日盲型MgZnO紫外光傳感器研制及性能分析

劉振吉，楚 盛，楊永輝，劉 金，袁小兵

（1.中國工程物理研究院計算機應用研究所，四川 綿陽 621900；2.中山大學物理科學與工程技術學院，廣東 廣州 510275）

日盲型MgZnO紫外光傳感器研制及性能分析

劉振吉1，楚 盛2，楊永輝1，劉 金1，袁小兵1

（1.中國工程物理研究院計算機應用研究所，四川 綿陽 621900；2.中山大學物理科學與工程技術學院，廣東 廣州 510275）

紫外探測虛警率低，不受熱噪聲影響，可以與紅外探測及雷達探測相結合，在火力探測及預警領域有廣闊的應用前景。該文采用分子束外延法，通過控制Mg源、Zn源和藍寶石襯底的溫度變化，制備一種MgZnO日盲型紫外探測傳感器。對其紫外光譜透光率、響應率和響應時間進行測量。在實驗室內利用氘燈作為紫外光源，對MgZnO紫外探測傳感器進行探測實驗，得到響應電壓和日盲波段響應率。通過進一步優化探測器制備工藝，提高探測器響應面積和響應率，有望實現遠距離的火力探測和預警。

MgZnO；紫外探測；日盲；光響應率；火力探測；紫外告警

0 引 言

攻防對抗技術的發展在軍事領域備受關注，隨著飛機、艦艇、裝甲車等各類作戰平臺裝備的更新換代，導彈準確打擊技術日新月異，與之相對的各類預警、探測技術也不斷完善。雷達探測技術、紅外探測技術發展相對成熟，但仍有局限性，如雷達探測面臨隱身技術會造成漏警，紅外探測需要制冷、虛警率高。自20世紀中葉開始，美國使用地基及空基探測器測量發射導彈的紫外光譜，開展了彈道導彈的紫外探測研究和觀測實驗，直到20世紀80年代，各項實驗證明了導彈紫外預警的可行性[1]。紫外探測器虛警率低，不受熱噪聲影響，不需要制冷，有利于探測預警系統小型化。自20世紀80年代中末期，美國Loral公司推出了世界上第一臺紫外預警AAR-47后，紫外預警的發展經歷了概略型和成象型兩代革新，國內也研制出了日盲紫外告警系統。但是這些告警系統為實現日盲性，需配套復雜的光學部件。隨著新材料、新工藝等技術的進步，第3代寬禁帶半導體由于禁帶寬度較寬（2.5～6.2eV），使得制造“日盲”紫外探測器成為可能。

1 日盲區

在12 km以下近地空間，大氣臭氧層對波長290nm以下的紫外光吸收強烈，使得該波段的太陽紫外輻射難以到達近地表面，受日光和空氣中背景散射的影響小[2]。通常將太陽光輻射極少到達地球表面的中紫外光譜區稱為“日盲區”，“日盲區”沒有嚴格的定義，不同文獻有不同描述，有200～300 nm[2]，200～290 nm[3]，220～280 nm[4-5]，240～280 nm[6]等，相關實驗數據顯示279～281nm是日盲區的截止上限[7]。

2 MgZnO薄膜制備

當前全固態紫外探測器主要有ZnMgO/ZnO、金剛石、Si、SiC、AlGaN/GaN等[8-9]。其中ZnO的禁帶寬度為3.3eV，在摻Mg后可調制禁帶寬度到7.7eV，最高可達60eV的激子結合能，因此MgZnO薄膜制備是研制高響應率日盲紫外探測器的重要方向。

要研制探測能力高、波長選擇性強的日盲型紫外傳感器，前提是獲得禁帶寬度適當、電阻率高的MgZnO薄膜。采用分子束外延法制備MgZnO薄膜，通過調整摻Mg比例，使薄膜達到日盲要求。該方法在許多文獻中都有介紹[10]，在實驗室中使用一臺美國SVTA分子束外延系統（型號：35-V-3；規格：背景真空＜8×10-11Torr，1Torr≈133.322Pa）在藍寶石襯底上生長MgZnO薄膜。薄膜生長步驟簡述如下：

