裴衛(wèi)杰，楊蓉慧子，陳劍，張騰，汪洋，黎明鍇，盧寅梅，何云斌

(湖北大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430062)

0 引言

目前，關(guān)于BeMgZnO薄膜及其光電探測器的研究較少，并且這些研究中關(guān)于BeMgZnO薄膜光電探測性能的報道也較少.本工作以c面藍寶石(c-Al2O3)為襯底，采用脈沖激光沉積法制備得到單相BeMgZnO四元合金薄膜，通過Be、Mg離子半徑相互補償效應穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，從而得到高質(zhì)量、寬帶隙的BeMgZnO薄膜.再以BeMgZnO薄膜制備光電探測器，并探究了電極間距對BeMgZnO薄膜光電探測器各性能的影響.

1 實驗

1.1 BeMgZnO薄膜的制備本工作采用脈沖激光沉積法，以自制的Be0.04Mg0.28Zn0.68O陶瓷圓片為靶材，在c面藍寶石襯底上生長BeMgZnO薄膜.實驗中設定準分子激光器(Lambda Physik COMPEX PRO 205F) 為恒能模式，激光能量為350 mJ/pulse、激光頻率為5 Hz、激光脈沖個數(shù)為18 000 pulses.實驗前，將c面藍寶石襯底在管式爐中1 100 ℃高溫下退火1 h，然后將退火處理過的c面藍寶石襯底依次放入丙酮、無水乙醇及去離子水中各清洗15 min，去除其表面油污及其它雜質(zhì).隨后，將高純氮氣吹干的藍寶石襯底和靶材固定到脈沖激光沉積設備的真空腔內(nèi).沉積薄膜前，將真空腔的真空度抽至10-4Pa左右，然后設定工藝參數(shù)：靶材自轉(zhuǎn)5 r/min、基片自轉(zhuǎn)10 r/min、沉積溫度為700 ℃、沉積氧壓為2 Pa.在設定好的參數(shù)下，先預濺射3 min清潔靶材后，正式沉積薄膜60 min.濺射完成后,待薄膜自然冷卻至室溫，即可從真空腔中取出BeMgZnO薄膜.

1.2 BeMgZnO薄膜光電探測器的制備BeMgZnO薄膜光電探測器是采用真空蒸鍍法在BeMgZnO薄膜表面分別蒸鍍電極間距為10 μm和100 μm的平行Au電極得到的.將制備的BeMgZnO薄膜放入平行電極的掩膜版中，生長薄膜的一面朝著掩膜版上的圖形，將放有BeMgZnO薄膜的掩膜版置入蒸鍍儀.當蒸鍍儀中的真空度達到10-5Pa以下，即開始在BeMgZnO薄膜表面蒸鍍平行Au電極.最后得到電極間距為10 μm和100 μm的BeMgZnO薄膜光電探測器.

1.3 BeMgZnO薄膜的表征及器件性能的測試

1.3.1 BeMgZnO薄膜的表征 采用四圓單晶高分辨X線衍射儀(HRXRD, D8 discover, Bruker, CuKα1,λ=0.154 06 nm)對BeMgZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進行分析.采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM，SIGMA-500, Zeiss)研究BeMgZnO薄膜的微觀形貌和厚度.采用紫外-可見-近紅外分光光度計(UV 3600 Plus, Shimadzu)來表征薄膜光學性能.

1.3.2 BeMgZnO薄膜光電探測器性能的測試 采用150 W紫外增強型氙燈作為光源，利用光柵光譜儀進行分光獲得不同波長的單色光，由Keithley 2400源表來收集電流數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與討論

圖1(a)為2 Pa氧壓條件下制備BeMgZnO薄膜的XRD全譜圖.可以看出，除了c面藍寶石的特征峰外，僅出現(xiàn)了BeMgZnO薄膜的(002)和(004)晶面的衍射峰，表明本工作制備的BeMgZnO薄膜為c面取向的纖鋅礦結(jié)構(gòu)薄膜.圖1(b)為BeMgZnO薄膜(002)面衍射峰的窄掃描譜圖.由圖可知，BeMgZnO薄膜(002)面的衍射峰位于2θ=35.16°.根據(jù)布拉格方程：

2dsinθ=λ

(1)

其中，λ=0.154 06 nm[12]，計算得到BeMgZnO薄膜的晶格常數(shù)c為0.51 nm.

