Au電極厚度對(duì)M gZnO紫外探測(cè)器性能的影響

孫華山，劉可為，陳洪宇，范明明，陳 星，李炳輝，申德振

（1.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

Au電極厚度對(duì)M gZnO紫外探測(cè)器性能的影響

孫華山1，2，劉可為1*，陳洪宇1，范明明1，2，陳 星1，李炳輝1，申德振1

（1.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

利用分子束外延設(shè)備（MBE）制備了MgZnO薄膜。X射線衍射譜、紫外-可見透射光譜和X射線能譜表明薄膜具有單一六角相結(jié)構(gòu)，吸收邊為340 nm，Zn/Mg組分比為62:38。采用掩膜方法使用離子濺射設(shè)備，在MgZnO薄膜上制備了Au電極，并實(shí)現(xiàn)了Au-MgZnO-Au結(jié)構(gòu)的紫外探測(cè)器。通過改變?yōu)R射時(shí)間，得到具有不同Au電極厚度的MgZnO紫外探測(cè)器。研究結(jié)果表明：隨著Au電極厚度的增加，導(dǎo)電性先緩慢增加，再迅速增加，最后緩慢增加并趨于飽和；而Au電極的透光率則隨厚度的增加呈線性下降。此外，隨著Au電極厚度的增加，器件光響應(yīng)度先逐漸增大，在Au電極厚度為28 nm時(shí)達(dá)到峰值，之后逐漸減小。

MgZnO；紫外探測(cè)器；Au電極；厚度

1 引 言

紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)之后發(fā)展起來的又一軍民兩用的探測(cè)技術(shù)。紫外探測(cè)器已被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈預(yù)警、空間保密通訊、火災(zāi)監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。ZnO是一種典型的直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度約為3.37 eV。ZnO基材料具有缺陷密度低、抗輻射能力強(qiáng)、飽和電子漂移速率大以及熱穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，且可通過Mg的摻入使其帶隙從3.3 eV到7.8 eV連續(xù)可調(diào)［1-4］，因此被認(rèn)為是制備紫外探測(cè)器的理想材料之一［5］。此外，豐富的原材料資源和低廉的價(jià)格更使ZnO基材料在紫外探測(cè)領(lǐng)域具有巨大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值和廣闊的潛在市場(chǎng)。截至目前，研究者已通過各種不同方法制備了不同結(jié)構(gòu)的ZnO基紫外探測(cè)器件［6-11］，其探測(cè)范圍可覆蓋UVA、UVB和UVC等波段。眾所周知，金屬電極作為紫外探測(cè)器的重要組成部分對(duì)器件的性能有著重要的影響。一方面，通過電極可以對(duì)器件施加偏壓并收集光電信號(hào)；另一方面，電極自身對(duì)紫外光有著強(qiáng)烈的吸收，到達(dá)光敏區(qū)的光子數(shù)就會(huì)減少，進(jìn)而降低器件的外量子效率。因此，選擇合適的電極材料、結(jié)構(gòu)和厚度是實(shí)現(xiàn)高性能紫外探測(cè)器的關(guān)鍵因素。過去的報(bào)道主要集中于研究電極材料和結(jié)構(gòu)對(duì)ZnO基紫外探測(cè)器性能的影響，而有關(guān)電極厚度和器件性能的關(guān)系卻鮮有研究。我們知道，在電極材料和結(jié)構(gòu)確定的前提下，電極的導(dǎo)電性和透光性與其厚度直接相關(guān)：薄的電極透光性好但是導(dǎo)電性不好，厚的電極擁有較高的電導(dǎo)率但是透光性不好［12-14］。如前所述，電極的導(dǎo)電性和透光性會(huì)直接影響紫外探測(cè)器件的性能，因此，通過調(diào)整金屬電極的厚度，優(yōu)化其導(dǎo)電性和透光性，可以有效提高紫外探測(cè)器件的探測(cè)性能。