1）將清洗潔凈的2英寸（1英寸=0.0254m）大藍寶石襯底放入生長室，抽真空至1×10-10Torr以下；

2）高溫預退火，溫度800℃，時間20min；

3）將襯底溫度降低到400℃，同時將Mg源溫度升高到450℃，打開Mg源進行一層MgO緩沖層的生長，時間30s；

4）將Zn源溫度升高到360℃，打開Zn源進行一層ZnO緩沖層的生長，時間30s；

5）將襯底溫度升高到600～750℃，打開Zn、Mg源和氧氣離子源進行主MgZnO層的生長，通過控制Zn、Mg源的閥門開度可控制Zn、Mg組分比例，時間為3h；

6）生長完畢后，關閉Zn、Mg源，并將襯底溫度緩慢下降到室溫；

7）打開生長室，取出樣品。

生長完成的樣品如圖1所示，MgZnO薄膜在日光下是無色透明的。

用一臺島津紫外-可見光光譜儀對薄膜樣品進行透光性測試，測試結果見圖2。

圖中樣品1、樣品2、樣品3分別指生長溫度為600，700，750℃的薄膜產品，可看出樣品1透射率的邊緣值在240～280 nm范圍內，達到了日盲性要求。

圖1 MgZnO薄膜

圖2 MgZnO薄膜透光率測試結果

3 傳感器制作

3.1 在薄膜上沉積電極

在日盲型MgZnO薄膜上沉積電極是加工光電探測傳感器必不可少的步驟，光電導型探測器常用的電極形式為叉指式電極，加工這種電極的步驟是：

1）在鍍鉻的玻璃板上做出叉指式明暗圖樣的掩模版；

2）使用該掩模版在Karl Suss MA-6紫外曝光機上進行光刻，光刻時需要在MgZnO薄膜上旋涂厚度為1.6μm的S1813光刻膠材料；

3）使用曝光機曝光后，樣品使用專用顯影液去除被紫外光照射過的光刻膠部分；

4）將樣品放入電子束真空沉積爐，為樣品鍍10nm鈦和200nm金膜；

5）將樣品取出后用丙酮去除所有光刻膠，這樣就在MgZnO薄膜上制作成陣列式的叉指式電極。

3.2 傳感器測試工裝

電極沉積后，測試中仍很難在金屬薄膜電極上接線，因此需將樣品放置在一個PCB板上。如圖3所示，中間部分是一個MgZnO晶片，面積約為1cm2，其中單個探測器樣品的長為375 μm寬為300 μm，其上可見陣列型的叉指式電極。PCB板外圍為一圈接線點，方便連線。每個探測器有正負兩極，探測器可以單個使用也可并聯使用。使用超聲絲焊機將探測器樣品上的電極與PCB板上的接線點連接起來，方便外圍電路連接器件。

圖3 傳感器封裝實物圖

圖4 4種紫外探測器的歸一化響應譜

4 傳感器性能測試

4.1 響應率測試

采用450 W的氙燈、單色儀及顯微鏡探針臺組成的光譜響應測試系統進行光響應性能測試，其中單色光的光功率由紫外增強Si功率計標定。

圖4為基于4種MgZnO薄膜樣品制備的4種紫外探測器的歸一化響應譜。從圖中可以看出，ZnO的響應峰值波長為360nm，落在了UV-A紫外波段，其響應譜延續到了深紫外波段。Mg0.42Zn0.58O的響應峰值波長為288nm，落在了UV-B紫外波段，響應截止波長為305 nm，整個響應譜橫跨UV-B和UV-C兩個波段。Mg0.51Zn0.49O的響應峰值波長在264 nm，落在UV-C日盲波段，響應截止邊在280 nm，也在日盲區域，響應譜覆蓋了整個日盲波段。Mg0.50Zn0.50O響應峰在235 nm，響應截止邊在250 nm，響應譜完全落在日盲波段。Mg0.51Zn0.49O的數據與文獻[4]中采用同樣比例的Mg0.51Zn0.49O測試數據相比，效果相對更優，后者的響應峰值波長在250 nm，響應截止邊在273nm。