圖1 BeMgZnO薄膜的(a)XRD全譜圖和(b)(002)面窄掃描譜圖

進一步地，我們采用四圓單晶高分辨X線衍射儀對c面藍寶石襯底和BeMgZnO薄膜進行Phi掃描來確定薄膜和襯底的外延關(guān)系.圖2 給出c面藍寶石{113}晶面和BeMgZnO薄膜{103}晶面的Phi掃描圖譜，由圖可見，兩者的Phi掃描譜中均出現(xiàn)了6個明顯的衍射峰，表明藍寶石襯底和BeMgZnO薄膜均為六方對稱結(jié)構(gòu).另外，c面藍寶石襯底和BeMgZnO薄膜二者的6個衍射峰峰位一一對應，由此可推斷出c-Al2O3襯底的(110)面與BeMgZnO薄膜的(100)面平行，表明我們得到了高質(zhì)量、具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的BeMgZnO外延薄膜.圖3為BeMgZnO薄膜橫截面的場發(fā)射掃描電子顯微鏡照片，可以看到該薄膜非常致密，且其厚度約為270 nm.

圖2 BeMgZnO薄膜和c面藍寶石襯底的Phi-掃描圖

圖3 BeMgZnO薄膜的FE-SEM截面圖

圖4(a)為BeMgZnO薄膜的透射光譜圖，顯示了BeMgZnO薄膜對200～800 nm波段光的透過率情況.可以看出，BeMgZnO薄膜對可見波段光的透過率都在90%以上，表明薄膜對可見光的透過性良好.當入射光波長小于300 nm后，BeMgZnO薄膜的透過率急劇下降，表明BeMgZnO薄膜對紫外光具有很強的吸收.根據(jù)透射光譜數(shù)據(jù)計算出薄膜吸收系數(shù)α，然后結(jié)合適用于直接帶隙半導體的Tauc公式：

(αhν)2=A(hν-Eg)

(2)

其中，hν為光子能量，Eg為帶隙寬度，A為常數(shù)[13]，估算薄膜光學帶隙.根據(jù)公式(2)可知，在吸收邊附近，(αhν)2與hν存在線性關(guān)系.圖4(b)給出了由圖4(a)透射光譜數(shù)據(jù)計算得出的(αhν)2-hν曲線，將其直線部分進行線性外推至(αhν)2=0，其與x軸相交的橫坐標值即為光學帶隙寬度.由此得到BeMgZnO薄膜的帶隙寬度為4.3 eV，表明Be、Mg共摻ZnO后合金薄膜光學帶隙藍移， 證實Be、Mg共摻確實有助于提高ZnO薄膜的帶隙寬度.

圖5為BeMgZnO薄膜光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)、(b)分別對應于電極間距為10 μm、100 μm的探測器.整個器件由c面藍寶石襯底、BeMgZnO薄膜以及平行的Au電極組成，藍寶石襯底和BeMgZnO薄膜均具有c面取向，整個光電探測器結(jié)構(gòu)簡單，易于制備.

圖4 BeMgZnO薄膜的(a)透射光譜圖和(b)(αhν)2-hν圖

圖5 BeMgZnO薄膜光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖(a)電極間距為10 μm;(b)電極間距為100 μm

圖6(a)、(b)分別展示了電極間距為10 μm、100 μm的BeMgZnO光電探測器在外加偏壓-10 V到10 V范圍內(nèi)的I-V特性曲線，其中，黑色線條和紅色線條分別給出黑暗條件下和290 nm單色光照射下的電流隨電壓變化曲線.由圖可知，無論電極間距是10 μm還是100 μm，電極與薄膜均形成肖特基接觸.在同樣10 V外加偏壓條件下，電極間距為10 μm的BeMgZnO薄膜光電探測器的暗電流和光電流分別為0.38 nA和13.21 nA，而電極間距為100 μm的BeMgZnO光電探測器的暗電流和光電流分別為0.18 nA和25.04 nA.這些結(jié)果表明，增大光電探測器電極間距有利于減小器件的暗電流，而同時提升光電流.

