中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
E04组供稿
第23期
2011年08月23日
镁锌氧日盲紫外探测材料及器件研发获得新进展
作为第三代宽禁带半导体，ZnO是制作短波长发光管和光电探测器的重要候选材料。通过元素掺杂ZnO的禁带宽度可在很宽波段范围内进行调控，例如通过调整MgxZn1-xO中的Mg组分，其带隙可在3.37~7.8eV（380~160nm）范围内调控，从而可覆盖280~220nm的日盲波段，成为继AlGaN后的又一重要日盲紫外探测材料。作为核心元器件的日盲紫外探测器在多个领域具有重要应用价值，是目前光电子高技术领域的一个研发重点。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）杜小龙研究组（E04）持续开展了MgZnO单晶薄膜界面工程、能带工程及器件应用等一系列研究工作，获得了一些重要进展。自2008年起梅增霞副研究员和博士生刘章龙、梁会力等系统研究了MgZnO合金薄膜的MBE生长动力学过程，发现了低温富氧生长条件在抑制相分离现象中的重要作用，发展了具有自主产权的“准同质外延”和“活性气体环境中金属源束流的原位精确控制”技术，结合独创的界面控制与能带调控工艺，研制出Mg组分为55%、带隙为4.55eV（272nm）的单一纤锌矿相MgZnO单晶薄膜，为目前国际报道的最高值，其带隙成功进入日盲波段【Adv. Mater., 21, 4625 (2009)】；在材料性能获得重大突破的基础上，梅增霞副研究员、侯尧楠博士生等利用微纳加工技术研制出光响应截止波长为270nm、光响应度为0.02A/W、光响应时间小于500ns的高性能纤锌矿相MgZnO日盲紫外探测原型器件，该工作已发表在今年3月10日的应用物理快报上【Appl. Phys. Lett. 98, 103506 (2011)】。
在MgZnO/Sapphire外延体系获得进展的基础上，该课题组进一步开展了Si基MgZnO材料与器件的研究工作。n-MgZnO/p-Si异质结器件是目前避开p型ZnO基材料制备难题的一个有效途径，在高质量、大尺寸和廉价的硅晶片上研制ZnO基短波长光电子器件具有诱人的应用前景。然而Si基高Mg组分MgZnO单晶材料的制备具有很大的挑战性，这是因为Si表面具有很强的活性，极易形成无定形的氧化物与硅化物，阻碍MgZnO的外延生长；更为重要的是，高Mg组分MgZnO的形核对模板的要求极为苛刻，该小组原先提出的Si基ZnO外延生长的低温界面工程技术【Appl. Phys. Lett. 90, 151912 (2007)】无法适用于这一体系。针对上述难点问题，该研究团队采取了先沉积金属Be、再进行原位氧化的界面控制技术，在高温下实现了Si清洁表面的保护，并为高质量合金薄膜提供了良好的生长模板，最终在Si（111）上首次获得了带隙为4.43eV（280nm）的高质量MgZnO日盲紫外探测材料，并进一步研制出硅基MgZnO pn异质结型日盲紫外探测器，其截止波长为280 nm，最高光响应度达到0.04 A/W。相关工作已发表在今年5月31日的应用物理快报上【Appl. Phys. Lett. 98, 221902 (2011)】。在实现了硅基MgZnO材料性能的器件验证基础上，课题组进一步开展了深紫外探测器的结构设计与性能研究工作，并根据异质结能带结构分析了p-n异质结型探测器的工作原理，探讨了结型器件中内建电场和界面态对探测器光响应性能的影响，该成果已刊登在6月27日的应用物理快报上【Appl. Phys. Lett. 98, 263501 (2011)】。三年来，课题组在MgZnO单晶薄膜的控制生长、器件结构设计和器件工艺等关键环节上已申请7项国家发明专利（专利申请号：201110119774.2，201110156368.3，201110010442.0，201010191983.3，201010219623.X，200810224529.6，ZL200810104269.9），形成了较为完整的核心技术体系。
