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日盲紫外辐射由于大气层中臭氧的强烈吸收,在近地大气中几乎不存在。在这样的环境背景下,对该波段的紫外辐射进行探测或者成像,由于不受太阳辐射干扰,其灵敏度和准确度都会大大提高,在火灾预警与引擎监控、水下紫外通信、导弹逼近预警系统、电力安全等方面有重大应用价值,引起人们极大的研究兴趣。MgZnO薄膜是由纤锌矿相ZnO和岩盐相MgO合金而成,带隙可从ZnO的3.37eV扩展至MgO的7.8eV,覆盖了整个日盲紫外波段,具有天然同质外延衬底、原料丰富、环境友好、生长温度低等优点,是实现全日盲紫外波段最有潜力的候选材料之一。然而由于晶格结构的巨大差异,在中等Mg组分存在相分离区域,即岩盐相和纤锌矿相结构共存,严重影响了材料的结晶质量及器件性能。
本论文利用射频等离子体辅助分子束外延系统及金属束流原位监测装置,系统研究了如何利用界面控制技术将MgZnO合金体系应用于日盲紫外探测,主要通过提高岩盐相MgZnO薄膜中的Zn组分和纤锌矿相MgZnO薄膜中的Mg组分,从短波段和长波段逼近中等Mg组分(或Zn组分),分别在蓝宝石及硅衬底上获得了带隙达到日盲紫外波段的单晶薄膜材料,为实现日盲紫外探测奠定了坚实的基础。
通过改变衬底温度及外延模板,研究了温度及模板极性对岩盐相MgZnO单晶薄膜中Zn组分的影响。低温可有效地增加Zn原子在衬底上的寿命,因此利用较低的Zn/Mg束流比,在基于蓝宝石衬底的MgO(111)模板上获得了Zn组分为47%、带隙为5.12eV(242nm)的岩盐相MgZnO单晶薄膜;低温条件下,采用无应变的MgO(001)非极性模板,由于其表面自由能较低,有助于Zn原子进入非平衡亚稳相岩盐结构中,因此将Zn组分进一步提高到70%、带隙达到4.85eV(255.5nm)。
与岩盐相MgZnO单晶薄膜相比,纤锌矿相MgZnO单晶薄膜继承了其母体ZnO的晶格结构,具有优异的光电性能,在深紫外光电子探测器件方面有着明显的优势。在商业化的ZnO单晶衬底上制备日盲紫外探测器有两个难点:一是获得高Mg组分纤锌矿相MgZnO单晶薄膜;二是抑制来自ZnO衬底强烈的光响应。为此,在Zn0衬底上沉积同为纤锌矿相的BeO介电层,阻止ZnO一侧光生载流子,同时作为有利于Mg原子进入非平衡亚稳相纤锌矿结构的模板,获得了带隙达到4.22eV(294nm)的纤锌矿相MgZnO单晶薄膜。基于此薄膜制备的金属-半导体-金属近日盲紫外探测器的响应截止边位于290nm,且无ZnO衬底响应。
为将MgZnO日盲紫外探测器与成熟的Si基微电子工艺结合,迫切需要开发高质量、高Mg组分的MgZnO/Si异质结构。然而,实现Si基日盲紫外探测面临两大挑战:一是防止清洁的Si表面在氧化物的成核阶段被氧化形成无定形SiOx层;二是获得日盲波段纤锌矿相MgZnO单晶薄膜。本文中,我们开发了一种通过沉积金属Be而后原位氧化的界面控制技术,保护Si表面在氧化物成核的初期阶段被氧化,同时获得了同为纤锌矿结构的BeO外延模板,在此模板上获得了Mg组分为44%,带隙达到4.43eV(280nm)的日盲波段纤锌矿相MgZnO单晶薄膜,基于此薄膜制备的n-MgZnO/p-Si异质结型日盲紫外探测器响应截止边位于280nm,并且由于Si衬底以及MgZnO外延层能带结构所形成的天然带阶,无需任何介电层即可抑制Si衬底一侧可见光响应,极大地促进了日盲紫外探测技术的推广应用,同时为开发高质量Si基氧化物提供了新颖方案。