本文制備了具有不同Au電極厚度的MgZnO紫外探測(cè)器件，研究了紫外探測(cè)器的光響應(yīng)性能與Au電極厚度之間的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)高性能MgZnO紫外探測(cè)器件提供了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用英國VG公司生產(chǎn)的V80H型分子束外延設(shè)備（MBE）在a面藍(lán)寶石襯底上生長六角相MgZnO薄膜。在生長MgZnO薄膜之前，a面藍(lán)寶石襯底分別用三氯乙烯、丙酮、乙醇超聲清洗10，5，5 min后，用去離子水沖洗5遍，干燥N2吹干。然后，依次移入預(yù)處理室、生長室，準(zhǔn)備開始生長。生長 MgZnO薄膜時(shí)，用純度分別為99.9999%和99.999%的高純金屬Zn和Mg，以及純度為99.999%的O2作為原材料，O2流量為1.0 cm3/min。射頻等離子體功率為300 W，生長時(shí)間3 h。在所得到的MgZnO薄膜上，使用小型離子濺射儀，采用掩膜的方式制備了Au電極，從而實(shí)現(xiàn)Au-MgZnO-Au結(jié)構(gòu)的紫外探測(cè)器，圖1為MgZnO器件結(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)驗(yàn)中采用的小型離子濺射儀是北京和同創(chuàng)業(yè)科技有限責(zé)任公司的產(chǎn)品，型號(hào)為JS-1600，其離子電流表所允許的最大電流為50 mA，定時(shí)器允許最長時(shí)間為900 s。在電極濺射時(shí)，真空度嚴(yán)格控制在20 Pa，蒸發(fā)電流為2 mA，通過改變?yōu)R射時(shí)間來獲得不同厚度的Au電極。

對(duì)MgZnO外延薄膜分別采用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射光譜以及能量彌散X射線譜（EDS）等進(jìn)行測(cè)試分析。器件的光譜響應(yīng)曲線、暗態(tài)I-V曲線等數(shù)據(jù)用紫外光電測(cè)試系統(tǒng)（卓立漢光）和半導(dǎo)體分析測(cè)試儀（安捷倫 B1500A）測(cè)試得到。此外，我們還在a面藍(lán)寶石襯底上直接濺射了Au薄膜，用以測(cè)試不同厚度Au薄膜對(duì)光的吸收特性。

圖1 Au-MgZnO-Au紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Au-MgZnO-Au ultraviolet photodetector

3 結(jié)果與討論

我們對(duì)生長得到的MgZnO薄膜進(jìn)行了表征。圖2（a）是樣品的X射線衍射圖。從圖中可見，XRD的衍射峰有兩個(gè)，其中位于37.78°的峰屬于a面藍(lán)寶石襯底的（1120）峰，另一個(gè)位于34.58°的峰來自六角相結(jié)構(gòu)MgZnO的（0002）衍射峰。XRD結(jié)果說明：制備得到的MgZnO薄膜為單一六角相結(jié)構(gòu)，沿（0002）取向擇優(yōu)生長。此外，衍射峰的半高寬為0.33°，表明薄膜具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。為了研究樣品在紫外和可見波段的光吸收情況和吸收截止邊，我們對(duì)樣品進(jìn)行了紫外-可見透射光譜研究，如圖2（b）所示。從圖中可以看出MgZnO薄膜對(duì)400 nm以上波段的光吸收很少，透射率保持在90%以上；而對(duì)于波長低于300 nm的紫外光則呈現(xiàn)了強(qiáng)烈的吸收。MgZnO薄膜的吸收邊在340 nm附近，并且非常陡峭，表明制備得到的MgZnO薄膜適合制備紫外探測(cè)器件。圖2（c）是樣品的表面掃描電鏡圖，圖2（d）是樣品的斷面掃描電鏡圖。從圖中可以看出MgZnO薄膜表面較為平整，膜厚約為400 nm。圖2（e）是樣品的能量彌散X射線譜，結(jié)果表明Zn/Mg組分的量比為62:38。根據(jù)之前的報(bào)道［7］，當(dāng)Mg摩爾分?jǐn)?shù)小于37%時(shí)，MgZnO合金一般為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，與我們所得到的結(jié)果基本一致。

圖2 MgZnO薄膜的性質(zhì)表征。（a）XRD；（b）透射光譜；（c）表面SEM照片；（d）斷面SEM照片；（e）能量彌散X射線譜。Fig.2 Characterization of MgZnO films.（a）XRD.（b）Transmission spectrum.（c）SEM image of the surface.（d）SEM image of the cross section.（e）Energy-dispersive X-ray spectroscopy.

圖3是Au電極厚度隨濺射時(shí)間變化的關(guān)系曲線。需要指出的是，為了獲得準(zhǔn)確的Au電極厚度，我們對(duì)不同厚度Au電極的MgZnO薄膜進(jìn)行了斷面掃描電鏡測(cè)試（圖未給出），通過測(cè)量每一個(gè)樣品的10個(gè)不同位置的斷面厚度再計(jì)算出其平均值，即為該Au電極的厚度。當(dāng)濺射時(shí)間為1，3，6，9，12，15 min時(shí)，計(jì)算得到的膜厚分別為1，6，13，19，28，36 nm。從圖中可以看出Au電極厚度隨時(shí)間的增長大致是一個(gè)線性關(guān)系。此外，隨著Au薄膜厚度的增大，其形貌也從準(zhǔn)連續(xù)膜向連續(xù)膜轉(zhuǎn)變。

