物理所日盲鎂鋅氧單晶薄膜的電性調(diào)控及雙色/多色紫外探測器研制獲進(jìn)展

　　ZnO基光電子學(xué)及透明電子學(xué)是近年來信息和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。理論上通過Mg、Be等元素的摻雜，ZnO基合金的禁帶寬度能在很寬波段范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，如通過調(diào)整Mg_xZn_1-xO中的Mg組分，其帶隙可在3.37~7.8eV（368~159nm）范圍內(nèi)調(diào)控，從而可覆蓋280~220nm日盲波段，成為繼AlGaN后又一重要的日盲紫外探測材料。作為核心元器件的日盲紫外探測器在多個(gè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，是目前光電子高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研發(fā)重點(diǎn)。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）杜小龍研究組（E04）持續(xù)開展了日盲MgZnO單晶薄膜的電性調(diào)控及雙色/多色探測性能的探索等一系列研究工作，獲得了一些重要進(jìn)展。利用能帶工程，他們在藍(lán)寶石、硅襯底上均獲得了鎂組分達(dá)到50%以上的單一纖鋅礦相W-MgZnO單晶薄膜，在MgO（100）襯底上外延生長了Zn組分高達(dá)70%的單一巖鹽礦相RS-Zn_0.7Mg_0.3O單晶薄膜，這些材料的帶隙均處于日盲紫外這一重要波段。由于非摻雜薄膜均呈半絕緣性，為改善其導(dǎo)電性，亟需通過n型摻雜來提高其背景電子濃度。而常規(guī)的Al/Ga/In III族元素?fù)诫s效率非常低，無法實(shí)現(xiàn)載流子的調(diào)控，這是因?yàn)殡S著Mg組分增大到40%及以上時(shí)，Al/Ga/In施主的能級快速變深，在常溫下無法電離。因此，日盲MgZnO單晶薄膜的n型摻雜是影響其光電子器件應(yīng)用的難點(diǎn)。梅增霞、劉利書、侯堯楠、梁會力等通過自行提煉粗純ZnF₂粉末，獲得了高純的ZnF₂顆粒作為摻雜物，利用rf-MBE法成功地在日盲W-MgZnO單晶薄膜中實(shí)現(xiàn)了有效的F摻雜，研究表明替氧位的F_O在日盲W-MgZnO中是淺施主，并具有兩個(gè)能級，分別為17meV及74meV，對應(yīng)著兩種元胞構(gòu)型。在F摻雜濃度為1.0×10¹⁹cm^-3時(shí)，電子載流子濃度為2.9×10¹⁷cm^-3，與非摻雜樣品相比導(dǎo)電率提高了4個(gè)量級。該摻雜技術(shù)有效解決了日盲W-MgZnO單晶薄膜的導(dǎo)電性問題，相關(guān)紫外探測器性能獲得了大幅提高。部分結(jié)果發(fā)表在近期的Scientific Reports上【Sci. Rep. (2015) 5, 15516】。

　　紫外雙色及多色探測因其非常重要的應(yīng)用價(jià)值而受到了廣泛關(guān)注，課題組利用前期在紫外MgZnO材料及器件方面的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)開展了MgZnO基雙色【Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 153510】及多色【Appl. Phys. Lett.(2014) 105, 133510】紫外探測器的原型器件的研制工作，均獲得了重要進(jìn)展。通過設(shè)計(jì)含有不同Mg組分的多層Mg_xZn_1-xO膜結(jié)構(gòu)，利用Si襯底與MgZnO外延層能帶偏移形成的非對稱勢阱，構(gòu)建了一種新穎的制作紫外區(qū)可控雙色探測器的技術(shù)方案，通過改變工作偏壓的極性，就可以獲取日盲區(qū)或者光盲區(qū)不同的紫外光信號，從而實(shí)現(xiàn)了Si基單片集成雙色紫外探測器原型器件的制作。為了實(shí)現(xiàn)單芯片多波段紫外探測功能，他們在ZnO襯底上外延生長了Mg組分漸變的MgZnO外延薄膜，為過濾掉ZnO襯底的光響應(yīng)，在沉積MgZnO之前外延了BeO緩沖層，利用其大的介電常數(shù)及致密性等優(yōu)點(diǎn)，成功地阻擋了ZnO光電流的向上輸運(yùn)，結(jié)合帶隙漸變的W-MgZnO薄膜，可以方便地利用偏壓來選擇探測波段，實(shí)現(xiàn)多色紫外波段的探測功能。APL的審稿人高度評價(jià)了這一新原理多色探測器件，認(rèn)為該方法可以成為未來器件設(shè)計(jì)的范式。

　　上述工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的項(xiàng)目資助。其中器件研制工作是與微加工實(shí)驗(yàn)室的顧長志研究組合作完成，SIMS及變溫霍爾測試結(jié)果是在挪威奧斯陸大學(xué)Andrej Kuznetsov組獲得。

　　圖1. W-Mg_0.51Zn_0.49O:F單晶薄膜外延生長的RHEED原位觀察圖、薄膜的XRD掃描結(jié)果、F含量的SIMS測試結(jié)果以及薄膜的變溫霍爾測試結(jié)果【Sci. Rep. (2015) 5, 15516】。

　　圖2. MgZnO可見盲/日盲雙色紫外探測器的研制與研究：（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）薄膜生長原位RHEED圖片；（c）正向及負(fù)向偏壓下雙色紫外探測器的光響應(yīng)譜；（d）多層Mg_xZn_1-xO外延薄膜與Si襯底能帶偏移形成的非對稱勢阱結(jié)構(gòu)示意圖【Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 153510】。

　　圖3. MgZnO單芯片日盲-紫外多色探測器的研制與研究：（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）薄膜生長原位RHEED圖片；（c）薄膜原子力顯微照片；（d）TiAu叉指電極顯微照片；（e）0V偏壓下探測器光響應(yīng)譜；（f）光電流隨外加偏壓的變化曲線；（g）光響應(yīng)峰值波長及峰值電流隨外加偏壓的變化曲線；（h）不同偏壓下電場分布的擬合結(jié)果及探測器的能帶結(jié)構(gòu)示意圖【Appl. Phys. Lett. (2014) 105, 133510】。