聲表面波紫外光探測器的研究進(jìn)展

殷長帥，周 劍*，劉 翊，吳建輝，熊 碩，段輝高

(1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 汽車車身設(shè)計與制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.國家先進(jìn)軌道交通裝備創(chuàng)新中心，湖南 株洲 412000)

1 引 言

紫外光，也叫紫外線(Ultraviolet，UV)，是指在電磁波譜中的10～400 nm波長范圍的一段輻射波，按照波長范圍可分為長波紫外(UVA，波長400～320 nm)、中波紫外(UVB，波長320～280 nm)、短波紫外(UVC，波長280～200 nm)和遠(yuǎn)紫外光(波長200～10 nm)[1]。紫外線探測器是將一種形式的紫外電磁輻射信號轉(zhuǎn)換成另一種易被接收處理信號形式的傳感器。近年來，隨著工業(yè)進(jìn)程的加快，環(huán)境遭受的破壞越來越嚴(yán)重，地球大氣層出現(xiàn)了巨大的臭氧層空洞，越來越多的紫外線照射到地球表面，對人類的健康構(gòu)成了威脅，因此對紫外線的檢測與防護(hù)就顯得十分重要，紫外探測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著紫外探測技術(shù)的發(fā)展，目前紫外探測器在空間天文望遠(yuǎn)鏡、軍事導(dǎo)彈預(yù)警、非視距保密光通信、海上破霧引航、高壓電暈監(jiān)測、野外火災(zāi)遙感及生化檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

常用的紫外線探測器主要有三種：(1)光電真空探測器，如光電倍增管、像增強(qiáng)型CCD(ICCD)和背照式CCD(BCCD)等；(2)光電導(dǎo)探測器，如GaN基和AlGaN基電光導(dǎo)探測器等；(3)光伏探測器，如Si，SiC， GaN P-N結(jié)合肖特基勢壘光伏探測器以及CCD[3-4]。近年來，基于聲表面波技術(shù)(Surface Acoustic Wave，SAW)的紫外探測器(光-聲-電效應(yīng))由于具有微型化、響應(yīng)速度快、靈敏度高、數(shù)字輸出、制作簡單且可以無線無源監(jiān)測等眾多優(yōu)勢，成為紫外探測領(lǐng)域的研究熱點。本文分析了聲表面波紫外探測敏感機(jī)理，綜述了聲表面波紫外探測的國內(nèi)外研究進(jìn)展，展望了聲表面波紫外探測的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)。

2 聲表面波紫外探測原理

SAW指在彈性體自由表面產(chǎn)生并沿著表面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波，包括瑞利波(Rayleigh wave)、勒夫波(Love wave)、水平剪切波(SH-SAW)、彎曲平板波(Flexural plate wave)、S0蘭姆波(Zero-order Symmetrical Lamb Wave，S0-LW)和斯通利波(Stoneley wave)等[5]。SAW器件主要由壓電基底材料和相互交錯的金屬薄膜叉指狀換能器(Interdigital Transducer，IDT)組成，如圖1(a)所示。在IDT電極一端(輸入叉指換能器)加入高頻電信號，壓電材料的表面就會產(chǎn)生機(jī)械振動并同時激發(fā)出與外加電信號頻率相同的表面聲波，這種表面聲波會沿基板材料表面?zhèn)鞑?。如果在SAW傳播途徑上再制作一對IDT電極(輸出叉指換能器)，則可將SAW檢測并使它轉(zhuǎn)換成電信號[6]?；诼暠砻娌ǖ淖贤馓綔y器是屬于光-聲-電三種物理場相互耦合的一種器件。當(dāng)紫外光照射SAW器件，使得SAW器件的頻率或相位發(fā)生偏移，通過探測頻率、相位的偏移可以反推出紫外光強(qiáng)弱，這就是SAW紫外探測的原理。

