基于ZnO/Glass声表面波器件的高速紫外传感特性研究*

谷 航， 何兴理， 骆季奎

(浙江大学 信息与电子工程学系，浙江 杭州 310027)

0 引 言

ZnO是一种同时具有半导体、光电和压电特性的材料,它对于紫外光比较敏感，在室温下的禁带宽度为3.37 eV ，有较高的激子复合能(60 meV)。ZnO价格低廉，原材料丰富，其薄膜容易制备，方法包括磁控溅射(sputtering)、脉冲激光沉积(PLD)、化学气象沉积(MOCVD)和原子层沉积(ALD)等。其中通过磁控溅射方法制备的ZnO薄膜具有较高的沉积速率，低的衬底沉积温度，与基板有良好的粘附性，工艺成本低，晶体性能好，而被广泛采用[1]。

紫外探测器可广泛用于科研、军事、环保、医疗等领域,随着社会的发展，人们越来越关注紫外光的辐射与测量，对紫外探测器的需求日益增长。使用ZnO可以制备高性能的紫外探测器，且具有很高的稳定性[2]。本文采用基于ZnO/玻璃(Glass)的声表面波(SAW)器件来开发高性能的紫外探测器。利用直流反应磁控溅射法在Glass衬底上制备了ZnO薄膜，然后在薄膜上制作了声表面波(SAW)器件，并对该种器件的特性进行测试，该种器件表现出良好的紫外传感特性。由于采用了Glass衬底，相比于硅基衬底，器件的生产成本大大降低，使该种传感器的大量应用成为可能。本实验室最近成功地制作了柔性SAW器件[3，4],并将其用于温度、湿度[5]和紫外传感器，显示了它巨大的应用潜力。

1 基于COMSOL的SAW器件仿真

为了验证器件在Glass衬底上能否正常工作，同时对其性能做出预估，很有必要对ZnO/Glass结构的器件进行理论建模分析。

本次研究，采用COMSOL Multiphysics 4.2有限元计算软件对ZnO/Glass结构的SAW器件进行了S11参数的仿真。

为简化分析，采用了2D仿真。因SAW器件的叉指电极数量较多，可以截取其中的一对叉指来进行仿真研究，所建立的SAW谐振器的仿真模型如图1(a)所示。在仿真时给边界(图1(a)中的M1,M2)添加周期性边界条件，这样就可以仿真模拟实际中叉指数量较多的情况。将该SAW器件模型的2个铝电极一个加电压，而另一个接地。

本文选取4 μm指宽(周期为16 μm)的器件进行频率响应分析，通过COMSOL软件后处理可以绘出其在谐振频率167 MHz时的压电振动所引起的表面形貌变化。图1(b)给出了在167 MHz时，SAW谐振器的表面形变特性。图1(c)为仿真得到的器件S11参数。

图1 SAW 器件仿真结果

2 ZnO/Glass结构SAW器件的制备与测试

2.1 ZnO薄膜的制备

本实验利用直流反应磁控溅射法制备ZnO薄膜，衬底采用型号为2318的康宁玻璃;靶材采用直径为10.2 cm，纯度为99.999 %的Zn靶；靶材与衬底之间的距离为7 cm;溅射室本底气压为3×10-3Pa；反应气体采用纯度为99.999 %的O2和Ar，Ar/O2为100/50,溅射气压为1 Pa，衬底温度为200 ℃。每次溅射前先预溅射20 min以除去靶材表面污物；溅射时间为2.5 h，实验得到的ZnO薄膜的厚度约为2.1 μm。

采用日立冷场发射电子显微镜S—4800扫描ZnO的横截面，获得薄膜截面结构特性。从图2(a)可看到所得的ZnO薄膜呈现柱状生长。本实验还采用日本岛津X射线衍射仪XRD—6000对ZnO薄膜进行扫描，并获得薄膜的晶体取向(见图2(a))，可以看到制备的ZnO有很好的(0002)取向，即压电特性的C轴择优取向。此外，还采用日本精工SPA—400原子力显微镜对ZnO表面形貌进行观测，如图2(b)所示，测得ZnO薄膜的表面平均粗糙度约为13.797 nm，这说明ZnO薄膜表面非常平整，适合于制作SAW器件。

2.2 SAW器件的制作与特性测试

在沉积完ZnO后，在ZnO/Glass结构上利用标准光刻和剥离(lift-off)工艺制作SAW器件，并对器件进行了400 ℃、常压条件下的退火。叉指电极的周期，即波长λ为16 μm。叉指电极的宽度为1.28 mm；叉指数量左右各20对,左右两组叉指电极之间的距离为20λ。器件还采用了4对反射(reflector)电极。所制作的SAW器件如图3所示。