圖3 Au電極厚度隨濺射時(shí)間的變化曲線Fig.3 Thickness of Au electrode as a function of sputtering time

圖4（a）給出了不同厚度的Au電極的透射光譜。從圖中可以看到：當(dāng)Au電極厚度小于19 nm時(shí)，對(duì)280～400 nm波段的紫外光具有較高的透過率，并且隨波長變化不大；隨著Au電極厚度的增大，透光率逐漸下降；當(dāng)Au電極厚度大于28 nm時(shí)，其平均透過率不超過60%，并且隨波長減小而明顯降低。根據(jù)所得的MgZnO薄膜的吸收邊，我們重點(diǎn)研究了Au電極對(duì)于340 nm波長的紫外光的吸收情況。圖4（b）是波長為340 nm的紫外光的透過率隨Au電極厚度變化的曲線，可以看出薄膜的透光性隨Au電極厚度的增大呈現(xiàn)近線性的降低。

圖4 （a）Au電極厚度對(duì)透光性的影響；（b）波長為340 nm的紫外光的透過率隨電極厚度變化的曲線。Fig.4 （a）Effect of Au electrode thickness on the transmission.（b）Transmission of Au at the wavelength of340 nm as a function of Au electrode thickness.

圖5（a）是具有不同Au電極厚度的MgZnO紫外探測(cè)器件的暗態(tài)I-V曲線。可以看出器件在暗態(tài)下的電流與外加偏壓成明顯的線性關(guān)系，說明Au電極與MgZnO薄膜之間是良好的歐姆接觸。圖5（b）是器件在10 V偏壓下的暗電流隨Au電極厚度變化的曲線。當(dāng)Au電極厚度在0～20 nm范圍內(nèi)增大時(shí)，器件暗電流隨電極厚度的增大而緩慢變大；當(dāng)Au電極厚度增加到20 nm以上時(shí)，器件暗電流迅速增大；當(dāng)Au電極厚度達(dá)到30 nm以上時(shí)，器件暗電流緩慢增大并趨于飽和。當(dāng)電極厚度過薄時(shí)，Au薄膜處于非連續(xù)或者準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)，不能形成連續(xù)的導(dǎo)電薄膜導(dǎo)致其導(dǎo)電性極差。隨著電極厚度的增大，Au薄膜連續(xù)性增加，導(dǎo)電性也隨之緩慢增大。之后，隨著厚度的繼續(xù)增大，Au薄膜由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)態(tài)，此時(shí)薄膜已經(jīng)具有體材料的特性，因此其導(dǎo)電性不但不會(huì)有顯著變化，反而有飽和的趨勢(shì)。

圖5 （a）不同Au電極厚度的MgZnO紫外探測(cè)器暗態(tài)IV特性；（b）10 V偏壓下，器件暗電流隨電極厚度變化的曲線。Fig.5 （a）I-V curves ofMgZnO UV photodetectorswith different Au electrode thicknesses in dark.（b）Dark current of MgZnO UV photodetectors as a function of Au electrode thickness at10 V bias.

圖6（a）是具有不同Au電極厚度的MgZnO紫外探測(cè)器件在10 V偏壓下的光響應(yīng)特性曲線。從圖中可以看出，隨著Au電極厚度的增大，器件的響應(yīng)度逐漸變大；當(dāng)電極厚度為28 nm時(shí)，器件的響應(yīng)度達(dá)到最高；再繼續(xù)增加Au電極厚度，器件的響應(yīng)度開始降低。圖6（b）給出了器件在340 nm處的光響應(yīng)度與Au電極厚度的關(guān)系曲線。當(dāng)Au電極厚度為28 nm時(shí)，器件光響應(yīng)度達(dá)到最高，約為130 mA/W。