目前，還沒有一個非常完美的理論模型來解釋SAW器件在紫外光照射下頻移的物理根源，但是SAW紫外探測器的工作原理通常認(rèn)為是基于聲-電效應(yīng)。聲電效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料中，聲波與自由載流子的相互作用所產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)。在無紫外光照下，SAW器件聲波在輸入、輸出換能器之間傳播，由于壓電基板材料具有逆壓電效應(yīng)，機(jī)械形變會導(dǎo)致材料極化，使得沿襯底表面?zhèn)鞑サ穆暡S之產(chǎn)生電勢和電場。當(dāng)SAW器件的敏感材料(通常為半導(dǎo)體材料)在被比敏感材料的截止波長短的紫外光照射時，敏感材料的價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，材料表面會產(chǎn)生自由電子-空穴對(光生載流子)。這些光生自由載流子能夠改變材料表面的電導(dǎo)率以及聲波原始產(chǎn)生的電場，使得傳播的SAW特性發(fā)生改變(如聲速變化、頻率偏移)， 如圖1(b)所示。當(dāng)紫外光源關(guān)閉時，光生載流子的復(fù)合過程使聲電效應(yīng)減弱，進(jìn)而恢復(fù)初始狀態(tài)[4，7-8]。2004年，Palacios等通過合理設(shè)計方案實現(xiàn)了遠(yuǎn)程收集和測量基于GaN薄膜SAW的光生載流子，如圖2所示，驗證了光-聲-電三者的關(guān)系。該研究在輸入端產(chǎn)生的聲波將薄膜上產(chǎn)生的光生載流子打亂使它重新組合，部分載流子被聲波掃描帶到集電極，引起電場的變化，通過改變輸入射頻功率的大小來改變聲波的強(qiáng)弱，在輸出端檢測出電流的變化趨勢，可以得出聲波與光生載流子相互作用的強(qiáng)度[9]。

在聲電效應(yīng)機(jī)理下，由敏感薄膜產(chǎn)生的光生載流子與SAW器件表面產(chǎn)生聲電耦合作用，從而導(dǎo)致器件傳輸特性的變化，SAW器件聲波傳播速度偏移(Δv)與插入損耗偏移(ΔΓ)以及相位的變化由式(1)決定[4]：

(1)

其中：v0為原始的聲波傳播速度，k2為有效的機(jī)電耦合系數(shù)，λ為聲波波長，L為延遲線的長度，σ和σm分別為材料的固有電導(dǎo)和表面電導(dǎo)。

(a)SAW紫外探測系統(tǒng)(a)SAW UV detection system

(b)SAW紫外探測器的聲電效應(yīng)(b)Acoustoelectric effect of SAW UV detector圖1 SAW紫外探測器[4]Fig.1 SAW UV detector[4]

另一個角度解釋基于SAW的紫外探測器的機(jī)理是光電容效應(yīng)。Ciplys和Chivukula等發(fā)現(xiàn)紫外光照射IDT區(qū)域?qū)AW傳輸?shù)挠绊懸h(yuǎn)大于相同尺寸區(qū)域光照兩個IDT之間的聲波傳播路徑區(qū)域，這個現(xiàn)象沒法用上述聲電效應(yīng)解釋。他們提出了一種基于光電容效應(yīng)的新機(jī)制，并證明了紫外誘導(dǎo)的IDT電容變化對聲表面波信號相位變化的影響。他們認(rèn)為紫外光引起的相位變化應(yīng)歸因于光電容效應(yīng)引起的IDT阻抗的變化，隨著傳感層中光激發(fā)載流子密度的增加，金屬(叉指電極)-半導(dǎo)體(敏感膜)結(jié)的耗盡寬度減小，導(dǎo)致IDT電容增大。因此，可以通過UV照射改變IDT區(qū)域的電容來控制SAW相位，這種傳感器對UV引起的傳播特性的擾動非常敏感[10-11]。

(a)SAW相位相對于沿SAW傳播路徑的距離的變化(a)Changes in SAW phase relative to distance along SAW propagation path

(b)觀察SAW引起的高頻電阻調(diào)制效果的裝置[10-11]

綜述可以得出，基于SAW的紫外探測器的機(jī)理主要為：(1)SAW聲波傳播區(qū)域在紫外光照射下產(chǎn)生光生載流子，載流子與聲波的聲電效應(yīng)導(dǎo)致SAW頻率的偏移；(2)IDT區(qū)域的光電容效應(yīng)。

由于SAW器件的敏感薄膜對紫外輻射敏感，其薄膜性能的好壞直接影響著紫外探測器件的性能優(yōu)劣，因此，本文從敏感薄膜的機(jī)理分類剖析SAW紫外探測的研究進(jìn)展。

