MgxZn1-xO薄膜带隙调节及紫外探测器光电性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:QUEEN_ZX
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ZnO是Ⅱ-Ⅳ族宽带隙化合物半导体材料,因其优越的光电性质而受到广泛关注。更为重要的是,通过一定工艺在ZnO中掺入Mg,可调节MgZnO的带隙在3.37 e V-7.8 e V之间变化,涵盖整个紫外光区域,从而使MgZnO成为紫外光电器件的首选材料。但是,ZnO和MgO之间存在晶格失配,一定组分下会发生相分离,禁带宽度随组分将呈现非线性变化。如何实现MgZnO带隙的有效调节并在此基础上制备高性能紫外探测器件成为本领域研究热点。目前,为实现MgZnO在紫外区域的禁带宽度的可控调节,大多采用分子束外延,激光脉冲沉积,化学气相沉积等方式。与以上方式相比,磁控溅射技术具有成本低廉,易于大面积生长等优点。本文主要通过贴片共溅射技术实现MgxZn1-xO材料的带隙调节,研究Mg的注入对ZnMgO晶体结构和光电性能的影响,依据所得结果设计相应单相、混相MgZnO探测原型器件,并对其光电性能进行分析。主要研究内容如下:首先,进行了低Mg组分(Mg<30%)MgxZn1-xO薄膜带隙调节的工艺优化:采用贴片共溅射法在石英衬底上生长低Mg含量的MgxZn1-xO薄膜,研究工艺参数变化对生镁注入效率、薄膜晶体质量和光学性能的影响,结果表明当溅射功率为140 W,溅射氧氩比为14:46,溅射压强为0.5 Pa,退火温度为600℃时,Mg的注入效率可控性较好,ZnMgO禁带宽度在3.82 e V-4.09 e V区间可调,并能保持薄膜有较好的晶体质量和光学性能。其次,本文进行了高Mg组分MgxZn1-xO薄膜材料带隙的调节,在石英上生长了一系列不同宽带隙的MgxZn1-xO薄膜材料,我们发现随镁含量的增大,MgxZn1-xO薄膜带隙随镁含量呈非线性变化,成功实现了ZnMgO禁带宽度在4.03 e V-5.41 e V区间可调,并能保持薄膜有较好的晶体质量和光学性能。然后,将不同带隙MgxZn1-xO薄膜制备成紫外探测原型器件,研究了器件的光电响应特性,结果表明:器件的光谱响应截止波长随Mg含量变化呈线性变化,实现了一定Mg组分范围内器件截止波长的可控调节。最后,研究了退火和缓冲层处理对器件性能的影响,结果表明:退火有助于提高器件响应性能,对于高Mg镁组分器件,退火后响应度由0.12×10-3 A W-1提高到0.57×10-3 A W-1。另外,本实验制备了不同镁含量的混相MgxZn1-xO器件,器件的响应波段随镁含量的增加向短波方向移动;在此基础上又研究了缓冲层ZnO对器件性能的影响,发现相对于未生长ZnO缓冲层的MgxZn1-xO基光电导型器件的光谱响应,生长了缓冲层的器件响应度由0.12×10-3 A W-1提高到0.43 A W-1,提升了三个数量级,该现象充分说明了在石英玻璃上生长一层缓冲层能够提高器件的响应度。
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