高信噪比MgZnO紫外光探测器的制备及其紫外光响应特性研究

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紫外光探测器在军事和民用方面有非常广阔的应用前景。目前对于紫外光探测器的研究主要集中在金刚石、SiC、GaN、Ga2O3等宽带隙半导体材料。相对于这些材料,ZnO及其合金化合物MgZnO具有匹配的单晶衬底(六方结构单晶ZnO衬底、立方结构单晶MgO衬底)、带隙在3.37eV(ZnO)7.8eV(MgO)之间可调、制备和加工工艺都比较简单、原料丰富、环境友好等优势。本论文采用脉冲激光沉积(PLD)技术,通过改变MgZnO靶材中Mg的含量和MgZnO薄膜的生长条件,制备了六方MgZnO/立方MgZnO不同比例的MgZnO薄膜,研究了MgZnO薄膜中六方MgZnO/立方MgZnO比例的变化对MgZnO紫外光探测器光响应特性的影响;论文中还尝试在MgZnO紫外光探测器中引入Ag纳米颗粒来改善MgZnO紫外光探测器的光响应特性。本论文主要的研究内容和结果如下:1.分别在石英和MgO衬底上,采用不同Mg含量的MgZnO靶材生长了不同Mg含量的MgZnO薄膜,制备了不同Mg含量的MgZnO紫外光探测器。随着MgZnO靶材中Mg含量提高,石英和MgO衬底上生长的MgZnO薄膜中Mg含量提高。随着MgZnO薄膜中Mg含量提高,石英衬底上生长的MgZnO的晶体结构由六方结构变成六方结构和立方结构共存的混合结构,MgO衬底上生长的MgZnO薄膜的晶体结构由混合结构转变为立方结构。随着MgZnO薄膜中Mg含量提高,石英和MgO衬底上MgZnO紫外光探测器的响应度都逐渐降低,响应峰所在波长都出现了蓝移。25V偏压下,在石英衬底上Mg0.4Zn0.6O薄膜上制备紫外光探测器,其I300nm/Idark达到了100;MgO衬底上Mg0.21Zn0.79O薄膜上制备紫外光探测器,其在240nm日盲紫外光处的响应度为6.81A/W,量子效率为3519%;MgO/石英衬底Mg0.20Zn0.80O薄膜上制备紫外光探测器,其在240nm日盲紫外光处的响应度高达11.46A/W,量子效率高达5921%。2.在石英衬底上,采用Mg0.40Zn0.60O靶材,通过调节生长MgZnO薄膜的衬底温度和氧气压强制备得到了立方结构/六方结构不同比例的MgZnO薄膜;当MgZnO薄膜的衬底温度和氧气压强都较低时,石英衬底上生长的MgZnO薄膜呈现立方结构;当衬底温度和氧气压强都比较高时,石英衬底上生长的MgZnO薄膜为混合结构;当生长温度和氧气压强都比较高时,石英衬底上制备得到的混合结构MgZnO紫外探测器对紫外光有两个响应峰,25V偏压下,器件在300nm响应峰处的光暗电流比较大,都达到了100以上。3.通过真空热蒸镀和真空退火的方法在六方结构MgZnO薄膜的表面修饰一层金属Ag纳米颗粒,制备得到了Ag纳米颗粒修饰的MgZnO紫外光探测器。经过金属Ag纳米颗粒修饰之后,MgZnO紫外光探测器的光响应度有所提高。在5V的偏压下,经过Ag纳米颗粒修饰的MgZnO紫外光探测器在330nm处的峰值响应度是没有经过Ag纳米颗粒修饰的MgZnO紫外光探测器的2.75倍。经过金属Ag纳米颗粒修饰之后,MgZnO紫外光探测器暗电流降低,光电流升高,光暗电流比增大。在25V偏压下,经过Ag纳米颗粒修饰的MgZnO紫外光探测器在330nm处的光暗电流比是没有经过Ag纳米颗粒修饰的MgZnO紫外光探测器的11.3倍。
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