3 氮化鎵類薄膜的聲表面波紫外探

測器

3.1 氮化鎵聲表面波紫外探測

氮化鎵(GaN)是一種直接帶隙的寬禁帶n型半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.39 eV，具有高熱導(dǎo)率、高硬度、高熔點等特性[6]。早在二十世紀(jì)六七十年代，研究者開始對GaN的光電特性進(jìn)行研究，但其研究工作一直沒有得到很好的成果，主要受困于兩大難題： (1)沒有合適的單晶襯底材料(藍(lán)寶石襯底與GaN 的晶格失配度很高)；(2)無法實現(xiàn)GaN的p型摻雜[12]。1986年，日本研究人員Amano首次利用AlN緩沖層來外延制備GaN薄膜，大大地提高了膜的質(zhì)量，得到了光滑無裂縫的高質(zhì)量GaN薄膜[13]。1989年，研究人員通過低能電子束輻照處理，用Mg摻雜GaN實現(xiàn)了不同的p型傳導(dǎo)，首次報道了GaN p-n結(jié)LED的特性[14]。由于GaN的兩大難題被研究人員解決，因此對GaN的研究工作也迅速地發(fā)展起來。目前，制備不同類型的GaN材料的方法很多，如脈沖激光沉積法[15]、電化學(xué)技術(shù)[16]、熱絲化學(xué)氣相沉積[17]等。

2001年，Ciplys等首次提出了基于GaN薄膜的SAW器件在紫外探測上的應(yīng)用[18]。該研究通過實驗得出換能器區(qū)域?qū)ψ贤廨椛潇`敏度及導(dǎo)致聲波相位變化，但并未明確地解釋換能器區(qū)域影響頻率和相位變化的原因。2002年，Ciplys等證明了GaN基聲表面波換能器在紫外照射下，由于聲波與光電導(dǎo)電子的相互作用導(dǎo)致了SAW速度降低從而引起了諧振器頻率的降低[19]。2008年，Chen等制備了AlN/GaN/藍(lán)寶石多層結(jié)構(gòu)的SAW紫外振蕩器，與在GaN/藍(lán)寶石上制造的器件相比，性能大大提高，靈敏度可達(dá)到4.2×10-6/(mW·cm-2)，并有望開發(fā)深紫外傳感器[20]。

3.2 高性能GaN類SAW紫外探測器

為改善紫外敏感薄膜的光電性能，研究者在GaN的基礎(chǔ)上，提出采用AlxGa1-xN三元合金壓電薄膜，該薄膜相較于GaN薄膜具有更好的壓電性能，通過改變x的值(Al含量)調(diào)節(jié)壓電薄膜的禁帶寬度，使該三元合金的禁帶帶寬在3.4～6.2 eV之間變化，提高整個器件的探測范圍。通過調(diào)整Al的含量改變傳感器的帶隙寬度，即有[10]：

Eg=6.13x+3.42(1-x)-bx(1-x)，

(2)

其中：Eg的單位為eV， 6.13 eV表示的是AlN室溫下的帶隙值，3.42 eV表示的是GaN室溫下的帶隙值，b是彎曲參數(shù)，與制造工藝有關(guān)，x為Al的摩爾分?jǐn)?shù)，x一般小于1。由于制造AlGaN薄膜使用的方法不盡相同，導(dǎo)致b值不同，因此，AlxGa1-xN得到的帶隙寬度最好時其Al含量也不盡相同。

與純GaN的SAW紫外探測器不同，基于三元合金AlGaN的SAW紫外敏感器件在波長300 nm以下的紫外輻射響應(yīng)良好。2004年，Ciplys等報道了基于AlGaN的SAW紫外敏感器件，在254 nm紫外輻射下，器件的最大頻移達(dá)到了10 kHz[10]。2006年，該研究小組通過試驗發(fā)現(xiàn)基于AlGaN的SAW紫外探測器對更短的波長紫外線表現(xiàn)良好，與基于GaN的紫外探測器相比，AlGaN基的紫外探測器具有良好的波長選擇性[21]。Koh等將壓電薄膜做成AlGaN/(Al、Ga)N/Al2O3層狀結(jié)構(gòu)的SAW器件[22]。此結(jié)構(gòu)對波長小于280 nm的紫外光十分靈敏，其靈敏度主要取決于AlGaN層的厚度，當(dāng)厚度增大時(不超過100 nm)，薄膜的電導(dǎo)率會增加，這樣有利于光生載流子的產(chǎn)生，可提高器件的靈敏度。

