的XRD 谱图，所有ZnO 薄膜都具有良好的c 轴取向，连续退火后明显提高了ZnO 薄膜的衍射峰强度，薄膜的特征衍射峰均保持单一六方相。结果表明，ZnO 薄膜的晶体质量在氮气氛围退火作用下得到提高，薄膜中的应力得到了释放，结晶质量得到了改善。

图2 探测器的XRD 图谱

2.2 吸收光谱表征

图3 展示了探测器在300～500 nm 范围内的吸收光谱。结果表明，所有探测器的吸收都随着波长的减小而增大，探测器在紫外波段中具有较强的宽频吸收。4 组探测器均有陡峭的吸收边，且吸收率随着退火温度的提高而逐渐升高。利用标准(αhν)2 vs hν得到相应的禁带能，通过计算得到探测器的禁带宽度为3.36 eV。

图3 探测器的紫外-可见吸收光谱

2.3 电流表征

图4 为ZnO 薄膜光电探测器的暗电流变化曲线，非线性I-V 特性表明，探测器实现了肖特基金属-半导体接触。5 V偏压下未退火和退火温度为500、600、700 ℃的探测器暗电流分别为8.11×10-10、1.55×10-9、2.84×10-9、3.88×10-9A。暗电流随着退火温度的升高也在逐渐变大。主要原因为，在ZnO 射频磁控溅射过程中，一些Au 原子进入ZnO 薄膜中，形成间隙缺陷，存在一些空位缺陷。随着退火温度的升高，Au 原子会在薄膜中扩散得更深，形成更多的间隙缺陷。金费米表面的能级（功函数）接近于ZnO 导带底部的能级，来自间隙缺陷（Au 原子）的电子在能级上积累，并从导带底部的ZnO 电子中吸收能量，位于ZnO 导带底部的能级将会降低。当退火温度越高时，能级会降低越多。薄膜中的Au 原子不仅增强了ZnO 薄膜的电子亲和能，而且降低了肖特基势垒高度，这对提高暗电流也有好处。因此，暗电流的变化更大。

图4 探测器的暗电流曲线

2.4 响应度表征

在5 V 的偏压，320 μW/cm2光功率下，测量了250～500 nm 范围内ZnO 紫外光探测器在未退火及不同温度下退火时的响应度光谱，如图5 所示。很明显，随着退火温度的升高，光电流极大增强，响应度从0.016 A/W 增加到1.621 A/W。通过连续退火，在相同的偏置偏压下，Au 电极与ZnO 半导体之间的电有效质量足够，电子空穴移动会变慢，继续吸引更多的电子。器件中的电流将存在较长的时间，直到电子空穴被电子中和。与未退火器件相比，连续热退火装置中电子的寿命会有一定程度的延长，因此该器件表现出增益现象。由此可以看出，增强光电探测器光响应的最简单方法是对器件进行退火。

图5 探测器的响应度图谱

3 结论

利用射频磁控溅射技术在石英衬底上制备了ZnO 薄膜，将MSM结构的光电探测器在溅射室中分别在500、600、700 ℃进行连续退火15 min。结果表明，随着退火温度的升高，暗电流和响应强度逐渐增强。这是由于随着退火温度的升高，少量Au 原子进入ZnO 薄膜并扩散得更深，这不仅增强了ZnO 薄膜的电子亲和能，并且降低了肖特基势垒高度，使得探测器性能得到了提高。