利用MOCVD在Si衬底上制备立方相Mg0.25Zn0.75O 薄膜及日盲探测器

王立昆，单崇新，申德振，张振中

(1中国科学院长春光机所凝聚态物理实验室，吉林长春，130033;2河北科技师范学院)

近年来，紫外波段尤其在日盲区(280～220 nm)工作的光电探测器件研制已在世界发达国家相继开始，并通过探测导弹、火箭尾烟的热辐射和荧光辐射来实现紫外告警研究取得重大进展。另外，它在电晕检测、火灾探测、紫外通讯和紫外天文学等方面都有着广泛的应用［1～4］。宽禁带半导体材料基探测器，由于没有对可见光的响应，可以在室温下工作，得到人们越来越多的关注。目前，受到关注的宽带隙半导体材料包括4H-SiC，Diamond，GaN/GaAlN，ZnO/MgZnO，Ga2O3等。其中，MgZnO材料具有独特的优点，如大的可调谐的带隙(3.3～7.8 eV)和较低的生长温度(100～750℃)。此外，环保和生物相容性的特点使MgZnO合金更具吸引力［5～9］。2008年，Ju等［10］首次实现了MSM结构的MgZnO日盲紫外探测器，光响应峰值在220～260 nm，几乎覆盖了整个日盲波段。

由于P型ZnO(MgZnO)材料的制备上的困难，极大的限制了MgZnO基同质结型探测器件的研究进展。Si基异质结型器件具有成本低，易于实现与Si工艺集成等特点而受到关注［11～14］。笔者利用MOCVD 方法在 Si衬底上生长了立方相 Mg0.25Zn0.75O 薄膜，研制出垂直结构的 Mg0.25Zn0.75O/n-Si异质结探测器。器件具备良好的整流效应，在0 V偏压下的峰值响应位于约280 nm，具备日盲探测能力。

1 材料生长

选用N型Si(100)作为衬底，Si衬底的清洗过程:(1)丙酮超声清洗5 min;(2)乙醇超声清洗5 min后，去离子水反复冲洗;(3)利用质量分数为0.30的HF酸溶液浸泡10 min后，用高纯度干燥N2吹干。

利用MOCVD技术，在衬底上进行了Mg0.25Zn0.75O薄膜的生长。生长过程如下:

生长室压力设定在2×104Pa，生长温度设定在450℃，本次研究选用的金属有机源分别为二乙基锌(DEZn)和二甲基二茂镁(BCp2Mg)，源温分别控制在5℃和50℃。氧源选用高纯氧(O2的体积分数为0.999 99)，而载气选择高纯N2，二乙基锌流量设定为25 mL/min，二甲基二茂镁流量设定为50 mL/min。O2流量分别设定为550 mL/min。

本次研究对生长的薄膜进行了X射线衍射测试，测试结果如图1所示。从图中可以看到，通过查找PDF 卡片，位于36.7°的峰对应于 Mg0.25Zn0.75O 薄膜的(111)衍射峰。位于42.6°的衍射峰对应于(200)取向，位于61.7°的对应于(220)取向。这说明薄膜具备立方相结构，并且具有3个取向。由于Si衬底和薄膜的晶格常数相差比较大，存在着大的晶格失配度，这样导致了Mg0.25Zn0.75O薄膜的多个取向。通过对薄膜的(111)衍射峰的高斯线形拟合，(111)衍射峰的半高宽仅为0.2°，这说明 Mg0.25Zn0.75O薄膜在(111)取向上的结晶质量还是比较不错的。

图1 Si衬底上生长的Mg0.25Zn0.75O薄膜的X射线衍射图

本次研究对薄膜进行了能谱色散谱仪(EDS)测试，Mg在合金薄膜中的组分为0.25。根据公式，

其中，Eg(MgZnO)为合金薄膜的带隙宽度，X为薄膜中 Zn的组分［15］。Eg(ZnO)为 ZnO的带隙，取为3.37 eV;Eg(MgO)为 MgO 的带隙，取为 7.8 eV。通过计算，得到 Mg0.25Zn0.75O 合金薄膜的带隙宽度为4.48 eV，对应于波长为276 nm。

2 器件制备及分析

对在Si衬底上生长的Mg0.25Zn0.75O薄膜，进行了如下的器件制备。具体工艺过程如下:首先在薄膜表面利用DMD-450型镀膜机通过热蒸镀方法蒸上圆形Au电极，直径约为1 mm。然后，在Si侧通过热蒸镀方法蒸In点极，引出导线。基于Mg0.25Zn0.75O/n-Si异质结型探测器结构示意图如图2(a)所示。测量过程中，光从 Mg0.25Zn0.75O 侧入射。

本次研究利用Lakeshore’s 7707型霍尔效应测量系统对制备的器件进行了电学特性测试。图2(b)所示的是器件的IV特性曲线，从图中可以看到，器件具备明显的整流特性，正向开启电压约为2 V。在反向偏压下，器件暗电流随着电压的增加没有增加，呈截止特性，击穿电压大于20 V。在－5 V偏压下，器件暗电流为0.02 mA。器件出现的整流效应归因于Mg0.25Zn0.75O和n-Si之间形成的异质结构。

本次研究利用自搭建的光谱响应的测量系统进行光响应度测试。由150 W氙灯所发出的白光，经过单色仪后，变成了矩形脉冲光。斩波器的频率控制在150 Hz。待测试的器件与一个取样电阻相串联，其阻值为7.5 kΩ。当器件产生的光生电流在流过取样电阻时，通过锁相放大器来测量电阻两端电压变化，并输入到记录仪中被记录。从图3中，可以看到，在0 V偏压下，器件的响应谱线在大约280 nm处出现了峰值，响应度为1.2 mA/W，主要来自于Mg0.25Zn0.75O侧。然而，器件的紫外可见抑制比为一个数量级。当器件处于－1 V的反偏压时，可以看到器件的响应度有了整体上的提高，达到约8.0 mA/W，这是由于随着反向偏压的增加，使得电荷耗尽层展宽，更多的电子空穴对分离，产生更大的光电流。在大约300 nm处出现了明显的截止边，响应的光谱特性有所改善。因为Si和Mg0.25Zn0.75O晶格不匹配，导致在生长过程中，在界面处产生大量缺陷而引入深能级，导致器件的光谱响应截止特性比较弱。

图2 基于Mg0.25Zn0.75O/n-Si异质结型探测器结构示意图(a)，器件的暗电流特性曲线(b)

图 3 Mg0.25Zn0.75O/n-Si异质结型探测器的响应谱

3 结论与讨论

利用MOCVD技术在Si衬底上生长了立方相Mg0.25Zn0.75O薄膜，薄膜具备了(100)，(110)和(111)多重取向，在(111)方向上结晶质量较高。利用热蒸镀等工艺制备了Mg0.25Zn0.75O/n-Si异质结型的探测器件。通过电学特性测试，发现器件具备明显的整流效应。在－5 V偏压下，器件暗电流为0.02 mA。器件在0 V下响应峰值位于大约280 nm处，响应度为1.2 mA/W。下一步工作:由于本器件暗电流较大，光谱响应抑制比不高，笔者将在Si与Mg0.25Zn0.75O界面插入介电层，如MgO，改善器件整流效应，提高响应能力。

致谢:这项工作是在“973”项目Nos.2008CB317105和2006CB604906，以及中国科学院自然科学知识创新基金项目No.KJCX3.SYW.W01的支撑下完成的;另外，感谢河北科技师范学院分析测试中心的技术支持。

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(责任编辑:朱宝昌)