在制備GaN薄膜時，往往會有一些雜質(zhì)(如O、Si等)，這將導(dǎo)致GaN顯示出n型導(dǎo)電性，影響器件性能，因此近年來，除了摻雜Al金屬外，其他金屬物質(zhì)摻雜在GaN中也有報道。相較于Al而言，其它Fe，Cr，Zn等金屬元素對深電子(O2-)的捕獲能力更強(qiáng)，可以提高GaN的電阻率，從而改善SAW器件的性能。Fan等制備的摻雜Fe的GaN薄膜SAW紫外探測器，該器件在UV照射下表現(xiàn)出很大的透射特性變化，在停止輻射后展示出非常低的恢復(fù)率，表明了摻雜Fe的GaN薄膜具有持久的光電導(dǎo)率[23]。

4 氧化鋅類薄膜的聲表面波紫外探

測器

4.1 氧化鋅薄膜的基本概述

同GaN一樣，氧化鋅(ZnO)也是一種寬帶隙的薄膜材料，其帶隙在300 K下為3.437 eV，截止波長約為365 nm，具有大的激子結(jié)合能(氧化鋅60 meV)，與GaN等其他寬帶隙材料相比，具有化學(xué)和熱穩(wěn)定性好、原料易得、電子遷移率高、成本低等優(yōu)點，有利于制備高性能的聲表面波紫外探測器。

ZnO壓電薄膜應(yīng)用于高性能SAW器件，要求壓電薄膜具有高c軸擇優(yōu)取向，結(jié)晶性能好，表面粗糙度低、較大的電阻率和壓電系數(shù)等[6]。ZnO薄膜的制備工藝簡單，方法多樣，可以采用電子束蒸發(fā)[24]、磁控濺射[26]、化學(xué)氣相沉積(CVD)[27]、脈沖激光沉積(PLD)[28]等方法制備。由于ZnO薄膜較GaN薄膜易于制備，因此，基于ZnO薄膜敏感層的SAW紫外探測器的研究工作較多，主要又可分為三個方面：(1)不同基板材料下的SAW紫外探測器；(2)類MgZnO薄膜的SAW紫外探測器；(3)ZnO納米結(jié)構(gòu)的高靈敏度SAW紫外探測器。

4.2 不同基板材料下的SAW紫外探測器

通過前述公式(1)可以看出，改變機(jī)電耦合系數(shù)可以使SAW的傳播特性變化，而改變ZnO的基板材料就可以改變機(jī)電耦合系數(shù)，且十分容易做到，因此，基于ZnO薄膜的聲表面波紫外探測器的研究工作是從基板材料開始的。常用的基板材料有LiNbO3[29]、藍(lán)寶石[30]、石英[31]和Si[32]等。由于LiNbO3具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)和不同的切向(XY，XZ)，因此被較早地用于SAW紫外探測的研究，但其溫度穩(wěn)定性差，不適宜作為高溫探測(如火焰探測)的基板。石英作為一種易獲得、成本低的材料，適合器件的批量化制造，但耦合系數(shù)低，不適宜作為高性能的SAW紫外探測器。藍(lán)寶石由于具有高的傳播速度、高穩(wěn)定性而被用于SAW紫外探測器上，但其高晶格與熱失配度導(dǎo)致其與薄膜易發(fā)生晶格失調(diào)。Si由于其良好的機(jī)械剛性和較高的傳播速度而被開發(fā)用于SAW紫外探測，但它具有低帶隙、電子移動性差等特點，不能很好地用于高靈敏度的紫外探測。在實際研究中，往往需要根據(jù)實際的要求而選擇不同的基板材料。表1列舉出了研究人員對于基于不同基板材料的ZnO薄膜聲表面波紫外探測器的研究情況。

