电极宽度对ZnO基MSM紫外光电探测器性能的影响

李健?孙娥?金礼南?裴佳楠?蒋大勇

摘 要：利用射频磁控溅射技术，选用靶材为ZnO陶瓷靶材，在石英衬底上制备ZnO 薄膜。并且制备了叉指电极，指宽分别为 3μm、5μm、8μm的金属-半导体-金属型紫外光电探测器，研究了不同指宽对探测器性能的影响。结果表明：指宽为3 um的探测器响应性能明显高于其它两种类型探测器。

关键词：ZnO薄膜；射频磁控溅射；不同电极宽度；MSM型紫外光电探测器

近年来， 由于紫外光电子器件广阔的应用前景，宽禁带半导体材料ZnO已经引起了人们广泛的关注. ZnO是一种新型的直接宽隙II-VI 族化合物半导体材料， 晶体结构为六方纤锌矿结构，其室温禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV。ZnO原材料资源丰富、价格低廉、无毒无污染、制备工艺简单。ZnO具有高熔点、高热稳定性及化学稳定性等优点，因此是制作紫外光电探测器的理想材料。在军事、民用等方面有着巨大的应用前途。近年来，科研工作者们分别采用金属有机气相沉积法（MOCVD）、激光脉冲沉积法（PLD）、分子束外延法（MBE）等方法制备了不同类型的ZnO合金薄膜[3-5]。采用射频磁控溅射法制备ZnO薄膜材料时，其衬底材料选择为石英衬底，溅射反应气体则为氩气、氧气一定比例的混合气体，这种ZnO薄膜制备方法研究较少，尤其是不同指宽对紫外光电探测器性能的影响方面研究。

本文利用射频磁控溅射方法，用氧气和氩气作为溅射气体在石英衬底上制备了ZnO薄膜，并对其结构和光学性质进行分析研究。通过射频磁控溅射所成的ZnO薄膜会具有良好的致密性和均匀性，有利于得到高质量的ZnO薄膜。通过测试分析不同类型的探测器的光响应光谱，得出最优指宽的叉指型电极。

一、实验

本实验利用射频磁控溅射方法在石英衬底上制备ZnO 薄膜。所使用的靶材是纯度99.99%的ZnO陶瓷靶材。石英衬底分别用酒精，丙酮，去离子水超声清洗五分钟，然后使用氮气吹干，待吹干后立即放入薄膜生长腔体。使用分子泵将薄膜生长腔体内真空抽到5×10-4Pa，之后把纯度为99.999%的氩气和氧气通入到生长腔体，气体流量分别设为50sccm、50sccm，溅射功率控制在110W，薄膜的生长温度控制在673K，石英衬底转数控制在8r/min，薄膜生长过程中生长腔体内的的压强保持在5Pa。薄膜的生长时间为2h。同样使用射频磁控溅射的方法在ZnO 薄膜上表面溅射生长约100nm后的Au，使用光刻的方法刻出叉指型电极。指间距均为5μm，制备出指宽分别为 3μm、5μm、8μm的紫外光电探测器。

二、结果与讨论

图1 所示为利用射频磁控溅射方法，用ZnO靶材生长的ZnO薄膜的X 射线衍射（XRD）图谱。图中在34.44°处有一个高强度的尖锐的衍射峰，对应于六角纤锌矿ZnO晶体的（002）取向。XRD 的半高宽对于样品的晶体质量来说是一个有力的表征手段。在得到半高宽值为0.25°后，可以通过下面的公式计算得到平均晶粒尺寸d 即

d = 0.94λ/B cosθ （1）

式中d 是晶粒的平均尺寸，λ是波长（1.54?），测B是衍射峰半高宽度，θ是Bragg 衍射角。通过计算晶粒的直径为213.2nm，大的晶粒尺寸有利于减少晶粒的界面和表面缺陷，从而形成高质量的ZnO薄膜，这对于制备高性能紫外光电探器件是积极有益的。

图2 ZnO基MSM光电探测器件结构示意图，通过湿法刻蚀得到Au电极，为了研究电极宽度对器件性能的影响，我们制备了电极宽度 h 分别为3，5，8μm的ZnO基MSM光电探测器。

图3 所示为指宽分别为 3μm 的ZnO基MSM型紫外光电探测器在1-7 V 偏压下的响应图谱。由图可见随着电压的增大，器件的响应度逐渐上升。响应图谱中截止边清晰，呈直线型。图3 所示为指宽分别为 3μm、5μm、8μm 的ZnO基MSM型紫外光电探测器在5 V 偏压下的响应图谱。图2中3个器件的响应峰值均位于380nm。指宽为3μm的探测器响应度最高达到0.058 A/W，5μm的探测器响应度最高达到0.041 A/W，8μm的探测器响应度最高达到0.03 A/W。本文中由于外加电场恒定为5 V，若增大指宽，则落于叉指电极间电阻上的电压增大，会使耗尽区上的分压减小，耗尽区会比窄叉指电极的情况下变窄。MSM 结构光电探测器的有效光响应区即为耗尽区。因此探测器的反应接收区变小，则可分离的光生载流子减少，器件的响应度降低。反之，则器件的响应度升高。

三、结论

用射频磁控溅射方法制备了高质量的ZnO薄膜。利用Au 叉指电极，在ZnO薄膜上制备了电极指宽不同的金属-半导体-金属结构紫外光电探测器。研究发现，随着叉指电极宽度的缩小，光响应度增大。在相同偏压下，电极宽度3μm 的器件响应度比宽度8μm 的器件增大了2倍。上述现象是由于叉指电极宽度的缩小导致器件耗尽区宽度增大，因此更多的光生载流子得到有效分离，从而提高了光电流输出。本文的结果表明，对MSM 结构的紫外光电探测器件来说，在一定的工作偏压下，过大的叉指电极宽度会减小实际的耗尽区宽度。因此叉指电极宽度的选取要充分考虑到耗尽区宽度和偏压大小。

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