在10V偏壓下，上述4種傳感器樣品的響應率測試結果詳見表1。

表1 4種紫外光傳感器響應率測試數據

通過上述測試結果，Mg0.51Zn0.49O從日盲特性和對紫外光的響應率兩個方面綜合來看是較理想的日盲型紫外探測傳感器材料。

4.2 響應時間測試

對Mg0.51Zn0.49O的響應時間特性進行測量，測試結果如圖5所示，能夠滿足大多數告警探測系統對日盲型紫外探測傳感器的響應時間要求。

4.3 探測實驗驗證

關于紫外光輻射量值傳遞及定標測試方法有文獻進行了詳細介紹[11-13]，在此設計了一個探測驗證實驗，以檢驗MgZnO薄膜Mg0.51Zn0.49O制備的傳感器在日盲波段的實際探測能力。在實驗室內搭建了相關實驗環境，儀器設備包含UVTOUCH紫外光輻射計（配UVC波段探頭）、直流穩壓電源、電流電壓表、紫外光源氘燈DX227-05J（含電源板PSD185，光譜分布范圍190～600 nm）和信號放大電路板（將電流信號放大為電壓信號，匹配電阻為1 MΩ，放大倍數106）等。保持傳感器樣品與氘燈距離20mm，感光面正對氘燈出光點，保持位置固定。用直流穩壓電源給信號放大電路板供電，傳感器樣品的正負極通過信號放大電路板連接至電流電壓表。將氘燈點亮穩定10 s后，記錄電流電壓表顯示的響應電壓值為36.7 mV。UVTOUCH紫外光輻射計（配UVC波段100～280nm探頭）測得傳感器位置處的紫外光輻射照度1.75W/m2，波長范圍僅限于190～280nm，接近日盲波段。

圖5 紫外探測器的響應時間特性

根據光輻射亮度E、光通量lm、傳感器波段平均響應率S、響應面積A等相關定義可得：

式中：U——響應電壓；

R——匹配電阻；

A=0.11mm2——單個探測器樣品有效響應面積。

由式（2）可得波段平均響應率：

驗證實驗獲得的傳感器樣品在近日盲波段的平均響應率接近其峰值響應率0.21A/W，表明實驗結果與響應率測試結果符合性較好。

5 結束語

采用分子束外延法在藍寶石襯底上生長MgZnO薄膜，通過調節主MgZnO層的生長溫度可以控制薄膜的透射率截止波長，在生長主MgZnO層過程中通過控制Zn、Mg源的閥門開度可控制Zn、Mg組分比例。通過對MgZnO薄膜及由其制備的紫外光傳感器的性能測試結果進行分析，可知在主MgZnO層的生長溫度為600℃，Mg組分為51%，Zn組分為49%的情況下可獲得日盲型紫外探測傳感器。此外封裝工藝還需改進，MgO遇到空氣中的水容易水解，需要鍍一層SiO2或Al2O3材料進行保護。可進一步挖掘工藝潛力，提高MgZnO薄膜對日盲波段紫外光的響應率和工藝一致性，有望用于火力探測。

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Preparation and performance analysis of solar-blind MgZnO ultraviolet sensor

LIU Zhenji1，CHU Sheng2，YANG Yonghui1，LIU Jin1，YUAN Xiaobing1
（1.Institute of Computer Application，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China；2.School of Physics and Engineening，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China）

Ultraviolet detection had a broad application prospect of fire detection and warning。Ultraviolet detection had low false rate and nor heatednoise influence，it can be combined with infrared detection and radar detection.With the development of new materials and techniques，the military application of ultraviolet detection will be more widely.Using molecular beam epitaxy prepared a MgZnO ultraviolet detection sensor by controling the temperature of Mg source，Zn source and the sapphire substrate.It’s ultraviolet spectrum light transmittance，response rate and response time wasmeasured.Using deuterium lamp asa ultravioletlightsource，detection experiment for MgZnO ultraviolet detection sensor was carried out，the response voltage and solar blind wave band response rate was measured.It’s expected to achieve long-range fire detection and warning，by optimizing the preparation technology and improving the response area and rate of the MgZnO ultraviolet detection sensor.

MgZnO；ultraviolet detection；solar blind；spectral responsivity；firepower detection；UV warning

A

：1674-5124（2015）07-0064-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.015

2015-02-01；

：2015-03-20

國家自然科學基金（11204097）中物院高新裝備中心項目（2014GX0112）

劉振吉（1974-），男，山東濰坊市人，副研究員，碩士，研究方向為自動化測試系統的研究與應用。