表1 基板材料的部分研究工作Tab.1 Some research works of substrate materials

4.3 類MgZnO薄膜的SAW紫外探測器

為了進(jìn)一步提高ZnO薄膜對紫外光的敏感程度，研究人員通過在ZnO薄膜上摻雜一些Ⅱ-Ⅲ族元素，例如Be，Mg，Cd，Al等。摻雜的ZnO薄膜可以將器件的暗電流降低幾個數(shù)量級，而其光電流明顯提高，從而可以提高光電轉(zhuǎn)換效率及器件的靈敏度，這樣可以制造具有大范圍檢測波長的高靈敏度聲表面波UV探測器。目前，針對摻雜ZnO的SAW紫外探測器的研究主要集中在類MgZnO聚合物薄膜上，這是由于Zn2+(0.060 nm)與Mg2+(0.057 nm)的離子半徑相似，因此Mg原子的替代在ZnO中不會引起很大的晶格常數(shù)的改變，使得這種材料適合用來制備MgxZn1-xO/ZnO異質(zhì)結(jié)、超晶格結(jié)構(gòu)和多量子阱。摻Mg可以使得ZnO的母體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的光電性能，作為一種寬帶隙調(diào)諧半導(dǎo)體，MgxZn1-xO膜已被認(rèn)為是用于可調(diào)紫外檢測器最有前途的UV光電材料。帶隙能量與MgxZn1-xO薄膜中Mg含量的函數(shù)關(guān)系如圖3所示[35]。Mg摩爾含量在小于37%時，MgxZn1-xO薄膜具有六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，在大于62%是MgxZn1-xO薄膜具有立方晶體結(jié)構(gòu)，在37%～62%時具有兩者的混合相。

圖3 MgxZn1-xO薄膜帶隙能量與Mg含量的關(guān)系

ZnO摻雜Mg會導(dǎo)致帶隙增大，在Mg的含量為49%時達(dá)到4.05 eV，光響應(yīng)會轉(zhuǎn)移到220～260 nm[36]。然而，Mg摻雜會導(dǎo)致電導(dǎo)逐漸減小，這削弱了SAW傳感器中的聲電相互作用。此外，當(dāng)Mg的含量高于30%時，形成ZnO晶體結(jié)構(gòu)中的許多缺陷(如殘余應(yīng)力、位錯等)，這導(dǎo)致光學(xué)性能降低[37]。Mg和Al原子同時摻雜ZnO有助于在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)ZnO的光學(xué)性能。為了得到性能更好的ZnO薄膜，研究人員通過摻雜Al等金屬，并利用退火等處理方式來進(jìn)一步改進(jìn)MgZnO薄膜的性能。Kutepov等研究了基于Zn1-x-yMgxAlyO薄膜的聲表面波光電探測器，薄膜的電導(dǎo)率可在0.25×10-6～83×10-6Ω/cm之間變化，器件對于紫外光十分敏感，在波長為248 nm的紫外照射下，器件具有0.1～0.2 ms的快速光電響應(yīng)[38]。

4.4 ZnO納米結(jié)構(gòu)的SAW紫外探測器

隨著薄膜生長技術(shù)的發(fā)展，多種形態(tài)的ZnO薄膜，如納米棒[39]、納米線[40]、納米片[41]、納米環(huán)、納米螺旋/納米環(huán)[42]、納米帶、納米管[43]、納米花和納米壁[44]等被開發(fā)出來，如圖4所示，并應(yīng)用于紫外探測。目前，常見的納米結(jié)構(gòu)的ZnO制備技術(shù)有熱蒸發(fā)氧化法[45]、化學(xué)氣相沉積方法[46]和物理氣相沉積[47]等。改變ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)形式主要是為了提高膜的紫外吸收效應(yīng)，使其響應(yīng)更快，靈敏度更高，這是由于納米結(jié)構(gòu)會使ZnO薄膜的比表面積增大，光電轉(zhuǎn)換效率更快。不同的結(jié)構(gòu)形式，ZnO薄膜的電氣和光學(xué)特性是不同的[48]，其探測機(jī)理也有所區(qū)別。比如ZnO納米線中的光電機(jī)制為：當(dāng)納米線在UV光照射下時，產(chǎn)生電子-空穴對，由于表面陷阱狀態(tài)(在表面吸收的氧分子)，電子被捕獲在表面，在施加電壓時，未配對的電子在陽極處被收集，從而增加了電導(dǎo)率。而ZnO納米顆粒(NP)的探測機(jī)理為：在光子能量大于帶隙能量的紫外光照射下，表面吸附的氧分子捕獲光生空穴，縮小ZnO NP層中的耗盡區(qū)，從而提高ZnO NP層的導(dǎo)電性。

