通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上生长了MgZnO薄膜, 结合光刻和聚苯乙烯(PS)小球模板技术, 制备了基于Ag微孔阵列电极结构的MgZnO紫外探测器。与基于常规金属薄膜电极的器件相比, 基于微孔阵列叉指电极的MgZnO基紫外探测器的光电流提高近6倍, 同时其暗电流和响应时间基本保持不变。通过紫外-可见透射光谱和电学性质等表征, 讨论了Ag微孔阵列结构电极对MgZnO薄膜紫外光电探测性能的影响机制。本研究为制备高性能紫外探测器提供了一条可行的途径。

p型MgZnO的制备一直是高效紫外发光和日盲紫外探测器件研究领域的重要课题之一。本文针对N掺杂p型MgZnO薄膜材料中存在的空穴浓度低、电阻率高等科学问题, 采取磁控溅射技术, 利用氮气与氩气混合气体分别溅射MgZnO陶瓷靶和B-N共掺杂MgZnO 陶瓷靶的方法,制备出N掺杂和B-N共掺杂MgZnO薄膜。 通过Hall测量表征发现两种薄膜均呈现p型导电特性, 与N掺杂MgZnO相比, B-N共掺MgZnO的空穴浓度从5.53×1015 cm-3提高到2.63×1017 cm-3, 而迁移率变化并不明显(从0.83 cm2·V-1·s-1减小到0.75 cm2·V-1·s-1), 导致电阻率从1.36×103 Ω·cm减小到31.70 Ω·cm。通过XRD和XPS表征揭示了在B-N共掺MgZnO中, B替代Mg或Zn, N除了具有NO和(N2)O两种掺杂状态外, 还有以单原子占据O位但与B成键的第三种掺杂状态, 证明B掺杂可以提高N在MgZnO中的受主掺杂浓度, 但对空穴散射影响很小, 从而提高p型MgZnO的空穴浓度, 降低电阻率。

ZnO是优异的紫外发光和激光材料, 氮被认为是p型ZnO和MgZnO的理想受主掺杂剂, 但在较低生长温度下氮的掺入会显著破坏晶格完整性, 使氧化锌的载流子迁移率进一步下降。为了研究N的掺入对MgZnO薄膜的影响, 利用分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长了N掺杂的ZnO和MgZnO薄膜。实验结果表明, 在其他条件完全相同的情况下, 当Mg源温度为245 ℃和255 ℃时,载流子迁移率会显著提高, 这一现象被归结为Mg—N成键抑制了氧位上N—N对的形成, 缓解了晶格的扭曲。同时当Mg源温度为275 ℃时, 能够使N掺杂ZnO薄膜中的施主浓度降低一个量级, 有利于实现p型掺杂。

利用磁控溅射技术，以Mg0.06Zn0.94O为陶瓷靶材，制备了N掺杂p型Mg0.13Zn0.87O薄膜，薄膜的电阻率为42.45 Ω·cm，载流子浓度为3.70×1017 /cm3，迁移率为0.40 cm2·V-1·s-1。研究了该薄膜p型导电性质在室温空气下随时间的变化情况。实验结果表明，薄膜的电阻率逐渐升高，载流子浓度降低，五个月以后，薄膜转变为n型导电，电阻率为85.58 Ω·cm，载流子浓度为4.53×1016 /cm3，迁移率为1.61 cm2·V-1·s-1。真空热退火后重新转变为p型。结果显示，其p型导电类型的转变与在空气中吸附H2O或H2等形成浅施主有关。

利用一款标准的日盲型紫外探测传感器对枪击火焰进行了探测实验,结合紫外光传输特性,对实验数据进行分析,提出了探测枪击火焰紫外光谱的传感器技术指标.不考虑入射角度和响应时间的影响,1 km处要检测到步枪击发,传感器响应电流达到能明显检出的100 nA,则传感器的响应率和响应面积乘积至少达到0.002 AW-1m2.根据一种枪击探测装置原型方案,对紫外探测传感器的透光性、日盲特性、对紫外光的响应率、入射角和短路电流等技术指标进行了分析.采用分子束外延法制备了一种MgZnO紫外探测传感器,对其紫外光谱透光率、响应率和响应时间进行了测量,进一步优化性能后有望满足枪击探测要求.

高迁移率的二维电子气在纤锌矿结构Zn1-xMgxO/ZnO异质结构中被发现, 二维电子气的产生很可能是由于这两种材料界面上存在不连续性极化。本文基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xMgxO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系, 其中极化特性的计算采用Berry-phase方法。我们将极化分为3个部分: 电子极化、晶格极化以及压电极化, 结果表明压电极化在总极化中起着主要作用。

利用分子束外延设备(MBE)制备了MgZnO薄膜。X射线衍射谱、紫外-可见透射光谱和X射线能谱表明薄膜具有单一六角相结构, 吸收边为340 nm, Zn/Mg组分比为62∶38。采用掩膜方法使用离子溅射设备, 在MgZnO薄膜上制备了Au电极, 并实现了Au-MgZnO-Au结构的紫外探测器。通过改变溅射时间, 得到具有不同Au电极厚度的MgZnO紫外探测器。研究结果表明: 随着Au电极厚度的增加, 导电性先缓慢增加, 再迅速增加, 最后缓慢增加并趋于饱和; 而Au电极的透光率则随厚度的增加呈线性下降。此外, 随着Au电极厚度的增加, 器件光响应度先逐渐增大, 在Au电极厚度为28 nm时达到峰值, 之后逐渐减小。

在超过相变临界厚度的立方相Mg0.29Zn0.71O薄膜上制备了Au插指电极MSM结构探测器件, 30 V偏压下的峰值响应度可达27.9 A/W(268 nm), 对应的外量子效率为12900%。分析认为原位生长在立方相MgZnO薄膜上的极薄的结构相变层引入了高密度的界面态, 在立方相薄膜表面电极接触中起到了降低势垒、减小耗尽层宽度、增强电极注入电子的能力的作用, 使得器件形成高的光导增益。

通过金属有机物化学气相沉积法制备了不同Mg组分的MgxZn1-xO∶Ga(x=0, 0.03, 0.14)薄膜。透射谱中MgxZn1-xO∶Ga薄膜的光学带隙随x增大而出现的蓝移证实了Mg在ZnO晶格中的替位掺入。 薄膜上金叉指电极间的变温I-V曲线显示, 在同等温度下, Ga掺杂MgxZn1-xO薄膜的电阻率随着x值的增大而逐渐升高。这是由于Mg组分增大使材料的导带底显著上升, Ga的施主能级深度增大, 导致n型载流子浓度降低。根据I-V曲线计算了270 K温度下MgxZn1-xO∶Ga薄膜的浅能级施主深度。 与x=0, 0.03, 0.14对应的施主能级深度分别为45.3, 58.5, 65 meV, 说明随着薄膜Mg含量的升高, Ga的施主能级深度有增加的趋势。