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中国科学院物理研究所 E04组供稿 第50期 2015年11月05日
北京凝聚态物理国家实验室
日盲镁锌氧单晶薄膜的电性调控及双色/多色紫外探测器研制
  ZnO基光电子学及透明电子学是近年来信息和材料科学领域的研究热点。理论上通过Mg、Be等元素的掺杂,ZnO基合金的禁带宽度能在很宽波段范围内进行调谐,如通过调整MgxZn1-xO中的Mg组分,其带隙可在3.37~7.8eV(368~159nm)范围内调控,从而可覆盖280~220nm日盲波段,成为继AlGaN后又一重要的日盲紫外探测材料。作为核心元器件的日盲紫外探测器在多个领域具有重要应用价值,是目前光电子高技术领域的一个研发重点。
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)杜小龙研究组(E04)持续开展了日盲MgZnO单晶薄膜的电性调控及双色/多色探测性能的探索等一系列研究工作,获得了一些重要进展。利用能带工程,他们在蓝宝石、硅衬底上均获得了镁组分达到50%以上的单一纤锌矿相W-MgZnO单晶薄膜,在MgO(100)衬底上外延生长了Zn组分高达70%的单一岩盐矿相RS-Zn0.7Mg0.3O单晶薄膜, 这些材料的带隙均处于日盲紫外这一重要波段。由于非掺杂薄膜均呈半绝缘性,为改善其导电性,亟需通过n型掺杂来提高其背景电子浓度。而常规的Al/Ga/In III族元素掺杂效率非常低,无法实现载流子的调控,这是因为随着Mg组分增大到40%及以上时,Al/Ga/In施主的能级快速变深,在常温下无法电离。因此,日盲MgZnO单晶薄膜的n型掺杂是影响其光电子器件应用的难点。梅增霞、刘利书、侯尧楠、梁会力等通过自行提炼粗纯ZnF2粉末,获得了高纯的ZnF2颗粒作为掺杂物,利用rf-MBE法成功地在日盲W-MgZnO单晶薄膜中实现了有效的F掺杂,研究表明替氧位的FO在日盲W-MgZnO中是浅施主,并具有两个能级,分别为17meV及74meV,对应着两种元胞构型。在F掺杂浓度为1.0×1019cm-3时,电子载流子浓度为2.9×1017cm-3,与非掺杂样品相比导电率提高了4个量级。该掺杂技术有效解决了日盲W-MgZnO单晶薄膜的导电性问题,相关紫外探测器性能获得了大幅提高。部分结果发表在近期的Scientific Reports上【Sci. Rep. (2015) 5, 15516】。
  紫外双色及多色探测因其非常重要的应用价值而受到了广泛关注,课题组利用前期在紫外MgZnO材料及器件方面的坚实基础开展了MgZnO基双色【Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 153510】及多色【Appl. Phys. Lett. (2014) 105, 133510】紫外探测器的原型器件的研制工作,均获得了重要进展。通过设计含有不同Mg组分的多层MgxZn1-xO膜结构,利用Si衬底与MgZnO外延层能带偏移形成的非对称势阱,构建了一种新颖的制作紫外区可控双色探测器的技术方案,通过改变工作偏压的极性,就可以获取日盲区或者光盲区不同的紫外光信号,从而实现了Si基单片集成双色紫外探测器原型器件的制作。为了实现单芯片多波段紫外探测功能,他们在ZnO衬底上外延生长了Mg组分渐变的MgZnO外延薄膜,为过滤掉ZnO衬底的光响应,在沉积MgZnO之前外延了BeO缓冲层,利用其大的介电常数及致密性等优点,成功地阻挡了ZnO光电流的向上输运,结合带隙渐变的W-MgZnO薄膜,可以方便地利用偏压来选择探测波段,实现多色紫外波段的探测功能。APL的审稿人高度评价了这一新原理多色探测器件,认为该方法可以成为未来器件设计的范式。
  上述工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的项目资助。其中器件研制工作是与微加工实验室的顾长志研究组合作完成,SIMS及变温霍尔测试结果是在挪威奥斯陆大学Andrej Kuznetsov组获得。
图1. W-Mg0.51Zn0.49O:F单晶薄膜外延生长的RHEED原位观察图、薄膜的XRD扫描结果、F含量的SIMS测试结果以及薄膜的变温霍尔测试结果【Sci. Rep. (2015) 5, 15516】。
图2. MgZnO可见盲/日盲双色紫外探测器的研制与研究:(a)器件结构示意图;(b)薄膜生长原位RHEED图片;(c)正向及负向偏压下双色紫外探测器的光响应谱;(d)多层MgxZn1-xO外延薄膜与Si衬底能带偏移形成的非对称势阱结构示意图【Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 153510】。
图3. MgZnO单芯片日盲-紫外多色探测器的研制与研究:(a)器件结构示意图;(b)薄膜生长原位RHEED图片; (c)薄膜原子力显微照片;(d)TiAu叉指电极显微照片;(e)0V偏压下探测器光响应谱;(f)光电流随外加偏压的变化曲线;(g)光响应峰值波长及峰值电流随外加偏压的变化曲线;(h)不同偏压下电场分布的拟合结果及探测器的能带结构示意图【Appl. Phys. Lett. (2014) 105, 133510】。
下载附件>> Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 153510.pdf
下载附件>> Appl. Phys. Lett. (2014) 105, 133510.pdf
下载附件>> Sci. Rep. (2015) 5, 15516.pdf
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