ZnO基三明治结构紫外探测器的制备及其增益性能研究

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近年来,紫外探测技术被广泛的应用于化学、环境和生物分析、火焰和辐射检测、天文学研究、光学通信和导弹预警等民用及军用领域。伴随着这些领域的快速发展,对紫外探测需求也日益提高。其中高性能的紫外探测器作为紫外探测技术的核心得到了广泛的关注。在众多紫外探测材料中,ZnO材料作为一种典型的宽禁带半导体材料,因其高的激子束缚能、具有晶格匹配的衬底、资源储备丰富、对环境没有污染和通过掺杂Mg元素可以实现宽的带隙(3.37~7.8 e V)调节范围等优点而得到了广泛的关注。然而,目前常见的金属-氧化物-金属(MSM)结构ZnO基紫外探测器面临着量子效率低,缺乏可控的增益方式等问题。针对ZnO基紫外探测器存在的不足和关键性问题,本论文利用磁控溅射技术在MSM结构的基础上制备了三明治结构的ZnO基紫外探测器。通过增加肖特基接触面积,构建MgZnO/ZnO结等方式极大的提升了ZnO基紫外探测器的增益和外量子效率,并对其性能提升的机制进行了系统的分析。取得的主要研究成果如下:(1)在传统的MSM结构的基础上,利用射频磁控溅射技术制备了ZnO/Au/ZnO三明治结构紫外探测器。通过实现背光照射,极大的提升了器件的有源层面积,实现了器件光电转化效率的提升。除此之外,更多的肖特基接触所形成的肖特基结也加速了光生电子-空穴对的分离,极大的增加了器件的内增益。总体而言探测器的增益和外量子效率都有明显的提升。ZnO/Au/ZnO三明治结构紫外探测器在25 V偏压下的响应度到达了3.32 A/W,外量子效率达到了1100%。比较后发现三明治结构探测器的性能已经明显优于MSM结构的ZnO紫外光电探测器,响应度为MSM结构ZnO紫外光电探测器的5.73倍(0.58 A/W)。(2)针对MSM结构探测器外量子效率低,缺乏可控增益方式的问题,利用MgZnO/ZnO能带工程在ZnO/Au/ZnO三明治结构的基础上制备了MgZnO/Au/ZnO三明治结构紫外探测器,进一步提升了器件的增益和外量子效率。MgZnO/Au/ZnO三明治结构紫外探测器利用MgZnO/ZnO间形成的能带弯曲快速的分离光生电子-空穴对,通过提升有效光生载流子浓度提升器件的性能。在40 V偏压下MgZnO/Au/ZnO三明治结构紫外探测器在314和364 nm光照下的外量子效率分别到达了533%和1120%。随后通过提升MgZnO薄膜中的Mg含量将MgZnO响应度的提升倍数提升至了12.56。(3)通过优化溅射参数,在石英衬底上沉积了Mg含量高达57.6%的单一六方向MgZnO薄膜。在40 V偏压下,MgZnO紫外探测器的响应峰值成功进入了日盲波段(275 nm),响应度到达了0.05 A/W。在此基础上通过制备MgZnO/Au/ZnO三明治结构创新性的在MSM结构中实现了雪崩效应,极大地提高了器件的内增益和外量子效率。MgZnO/Au/ZnO三明治雪崩探测器的雪崩电压小于65 V,在90 V偏压下的雪崩因子达到了98。得益于雪崩效应的高增益,MgZnO/Au/ZnO三明治结构紫外探测器在275 nm光照下的响应度和外量子效率分别达到1115.18 A/W和502780%。
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