图3 实验制备的ZnO/Glass结构SAW器件显微照片

本实验采用安捷伦公司型号为E5071C的矢量网络分析仪对制作好的SAW器件进行测试，通过基于LabVIEW的测试程序记录器件的特性

本实验采用光源型号为ANUP5252的紫外灯，用一个中心波长为365 nm的滤光片进行滤光。实验测试了紫外光照前和紫外光照后的S21(插入损耗)参数和器件中心频率的变化。图4是测试系统示意图。未经过热处理的SAW器件的传输特性很差，只有微小的161.7 MHz的谐振峰，不能用于紫外光的检测,经过400 ℃热处理，器件性能大大提高。图5是此SAW器件S21参数的测试结果，其插入损耗约为-32.5 dB，中心(或谐振)频率约为161.7 MHz。实际谐振频率与仿真所得的167 MHz有少许偏离。主要原因是，仿真是基于理想的单晶晶体，声速大，而实际的ZnO是由磁控溅射法制备的，属于多晶，声速低，因此,实际的谐振频率比仿真值要小。热处理可以减少薄膜内应力和去除缺陷和杂质，使晶体重新结晶而变大，有利于制作性能良好的压电器件。

图4 紫外光传感器测试系统示意图

图5 SAW器件的S21参数

图6为每隔50 s开关一次紫外光照的情况下，光照前后的S21参数的对比。可以看到施加了紫外光照后，S21参数数值降低，降低量随着光照能量密度增大而增大。当光强为8.6 mW/cm2时，器件插入损耗约增加了2.75 dB。由图6所知，在经历了3次往复的紫外光照射后，器件插入损耗仍能回复到原来的数值，显示出该种传感器的高度稳定性。

图7为每隔50 s开关一次紫外光照情况下得到的器件中心频率的变化情况。由图可知,器件的反应时间约为3 s。当紫外光强为8.6 mW/cm2时，器件的中心频率减小了62 kHz，频率变化极其明显，显示出该种传感器的优良特性。

图6 SAW传感器S21参数随紫外光强的变化

图7 中心频率随紫外光强的变化

图8为总结图7测试数据得到的结果，通过对测试得到的数据进行拟合分析，可以得到，这种基于ZnO/Glass结构的器件其中心频率随紫外光强的变化呈近似线性变化关系。其紫外传感的灵敏度可以通过以下公式计算得到[6]

(1)

其中，fr为器件的谐振频率，Δf和ΔIUV为频率偏移量和紫外光强偏移量。由图8和公式(1)可计算得到该种器件的灵敏度为36.4×10-6/mW/cm2。

图8 频率改变量随紫外光强的变化

该种基于ZnO/Glass 结构器件对紫外光的反应主要是由于ZnO表面的光生载流子引起的[7，8]，当紫外光照射到器件表面时，ZnO晶体价带中的电子跃迁到导带中，导致自由电子空穴对的产生，而光生载流子主要集中在ZnO薄膜的表面，这些载流子将于SAW器件表面产生声电耦合作用，从而导致器件传输特性的变化。SAW器件声波传播速度偏移(Δv)和插入损耗偏移(ΔΓ)由以下两式决定[9，10]

(2)

(3)

其中，v0为声波的原始传播速度，k2为有效机电耦合系数，λ为声波波长，σm和σ分别为材料固有电导和材料表面电导。由式(2)、式(3)可知，当紫外光照射ZnO表面时，ZnO材料的表面电导发生变化，因而,相对应的SAW器件的频率和插入损耗也发生变化。

3 结束语

本文研究了基于ZnO/Glass结构的SAW器件及其紫外特性,通过COMSOL仿真得到的SAW器件模型的中心频率与实验得到的频率相接近。本文用磁控溅射的方法在Glass片上制备了ZnO薄膜，并制作了相应的SAW器件，对其紫外特性进行了测试,得到了良好的结果。这为研究这种基于ZnO薄膜的紫外探测器提供了一种新的途径。

参考文献:

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[10] Wei Chingliang，Chen Yingchung，Kao Kuosheng，et al.Characterization of ZnO films of surface acoustic-wave oscillators for ultraviolet sensing applications[J].J Micro/Nanolith MEMS MOEMS,2010,9(3):03100.