圖4 ZnO不同的納米結(jié)構(gòu)Fig.4 Different ZnO nanostructures

賀永寧等研究了ZnO納米線膜結(jié)構(gòu)的聲表面波紫外探測器，發(fā)現(xiàn)器件從暗場到紫外光輻射的轉(zhuǎn)化過程中，其中心頻率減少了4 kHz，插入損耗增大了0.23 dB[49]。Peng等報道了ZnO納米線與ZnO單晶薄膜的聲表面波紫外探測器，在波長為365 nm，光強(qiáng)度為150 μW/cm2的紫外照射下，基于ZnO納米線的SAW紫外探測器的靈敏度為0.448 3 kHz/(μW·cm-2)，如圖5(a)～5(c)所示，比傳統(tǒng)ZnO單晶薄膜的SAW紫外探測器的靈敏度大了近7倍[50]。

Wang等報道了ZnO納米棒結(jié)構(gòu)的聲表面波的高精度紫外探測器，該器件在波長為365 nm，光功率密度為3.5 mW/cm2時，相較于AlGaN基的SAW紫外探測器的靈敏度增大了6倍[51]。Chai等報道了交叉納米棒對紫外輻射監(jiān)測的影響。在1 V偏壓，紫外光波長為361 nm的照射下，器件的響應(yīng)度為15 mA/W，這表明該探測器可以適用于低紫外探測[52]。Li等報導(dǎo)了ZnO納米棒/ZnO薄膜結(jié)構(gòu)的SAW紫外探測器，如圖5(d)～5(f)所示。在波長為365 nm，光強(qiáng)為0.048 mW/cm2的紫外光照射下，器件靈敏度為93.7×10-6/(mW·cm-2)，是傳統(tǒng)ZnO薄膜的靈敏度(31.3×10-6/(mW·cm-2))的近3倍[53]。Lao等報道了通過聚合物表面官能化實現(xiàn)了基于ZnO納米帶(NB)的高靈敏度UV檢測器，該器件ZnO納米帶中的UV誘導(dǎo)的光電導(dǎo)相比于傳統(tǒng)ZnO薄膜增加了5個數(shù)量級[54]。

在ZnO納米結(jié)構(gòu)中摻雜一些Au，Ag，Al，Sn，Cu等不同元素可以大幅度提高紫外探測器的性能。Chen等報導(dǎo)了摻Ag的ZnO納米顆粒的SAW紫外探測器，如圖5(g)～5(i)所示。Ag摻雜有效地增強(qiáng)了ZnO薄膜的導(dǎo)電性，提高了SAW傳感器的靈敏度。在波長為365 nm的紫外照射下，器件可以達(dá)到84.2×10-6/(μW·cm-2)的靈敏度[55]。Khan等報導(dǎo)了摻Au的ZnO納米棒(NR)的紫外探測器。與ZnO NR相比，通過抑制深能級發(fā)光而增強(qiáng)固有發(fā)光。在紫外光照射，3 V的偏壓下，觀察到Au-ZnO NR的光電流為5.83 μA，暗電流為0.13 μA，而未摻雜Au的ZnO納米棒的光電流為4.75 μA，暗電流為0.61 μA，相比較而言，摻雜Au的ZnO納米棒的器件性能更優(yōu)[56]。表2列出了基于納米結(jié)構(gòu)的ZnO的工作成果。

(a)制備出的ZnO納米線(a)ZnO nanowires prepared

(b)SAW紫外探測器的外觀(b)Appearance of SAW UV detector

(c)具有ZnO納米線層的探測器的頻率-時間曲線 (針對顯示重復(fù)性)(c)Frequency-time curve of a detector with a ZnO nanowire layer (for showing repeatability)