上述工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的项目资助。其中界面研究工作是和先进材料与结构分析实验室的谷林研究员、禹日成研究员、张庆华博士生合作完成，器件研制工作是与微加工实验室的顾长志研究组合作完成。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）杜小龙研究组（E04）持续开展了MgZnO单晶薄膜界面工程、能带工程及器件应用等一系列研究工作，获得了一些重要进展。自2008年起梅增霞副研究员和博士生刘章龙、梁会力等系统研究了MgZnO合金薄膜的MBE生长动力学过程，发现了低温富氧生长条件在抑制相分离现象中的重要作用，发展了具有自主产权的“准同质外延”和“活性气体环境中金属源束流的原位精确控制”技术，结合独创的界面控制与能带调控工艺，研制出Mg组分为55%、带隙为4.55eV（272nm）的单一纤锌矿相MgZnO单晶薄膜，为目前国际报道的最高值，其带隙成功进入日盲波段【Adv. Mater., 21, 4625 (2009)】；在材料性能获得重大突破的基础上，梅增霞副研究员、侯尧楠博士生等利用微纳加工技术研制出光响应截止波长为270nm、光响应度为0.02A/W、光响应时间小于500ns的高性能纤锌矿相MgZnO日盲紫外探测原型器件，该工作已发表在今年3月10日的应用物理快报上【Appl. Phys. Lett. 98, 103506 (2011)】。
在MgZnO/Sapphire外延体系获得进展的基础上，该课题组进一步开展了Si基MgZnO材料与器件的研究工作。n-MgZnO/p-Si异质结器件是目前避开p型ZnO基材料制备难题的一个有效途径，在高质量、大尺寸和廉价的硅晶片上研制ZnO基短波长光电子器件具有诱人的应用前景。然而Si基高Mg组分MgZnO单晶材料的制备具有很大的挑战性，这是因为Si表面具有很强的活性，极易形成无定形的氧化物与硅化物，阻碍MgZnO的外延生长；更为重要的是，高Mg组分MgZnO的形核对模板的要求极为苛刻，该小组原先提出的Si基ZnO外延生长的低温界面工程技术【Appl. Phys. Lett. 90, 151912 (2007)】无法适用于这一体系。针对上述难点问题，该研究团队采取了先沉积金属Be、再进行原位氧化的界面控制技术，在高温下实现了Si清洁表面的保护，并为高质量合金薄膜提供了良好的生长模板，最终在Si（111）上首次获得了带隙为4.43eV（280nm）的高质量MgZnO日盲紫外探测材料，并进一步研制出硅基MgZnO pn异质结型日盲紫外探测器，其截止波长为280 nm，最高光响应度达到0.04 A/W。相关工作已发表在今年5月31日的应用物理快报上【Appl. Phys. Lett. 98, 221902 (2011)】。在实现了硅基MgZnO材料性能的器件验证基础上，课题组进一步开展了深紫外探测器的结构设计与性能研究工作，并根据异质结能带结构分析了p-n异质结型探测器的工作原理，探讨了结型器件中内建电场和界面态对探测器光响应性能的影响，该成果已刊登在6月27日的应用物理快报上【Appl. Phys. Lett. 98, 263501 (2011)】。三年来，课题组在MgZnO单晶薄膜的控制生长、器件结构设计和器件工艺等关键环节上已申请7项国家发明专利（专利申请号：201110119774.2，201110156368.3，201110010442.0，201010191983.3，201010219623.X，200810224529.6，ZL200810104269.9），形成了较为完整的核心技术体系。
上述工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的项目资助。其中界面研究工作是和先进材料与结构分析实验室的谷林研究员、禹日成研究员、张庆华博士生合作完成，器件研制工作是与微加工实验室的顾长志研究组合作完成。
 |
| 图1. 蓝宝石基MgZnO日盲探测材料制备及器件研制：(a) 准同质外延法制备W-Mg0.55Zn0.45O单晶薄膜的RHEED监测结果；(b) W-Mg0.55Zn0.45O单晶薄膜的XRD θ-2θ扫描结果；(c) 利用反射谱测定W-Mg0.55Zn0.45O单晶薄膜的带隙结果；(d) MSM结构W-Mg0.55Zn0.45O日盲紫外探测器原型器件的I-V测试结果；(e) W-Mg0.55Zn0.45O日盲紫外探测器原型器件的光响应谱测试结果（插图为不同偏压下的光响应谱）；(f) W-Mg0.55Zn0.45O日盲紫外探测器原型器件的光响应速度测试结果。 |
 |
| 图2. 硅基MgZnO日盲探测材料制备及器件研制：(a) Si(111)清洁表面的保护及W-MgZnO单晶薄膜的外延生长RHEED监测结果；(b) MgZnO/BeO/Si界面的HRTEM研究结果；(c) n-MgZnO/p-Si异质结型日盲紫外探测器原型器件的I-V测试结果；(d) n-MgZnO/p-Si异质结型日盲紫外探测器原型器件的光响应谱测试结果；(e) 热平衡状态下n-MgZnO/p-Si异质结的能带结构；(f) -3V偏压下n-MgZnO/p-Si异质结的能带结构。 |