MgxZn1-xO薄膜、纳米棒阵列的制备及其日盲紫外探测性能研究

来源 :深圳大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xnf0769
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本文采用脉冲激光沉积法(PLD)在石英及SiO2/Si衬底上生长了 MgZnO薄膜,研究了不同Mg含量靶材、衬底温度、氧气压强以及氧气流量等对沉积的MgZnO薄膜的相组织、薄膜厚度和光学带隙的影响;并制备了高性能MgZnO薄膜型日盲紫外探测器。采用化学气相沉积法(CVD),以ZnO、MgZnO薄膜作为晶种层生长了 ZnO、MgZnO纳米棒垂直阵列,研究了晶种层厚度、相组织等对纳米棒长度、面密度、直径的影响;通过调控起始反应源料中Mg粉质量,实现了 MgZnO纳米棒中Mg含量的可控掺杂,并制备了 MgZnO纳米棒阵列型紫外探测器。我们获得以下结果:(1)、分别以Mg0.7Zn0.3O、Mg0.5Zn0.5O、Mg0.3Zn0.7O作为靶材进行MgZnO薄膜沉积时,不同生长温度(200、300、400、500和600℃)和氧气压强(0.5、2.0、4.0、6.0和8.0 Pa)条件下制备的MgZnO薄膜呈现不同的择优取向。其中,以Mg0.7Zn0.3O和Mg0.5Zn0.5O为靶材沉积的MgZnO薄膜均呈现立方相;而以Mg0.3Zn0.7O为靶材沉积的MgZnO薄膜则呈现“单一立方相→混合相→单一六方相→混合相”的相组织变化趋势。通过对靶材中Mg含量、衬底温度、氧气压强及流量等参数的调控,我们可以得到带隙满足日盲紫外波段探测需求、厚度满足后期纳米棒阵列的CVD生长需要、并具有单一立方相、混相和单一六方相组织的MgZnO薄膜。(2)、采用CVD法成功生长了 ZnO、MgZnO纳米棒阵列,研究了晶种层的不同厚度、相组织以及不同MolMg/MolZno 比对纳米棒取向、长度、面密度和直径等参数的影响,结果显示:用于纳米棒阵列生长的最佳晶种层薄膜厚度约为300 nm;在单一立方相、混相、单一六方相组织MgZnO晶种层薄膜上均成功生长了连续、大面积、单分散的一维MgZnO纳米棒,这些纳米棒的长度约12.5~46 μm,直径约75~300 nm,面密度均大于4.9×107根/cm2。通过改变起始原材料中MolMg/Molzno比(2:5、1:1和2:1)的方法可以实现对MgZnO纳米棒中的Mg含量进行调控的目的,其中,MgZnO(2:1)纳米棒中的Mg含量较高。此时,单一立方相、混相和单一六方相组织晶种层上生长的MgZnO纳米棒中Mg含量(at.%)分别为2.64%、2.96%和3.73%;上述ZnO、MgZnO纳米棒垂直阵列均可以满足后续纳米棒阵列型紫外探测器的构筑需求。MgZnO晶种层的高温退火(900℃)对比实验结果显示:经高温退火后,MgZnO晶种层薄膜由单一立方相、混相和单一六方相组织转变为统一的混相组织。(3)、采用光刻工艺,以Mg0.3Zn0.7O作为靶材沉积的具有混相组织的Mg0.38Zn0.62O薄膜构筑了薄膜型日盲紫外探测器,性能测试结果显示:器件在25 V偏压下,对250 nm日盲紫外光的峰值响应度达到0.10 A/W,响应截止边达到265 nm(进入日盲紫外波段),光暗电流比高达1668,实现了对日盲紫外线的高性能探测。不同相组织MgZnO晶种层薄膜上的ZnO纳米棒阵列型紫外探测器测试结果显示:纳米棒阵列型紫外探测器的最佳电极间距为l mm,最佳偏压范围为1~5V。不同相组织MgZnO晶种层薄膜上的MgZnO纳米棒阵列型紫外探测器相关测试结果显示:MgZnO纳米棒阵列型紫外探测器的探测范围进入紫外波段;纳米棒中Mg掺杂量的差异会对探测器的性能产生显著影响,基于MolMg/MolZno(2:1)生长的MgZnO纳米棒阵列型探测器具有最佳紫外探测性能。此时,对应于单一立方相、混相和单一六方相组织MgZnO晶种层薄膜上的MgZnO纳米棒阵列紫外探测器的响应度分别为13.51、51.94和29.75 A/W,平均光暗电流比分别为120.62、75.03和30.58;即基于MolMg/MolZnO(2:1)、混相组织晶种层薄膜生长的MgZnO纳米棒阵列探测性具有更加优异的性能,其响应度高达51.94 A/W、平均光暗电流比达到75.03。这主要源于混相组织晶种层中晶粒界面对内部增益的改善、纳米棒的高比表面积对表面反应速率的提升以及更多的Mg掺杂对纳米棒电阻率的增大。
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