物理所鎂鋅氧日盲紫外探測材料及器件研發獲得新進展

　　作為第三代寬禁帶半導體，ZnO是制作短波長發光管和光電探測器的重要候選材料。通過元素摻雜ZnO的禁帶寬度可在很寬波段范圍內進行調控，例如通過調整MgxZn1-xO中的Mg組分，其帶隙可在3.37~7.8eV（380~160nm）范圍內調控，從而可覆蓋280~220nm的日盲波段，成為繼AlGaN后的又一重要日盲紫外探測材料。作為核心元器件的日盲紫外探測器在多個領域具有重要應用價值，是目前光電子高技術領域的一個研發重點。

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）杜小龍研究組持續開展了MgZnO單晶薄膜界面工程、能帶工程及器件應用等一系列研究工作，獲得了一些重要進展。自2008年起梅增霞副研究員和博士生劉章龍、梁會力等系統研究了MgZnO合金薄膜的MBE生長動力學過程，發現了低溫富氧生長條件在抑制相分離現象中的重要作用，發展了具有自主產權的“準同質外延”和“活性氣體環境中金屬源束流的原位精確控制”技術，結合獨創的界面控制與能帶調控工藝，研制出Mg組分為55%、帶隙為4.55eV（272nm）的單一纖鋅礦相MgZnO單晶薄膜，為目前國際報道的最高值，其帶隙成功進入日盲波段【Adv. Mater., 21, 4625 (2009)】；在材料性能獲得重大突破的基礎上，梅增霞副研究員、侯堯楠博士生等利用微納加工技術研制出光響應截止波長為270nm、光響應度為0.02A/W、光響應時間小于500ns的高性能纖鋅礦相MgZnO日盲紫外探測原型器件，該工作已發表在今年3月10日的《應用物理快報》上【Appl. Phys. Lett. 98, 103506 (2011)】。

　　在MgZnO/Sapphire外延體系獲得進展的基礎上，該研究組進一步開展了Si基MgZnO材料與器件的研究工作。n-MgZnO/p-Si異質結器件是目前避開p型ZnO基材料制備難題的一個有效途徑，在高質量、大尺寸和廉價的硅晶片上研制ZnO基短波長光電子器件具有誘人的應用前景。然而Si基高Mg組分MgZnO單晶材料的制備具有很大的挑戰性，這是因為Si表面具有很強的活性，極易形成無定形的氧化物與硅化物，阻礙MgZnO的外延生長；更為重要的是，高Mg組分MgZnO的形核對模板的要求極為苛刻，該小組原先提出的Si基ZnO外延生長的低溫界面工程技術【Appl. Phys. Lett. 90, 151912 (2007)】無法適用于這一體系。

　　針對上述難點問題，該研究團隊采取了先沉積金屬Be、再進行原位氧化的界面控制技術，在高溫下實現了Si清潔表面的保護，并為高質量合金薄膜提供了良好的生長模板，最終在Si（111）上首次獲得了帶隙為4.43eV（280nm）的高質量MgZnO日盲紫外探測材料，并進一步研制出硅基MgZnO pn異質結型日盲紫外探測器，其截止波長為280 nm，最高光響應度達到0.04 A/W。相關工作已發表在今年5月31日的《應用物理快報》上【Appl. Phys. Lett. 98, 221902 (2011)】。

　　在實現了硅基MgZnO材料性能的器件驗證基礎上，課題組進一步開展了深紫外探測器的結構設計與性能研究工作，并根據異質結能帶結構分析了p-n異質結型探測器的工作原理，探討了結型器件中內建電場和界面態對探測器光響應性能的影響，該成果已刊登在6月27日的《應用物理快報》上【Appl. Phys. Lett. 98, 263501 (2011)】。三年來，研究組在MgZnO單晶薄膜的控制生長、器件結構設計和器件工藝等關鍵環節上已申請7項國家發明ZL（ZL申請號：201110119774.2，201110156368.3，201110010442.0，201010191983.3，201010219623.X，200810224529.6，ZL200810104269.9），形成了較為完整的核心技術體系。

　　上述工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的項目資助。其中界面研究工作是和先進材料與結構分析實驗室的谷林研究員、禹日成研究員、張慶華博士生合作完成，器件研制工作是與微加工實驗室的顧長志研究組合作完成。

　　藍寶石基MgZnO日盲探測材料制備及器件研制：(a) 準同質外延法制備W-Mg0.55Zn0.45O單晶薄膜的RHEED監測結果;(b) W-Mg0.55Zn0.45O單晶薄膜的XRD θ-2θ掃描結果;(c) 利用反射譜測定W-Mg0.55Zn0.45O單晶薄膜的帶隙結果;(d) MSM結構W-Mg0.55Zn0.45O日盲紫外探測器原型器件的I-V測試結果;(e) W-Mg0.55Zn0.45O日盲紫外探測器原型器件的光響應譜測試結果(插圖為不同偏壓下的光響應譜);(f) W-Mg0.55Zn0.45O日盲紫外探測器原型器件的光響應速度測試結果。

　　硅基MgZnO日盲探測材料制備及器件研制：(a) Si(111)清潔表面的保護及W-MgZnO單晶薄膜的外延生長RHEED監測結果;(b) MgZnO/BeO/Si界面的HRTEM研究結果;(c) n-MgZnO/p-Si異質結型日盲紫外探測器原型器件的I-V測試結果;(d) n-MgZnO/p-Si異質結型日盲紫外探測器原型器件的光響應譜測試結果;(e) 熱平衡狀態下n-MgZnO/p-Si異質結的能帶結構;(f) -3V偏壓下n-MgZnO/p-Si異質結的能帶結構。