基于三明治結構的ZnO 紫外光電探測器

楊翹楚 孫赫陽 張福隆 王天樞

(長春理工大學 空間光電國家地方聯合工程研究中心, 吉林 長春 130022)

1 引 言

近年來,寬禁帶半導體紫外光電探測器由于具有功耗少、響應速度快、虛警率低等優點,被廣泛應用在火災監測、導彈預警、環境監察、紫外通信、天文觀測等領域。 而寬禁帶半導體材料ZnO由于具有高熱穩定性、強抗輻射性能、無毒無害且為直接帶隙等優點成為紫外光電探測器的優選材料[1-6]。 但由于其自身的p 型問題沒有得到很好的解決[7],其紫外光電探測器的電極結構主要采用MSM 結構。 這種結構類型的器件由于無需p型材料,工藝簡單且為平面結構,便于單片光電集成,所以MSM 結構的ZnO 紫外光電探測器得到了長足的發展[8-12]。

雖然MSM 結構是ZnO 紫外光電探測器的主流結構[13-16],但由于金屬電極是生長在薄膜的表面,而有效收集入射光的區域為金屬與半導體接觸的區域,主要位于金屬電極的下方,這樣入射光就會被半導體上層的金屬電極所遮擋,降低了對入射光的吸收效率,進而影響了器件的性能。 這成為了MSM 結構紫外光電探測器不可回避的問題,限制了其性能的進一步提高。 此外,MSM 電極結構主要采用刻蝕的方法獲得,所以ZnO 半導體表面勢必會有一定的損傷,產生一定量的表面缺陷,對光生載流子造成復合,從而使器件的性能有所衰減。 針對上述問題,我們將器件制備成三明治結構,即在原有的MSM 電極結構上方再鋪設一層ZnO 薄膜,形成ZnO/Au/ZnO 三明治器件結構的紫外光電探測器,這種器件結構具有如下優點：(1)將金屬電極設計在薄膜中間,與傳統的金屬電極鋪設在薄膜的上表面相比,可以最大限度地避免金屬電極的遮光效應,進而提高對入射光的吸收效率；(2)三明治器件結構使得上層與下層的ZnO 薄膜接觸,減少了表面的不飽和鍵,降低了表面的復合中心密度；(3)將金屬電極設計在薄膜的中間,可以起到對薄膜的固化作用,減少外界環境對金屬電極、以及對金屬電極與薄膜接觸的影響。

本文采用射頻磁控濺射方法在石英襯底上制備了ZnO 薄膜,通過傳統紫外光刻和濕法腐蝕的方法在ZnO 薄膜表面制備MSM 金屬電極,之后在MSM 金屬電極表面再鋪設一層ZnO 薄膜,進而構建成三明治器件結構的ZnO 紫外光電探測器,在提升器件響應度的同時,器件的暗電流也得到了明顯的改善。

2 實 驗

首先利用射頻磁控濺射方法在石英襯底上生長第一層ZnO 薄膜,其生長條件是襯底溫度為673 K,生長室的壓強為3 Pa,氬氣與氧氣的氣體流量比為45∶15 mL/min,濺射功率為120 W,生長時間為2 h。 之后采用傳統紫外曝光和濕法腐蝕的方法在第一層ZnO 薄膜上制備MSM 電極結構,電極材料選用Au,叉指電極的長度為500 μm,寬度為5 μm,電極間距為5 μm,如圖1(a)所示。 之后再在電極表面覆蓋一層ZnO 薄膜,生長時間為3 h,其他生長條件與第一層ZnO 薄膜一致,構建的ZnO/Au/ZnO 三明治器件結構如圖1(b)所示。

圖1 (a)單層ZnO 薄膜MSM 結構紫外光電探測器結構示意圖；(b)三明治結構ZnO 紫外光電探測器結構示意圖。Fig.1 (a)Structure diagram of MSM structured UV photodetector based on single-layer ZnO film. (b)Structure diagram of UV photodetector based on sandwich ZnO film.

X 射線衍射(XRD)采用的設備為日本島津Rigaku Ultima VI X 射線衍射儀,吸收曲線選用的是PerkinElmer Lambda 950 紫外可見分光光度計,暗電流測試系統為安捷倫B1500A 半導體設備測試分析儀,光響應度采用的是卓立漢光的Zolix DR800-CUST 的測試分析儀。

3 結果與討論

圖2 為單層ZnO 及三明治結構ZnO 的XRD圖譜。 從圖中我們可以看到,相比較單層ZnO 薄膜而言,三明治結構ZnO 的衍射峰強度有所增強,并且(002)衍射峰的半高寬有所收窄,這和晶體質量的提高有一定的關系。 圖3 為單層及三明治結構ZnO 的吸收光譜,很明顯吸收得到了一定程度的增強,這與XRD 結果是一致的。