(d)ZnO納米棒的SEM圖像(d)SEM image of a ZnO nanorod

(e)UV探測器示意圖(e)Schematic diagram of UV detector

(f)具有ZnO納米薄膜和ZnO納米棒的SAW傳感器的動態(tài) 響應(yīng)特性(紫外光波長為365 nm、光強(qiáng)為24 μW/cm2)(f)Dynamic response characteristics of SAW sensor with ZnO nano film and ZnO nano rods (ultraviolet light wavelength is 365 nm， light intensity is 24 μW/cm2)

(g)ZnO納米粒子膜的SEM圖像(g)SEM image of ZnO nanoparticle film

(h)SAW紫外探測器(h)Appearance of SAW UV detector

(i)UV探測器插入損耗對開/關(guān)UV光輸入的瞬態(tài)響應(yīng)(i)Transient response of UV detector insertion loss to on/off UV light input圖5 不同ZnO納米結(jié)構(gòu)的SAW紫外探測器Fig.5 SAW UV detectors with different ZnO nanostructures

表2 對ZnO納米結(jié)構(gòu)的部分研究工作總結(jié)Tab.2 Summary of some research work on ZnO nanostructures

4.5 柔性ZnO基SAW紫外探測器

近年來，為解決傳統(tǒng)硬質(zhì)ZnO SAW紫外探測器不能貼于彎曲曲面的問題，人們提出了基于ZnO薄膜的柔性紫外探測器。柔性電子設(shè)備由于其柔韌性、重量輕、成本低等特點，被認(rèn)為是21世紀(jì)十大新興技術(shù)之一?；谌嵝許AW的紫外探測器可以貼于彎曲曲面和人體皮膚，在智能蒙皮和電子皮膚上有重要的應(yīng)用前景。2014年，駱季奎等首次報導(dǎo)了雙模式ZnO/PI結(jié)構(gòu)的柔性SAW紫外光探測器，器件表現(xiàn)出瑞利波和蘭姆波，兩種波的靈敏度分別為111.3×10-6/(mW·cm-2)(瑞利波)和55.8×10-6/(mW·cm-2)(蘭姆波)[60]。Hasan等報導(dǎo)了基于納米結(jié)構(gòu)ZnO薄膜SAW器件的柔性紫外傳感器。在不同的彎曲程度下，器件的靈敏度不一樣，說明柔性器件的彎曲程度與紫外探測器的性能有關(guān)，例如在平坦?fàn)顟B(tài)下，器件的靈敏度為39.2×10-6/(mW·cm-2)，向下彎曲時為30.8×10-6/(mW·cm-2)，向上彎曲時為18.5×10-6/(mW·cm-2)。器件表現(xiàn)出良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，在柔性或可穿戴UV光傳感器的應(yīng)用中具有巨大潛力[61]。盡管柔性SAW紫外探測器具有質(zhì)量輕、可彎曲等優(yōu)點，但是其本身性能很難與硬質(zhì)SAW器件相比擬，這嚴(yán)重制約了柔性電子傳感和監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展，特別是遠(yuǎn)程、無線和無源傳感網(wǎng)絡(luò)。

5 其他敏感薄膜類SAW紫外探測器

除了GaN，ZnO薄膜， AlN，TiO2，MoS2、鈣鈦礦等其他敏感薄膜的紫外探測器也有報道。同GaN和ZnO一樣，AlN也是一種直接帶隙寬禁半導(dǎo)體材料，在所有半導(dǎo)體中具有最寬的直流能帶隙6.1 eV。Li等研究了基于AlN薄膜的紫外探測器，在紫外光波長為200 nm時，響應(yīng)度最大，為0.3 A/W，表明AlN可以用作深紫外光探測器材料[62]。但是由于AlN的帶隙寬大于中、長紫外波段的能量值，無法激發(fā)電子到薄膜層，同時，當(dāng)用AlN作為SAW紫外探測器的敏感薄膜時，低的機(jī)電耦合系數(shù)會導(dǎo)致聲電效應(yīng)降低，從而使器件的性能下降。Walter等報道了TiO2納米棒薄膜的SAW紫外探測器，在波長為365 nm的紫外光照射下，其相位偏移高達(dá)2 540 pF，主要是由于TiO2具有優(yōu)異的光電活性，其納米結(jié)構(gòu)可以提高紫外光的吸收效率[63]。Zhou等報導(dǎo)了二維(2D)寬帶隙半導(dǎo)體二硫化鉬(MoS2)納米片作為SAW紫外(UV)光導(dǎo)材料的探測器，在波長為365 nm，光強(qiáng)度為4.666 mW/cm2的紫外光照射下，最大頻移可達(dá)3.5 MHz，其靈敏度為2.05×10-6m/(μW·cm-2)，分析認(rèn)為高靈敏度歸因于MoS2納米片的高共振頻率(以GHz為單位)和高比表面積[64]。Jiang等報導(dǎo)了基于二維鈣鈦礦的高靈敏SAW光學(xué)傳感器，發(fā)現(xiàn)特征頻率與光強(qiáng)保持著良好的線性關(guān)系，器件的靈敏度可達(dá)到31.5×10-6/(μW·cm-2)。由此表明，鈣鈦礦在光電探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[65]。