上述現(xiàn)象與Au電極的導(dǎo)電性和透光性直接相關(guān)。當(dāng)Au電極較薄時(shí)，電極有較好的透光性，入射光子可以到達(dá)光敏區(qū)，器件外量子效率較高；但是電極的導(dǎo)電性差，載流子的分離和收集效率不高，所以此時(shí)的光響應(yīng)度較低。當(dāng)Au電極厚度在0～13 nm范圍逐漸增大時(shí)，Au電極導(dǎo)電性增加，有利于光生載流子的分離和收集，盡管Au電極透光性也在逐漸降低，不利于光敏層對(duì)光子的吸收，但是導(dǎo)電性的有利影響占主導(dǎo)，故光響應(yīng)度增加。當(dāng)Au電極厚度在13～28 nm范圍增大時(shí)，仍然是導(dǎo)電性的有利影響占主導(dǎo)，而且由于Au電極由準(zhǔn)連續(xù)膜變?yōu)檫B續(xù)膜，導(dǎo)電性增加較快，使得器件的光響度快速增加。當(dāng)Au電極厚度在28 nm左右時(shí)，器件的響應(yīng)度最高。繼續(xù)增加Au電極厚度，Au電極對(duì)光的吸收持續(xù)增加，到達(dá)光敏區(qū)的光子持續(xù)減少，而導(dǎo)電性趨于飽和，所以光響應(yīng)度開始降低。因此，只有當(dāng)Au電極厚度處于某一個(gè)特定值時(shí)，器件的探測(cè)性能才能得到有效提高。而本實(shí)驗(yàn)的目的也正是為了尋找最佳電極厚度，使器件的光響應(yīng)信號(hào)達(dá)到最強(qiáng)，為今后的實(shí)驗(yàn)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖6 （a）具有不同電極厚度的Au-MgZnO-Au紫外探測(cè)器件在10 V偏壓下的光響應(yīng)曲線；（b）器件在340 nm波長的響應(yīng)度隨Au電極厚度變化的曲線。Fig.6 （a）Responsivity of Au-MgZnO-Au UV photodetectorswith different Au electrode thickness at10 V bias.（b）Responsivity of the devic at 340 nm as a function of Au electrode thickness.

4 結(jié) 論

利用射頻MBE設(shè)備制備了高質(zhì)量的六角相MgZnO合金薄膜，并利用小型離子濺射儀在其上面制備了不同厚度的Au電極，實(shí)現(xiàn)了Au-MgZnO-Au金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器。結(jié)果表明：當(dāng)Au電極厚度在0～20 nm范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，Au薄膜的導(dǎo)電性緩慢增加；當(dāng)電極厚度增大到20 nm以上時(shí)，Au薄膜導(dǎo)電性迅速增長；而當(dāng)厚度達(dá)到30 nm時(shí)，Au薄膜導(dǎo)電性緩慢增加并趨于飽和。與此同時(shí)，Au薄膜的透光性則隨著電極厚度的增加而線性降低。此外，隨著Au厚度的增加，器件光響應(yīng)強(qiáng)度先逐漸增大，后逐漸減小，在Au電極厚度為28 nm時(shí)達(dá)到最大值130 mA/W。

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孫華山（1987-）男，河北唐山人，碩士研究生，2012年于蘭州大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光電子方面的研究。

E-mail：sunhuashan2002@126.com劉可為（1981-），男，遼寧鐵嶺人，研究員，博士生導(dǎo)師，2008年于中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事寬禁帶Ⅱ-Ⅵ 族半導(dǎo)體材料及光電器件的研究。

E-mail：

liukw@ciomp.ac.cn

Effect of Au Electrode Thickness on The Performance of M gZnO UV Detector

SUN Hua-shan1，2，LIU Ke-wei1*，CHEN Hong-yu1，2，F(xiàn)AN Ming-ming1，2，CHEN Xing1，LIBing-hui1，SHEN De-zhen1
（1.State Key Laboratory of Luminescence and Applications，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）*Corresponding Author，E-mail：liukw@ciomp.ac.cn

MgZnO filmswere prepared by RFMBE equipment.X-ray diffraction，UV-visible transmission spectroscopy and X-ray energy dispersive spectroscopy indicated thatMgZnO films had a single hexagonal phase structurewith a shap absorption edge at～340 nm，and the composition ratio of Zn and Mg was 62:38.Au electrodeswere deposited on MgZnO thin films by an ion sputtering apparatus with a mask and Au-MgZnO-Au UV detectors were fabricated.Au electrodes thicknesses could bemodified by changing the sputtering time.With the increasing of Au electrode thickness，the conductivity of Au films increased slowly at first，then increased rapidly，and slowly to saturation finally.As for the transmittance of Au films，it decreased nearly linearly with the increasing of Au electrode thickness.In addition，with the increasing of Au electrodes thickness，the responsivity of MgZnO UV photodetectors gradually increased at first，and then decreased.When the thickness of Au electrode was 28 nm，the device has the best responsivity.

MgZnO；UV detectors；Au electrode；thickness

國家自然科學(xué)基金（61475153，10974197，11134009）；國家“973計(jì)劃”（2011CB302006）；中科院“百人計(jì)劃”資助項(xiàng)目

1000-7032（2015）02-0200-06

O484.4；O472.8

A

10.3788/fgxb20153602.0200

2014-09-02；

2014-09-28