圖2 單層及三明治結構ZnO 薄膜的XRD 譜Fig.2 XRD spectra of single-layer and sandwich ZnO films

圖3 單層及三明治結構ZnO 薄膜的吸收光譜Fig.3 Absorption spectra of single-layer and sandwich ZnO films

圖4 單層ZnO 及三明治結構ZnO 紫外光電探測器的暗電流曲線Fig.4 Dark current curves of ZnO UV photodetectors with single-layer and sandwich structures

圖4 為單層ZnO 與三明治結構ZnO 兩種結構紫外光電探測器的暗電流曲線。 從圖中可以看出兩種器件的暗電流均具有明顯的整流特性,沒有出現擊穿線型。 器件的暗電流曲線均為對稱式線型,說明在濕法刻蝕中MSM 電極保持了很好的對稱性。 在5 V 偏壓下,單層ZnO 紫外光電探測器的暗電流為3.42 ×10-5A,三明治結構ZnO 紫外光電探測器的暗電流為1.44 ×10-5A,下降了近58%。 這主要歸因于上層ZnO 的鋪設,降低了由濕法刻蝕所帶來的下層ZnO 表面的復合中心密度。圖5(a)為三明治結構ZnO 紫外光電探測器在不同偏壓下的響應度曲線,為了更明顯地體現出其結構優勢,將單層結構的ZnO 紫外光電探測器作為對比,如圖5(b)所示。 對于三明治結構的ZnO 紫外光電探測器,在5 V 偏壓下,器件的光響應度峰值達到了0.05 A/W,截止邊位于375 nm,并沒有出現拖尾現象,這與吸收曲線的吸收邊相互對應。 其次,光響應度紫外與可見的抑制比達到了3 個數量級,可以有效地提高器件的信噪比。并且器件的響應度隨著偏壓的增加而增大,并沒有出現飽和現象。 而與之相對應的單層ZnO 紫外光電探測器,在5 V 偏壓下器件的峰值響應度僅為0.002 6 A/W。 可見,三明治結構ZnO 紫外光電探測器的響應度在5 V 偏壓下提升了19.23倍。 圖6 為不同偏壓下兩種器件結構的光響應度的峰值曲線。 兩種結構器件的響應度雖然與偏壓均呈現了明顯的線性關系,但是相當明顯的倍數差異不是三明治結構吸收增強所能予以解釋的,下面我們對其具體的物理機制進行解釋。

圖5 (a)三明治結構ZnO 紫外光電探測器不同偏壓下的響應度曲線；(b)單層ZnO 紫外光電探測器不同偏壓下的響應度曲線。Fig.5 (a) Response curves of ZnO photodetectors with sandwich structure under different bias voltage. (b)Response curves of ZnO photodetectors with singlelayer structure under different bias voltage.

圖7 為單層及三明治結構ZnO 紫外光電探測器的器件剖面圖。 對于單層ZnO 器件結構的剖面圖而言,其有效的收集和分離光生載流子的區域為耗盡區,而耗盡區的主要位置則是位于電極與半導體的金半接觸區域,正好位于電極的下方。 當紫外光入射時,金屬電極由于在半導體的上方,所以對入射光起到了一定的遮蔽效應,降低了入射光的吸收效率,因而限制了器件的光響應度。 而三明治結構的器件恰好彌補了單層即傳統類型器件的缺點。 如圖7 所示,三明治結構器件主要吸收入射光的區域為金半接觸的電極上部,以及電極與電極之間的半導體部分,金半接觸的電極下部則不是主要部分。 可見,這種三明治器件結構很好地規避了金屬電極對入射光的遮蔽,使得主要的耗盡區域暴露出來,可以直接接收照射的入射光,進而提高入射光的吸收效率,增強了光生載流子的收集與分離,所以器件的響應度能夠得到明顯的提高。

圖6 單層及三明治結構ZnO 紫外光電探測器響應峰值與偏壓的對應關系Fig.6 Relationship between the peak response and bias voltage of ZnO photodetectors with single-layer and sandwich structures

圖7 單層及三明治結構ZnO 紫外光電探測器的截面示意圖Fig.7 Cross section diagram of ZnO UV photodetectors with single-layer and sandwich structures

4 結 論

我們采用射頻磁控濺射方法制備得到了三明治結構ZnO 紫外光電探測器。 相比較傳統的單層ZnO紫外光電探測器,在5 V 偏壓下器件的響應度提高了19.23 倍,這主要歸因于三明治結構ZnO 紫外光電探測器的有效收集區域可以直接收集入射光,很好地規避了傳統探測器電極對入射光的遮擋作用。此外,這種類型探測器的暗電流也在一定程度上有所降低,這主要是由于上層ZnO 薄膜的鋪設可以降低下層ZnO 薄膜上表面的復合中心密度。 可見,三明治結構ZnO 紫外光電探測器有望為高性能的紫外光電探測器提供可行的技術保障。