6 基于SAW的紫外探測器挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢

近年來，盡管SAW紫外探測器取得了巨大的研究進(jìn)展，但離高靈敏度、高性能、高穩(wěn)定性和實用性還有距離，SAW紫外探測面臨的主要挑戰(zhàn)有：

(1)敏感薄膜的選擇性低。盡管做紫外光電探測器的材料有很多，但很多不適用于SAW紫外探測器。采用何種敏感材料首先取決于紫外光子的能量是否高于敏感薄膜材料的帶隙能量[58]。如何合成適合SAW紫外探測的敏感材料是目前的一大挑戰(zhàn)。

(2)優(yōu)化降低敏感膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶格失配。基于薄膜同質(zhì)結(jié)/異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)比其對應(yīng)物的單層薄膜具有更高的光響應(yīng)性能，因為它們的界面處具有內(nèi)部內(nèi)置電。但是基于異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)在光電導(dǎo)期間顯示出較慢的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間，這主要是由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的晶格失配引起的。因此，為了在基于薄膜同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)的中實現(xiàn)期望的光響應(yīng)，需要降低界面處的晶格失配。

(3)超高靈敏度納米結(jié)構(gòu)的可控制備和優(yōu)化。納米結(jié)構(gòu)形態(tài)在光捕獲效應(yīng)中起關(guān)鍵作用，其性能的好壞決定了表面電子和空穴對的產(chǎn)生效率。

(4)如何得到高質(zhì)量的納米結(jié)構(gòu)是一個亟待解決的問題，包括直徑、長度、取向、密度、結(jié)晶和分級組裝的可靠控制。

(5)如何陣列化、集成化、智能化探測。

(6)如何實現(xiàn)陣列化集成化探測，且同時無線無源傳感與人工智能大數(shù)據(jù)平臺相結(jié)合是一個挑戰(zhàn)。

未來基于SAW技術(shù)的紫外探測發(fā)展趨勢如下：

(1)無線無源集成探測?；诼暠砻娌ǖ淖贤馓綔y器的優(yōu)勢之一便是可以實現(xiàn)無線無源，且可以與集成電路集成形成探測芯片與系統(tǒng)，未來可以將SAW探測器集成在智能終端(如手機(jī))裝置中，易于隨身攜帶、實時監(jiān)測，快速反饋探測信息，使探測器更加智能化，符合當(dāng)代人們的需求。

(2)全波段紫外探測器的開發(fā)。目前SAW紫外探測器主要集中在一段波長的探測，無法實現(xiàn)紫外全波段的探測器，通過大幅度改變敏感膜的能量帶隙或許可以用于基于不同波段的紫外探測器，實現(xiàn)混合式的多功能探測。

(3)超高靈敏度紫外探測器的開發(fā)。紫外探測器的發(fā)展與微電子學(xué)的發(fā)展并行，隨著平面電子加工技術(shù)的發(fā)展和成熟，通過改變聲表面波叉指換能器的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)以GHz為單位的高頻紫外探測器，其探測精度會大大提高。

(4)人工智能+大數(shù)據(jù)平臺監(jiān)測。大部分SAW紫外探測還僅僅處于試驗階段，主要研究工作還處于器件傳感層，在數(shù)據(jù)處理層工作偏少，未來可將采集的數(shù)據(jù)人工智能處理，且與大數(shù)據(jù)平臺結(jié)合后實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。