圖7(a)、(b)分別給出電極間距為10 μm和100 μm的BeMgZnO薄膜光電探測器在10 V偏壓和290 nm波長單色光照射條件下的I-t特性曲線.由圖可見，當光照開啟時器件中電流急劇上升，光照約100 s后電流達到穩(wěn)定狀態(tài).為定量評估和比較兩種器件的響應速度，我們采用以下雙指數(shù)函數(shù)對兩種器件的I-t曲線進行擬合：

I=I0+Ae-t/τ1+Be-t/τ2

(3)

其中：I0為穩(wěn)態(tài)電流，A、B為常數(shù)，τ1和τ2為快速和慢速響應時間常數(shù)[14-15].通過分別擬合圖7(a)中I-t曲線的上升沿和下降沿，得到電極間距為10 μm的BeMgZnO薄膜光電探測器的快速/慢速上升時間τr1/τr2為1.86 s/11.89 s，快速/慢速下降時間τd1/τd2為0.39 s/6.65 s.同理，通過擬合圖7(b)中I-t特性曲線的上升沿和下降沿，可以得知電極間距為100 μm的BeMgZnO薄膜光電探測器的快速/慢速上升時間τr1/τr2為2.53 s/22.42 s，快速/慢速下降時間τd1/τd2為0.58 s/ 8.88 s.

圖6 BeMgZnO光電探測器在黑暗和290 nm單色光照條件下的I-V特性曲線圖(a)電極間距為10 μm；(b)電極間距為100 μm

圖7 BeMgZnO光電探測器在10 V偏壓和290 nm波長單色光照射條件下的I-t特性曲線(a)電極間距為10 μm；(b)電極間距為100 μm

表1總結(jié)了電極間距為10 μm和100 μm兩種BeMgZnO薄膜光電探測器的性能參數(shù).對比可知，相較于電極間距為100 μm的器件，電極間距為10 μm的光電探測器的暗電流更大，光電流卻較小，這是因為電極間距小，兩電極間的電阻更小，暗電流更大；然而電極間距的減小會造成光照面積的大幅下降，從而使得光電流變小.另一方面，當BeMgZnO薄膜光電探測器的電極間距較小時，載流子在兩電極間渡越的距離更小，而載流子的遷移速率相同，所以載流子渡越時間變短，因此器件響應速度加快.

表1 電極間距不同的BeMgZnO薄膜光電探測器性能的比較

3 結(jié)論

本研究采用脈沖激光沉積法在c面藍寶石襯底上成功制備了厚度約為270 nm、具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)和c面取向的高質(zhì)量BeMgZnO外延薄膜.該薄膜帶隙為4.3 eV，遠大于ZnO (3.3 eV)的帶隙，表明Be和Mg共摻顯著增大了合金帶隙，將BeMgZnO薄膜帶隙拓展到了深紫外區(qū).在該BeMgZnO薄膜上分別蒸鍍間距為10 μm和100 μm的平行Au電極，得到電極間距不同的兩種BeMgZnO薄膜光電探測器.通過對兩種BeMgZnO薄膜光電探測器進行光電性能測試，比較得知：當電極間距較小時，器件兩電極間阻值更小因而暗電流更大，兩電極間光照面積大幅減下導致光電流降低；另一方面，由于兩電極間的間距較小，載流子在兩電極間渡越距離更小，使得光電探測器的響應速度加快.這些結(jié)果為高性能紫外光電探測器的結(jié)構(gòu)設計和開發(fā)提供了思路和方案.