TiO2/ZnO薄膜紫外探测器的光电特性

　　0　引言

　　近年来,TiO2与ZnO等作为紫外探测材料已引起人们的关注。TiO2是一种禁带宽度较大的半导体材料,锐钛矿相TiO2带隙约为3.2 eV,具有较高的载流子迁移率[1],但因TiO2禁带宽度较宽,受激发产生的电子和空穴易复合而产生暗电流,进而影响其光电转换效率[2-3]。而ZnO作为一种直接带隙宽禁带化合物半导体材料,其禁带宽度为3.37eV[4-5],在可见光和红外范围没有响应(长波截止波长为365 nm),这对在红外和可见光背景下探测紫外光具有特殊意义。且其具有激子复合能量高(60meV)[6]、电子诱生缺陷较低、阈值电压低等优点[7],能胜任高温和腐蚀性环境,有利于制作高性能的紫外光电探测器。实验表明薄膜的光电性能与其化学组成、能带结构、氧空位及结晶度紧密相关,单一薄膜的光电性能并不很理想,合适的金属离子掺杂或将具有不同能级的半导体纳米粒子复合在一起均可以提高电极的光电性能[8-9]。以TiO2为缓冲层,能够改善ZnO的能带结构[10],TiO2与ZnO的复合结　构电极可能会具有更好的光电转换性能。本文利用射频磁控溅射制备了TiO2/ZnO复合薄膜,并制成金属-半导体-金属(MSM)结构的光电导型探测器,研究了TiO2/ZnO紫外探测器的紫外光响应。

　　1　实验

　　1.1　TiO2/ZnO薄膜的制备实验采用沈阳科仪JGP型三靶共溅射高真空磁控溅射装置,通过射频磁控溅射方法,先在石英衬底上镀一层TiO2薄膜,然后在TiO2表面上制备ZnO薄膜。实验分别以TiO2与ZnO陶瓷靶(纯度99.9%)为靶材,靶面直径为60 mm,靶厚为3 mm,Ar气为溅射气体,O2气为反应气体。实验中反应压强为0.8 Pa,氧分压比为10%,功率150 W,衬底温度300℃。每次溅射之前,都预先在Ar气中预溅射5 min左右,以除去靶表面氧化物。薄膜的沉积时间分别为10 min与40 min,沉积后的薄膜在600℃下退火60 min。然后在制备好的TiO2/ZnO薄膜上溅射一层薄Au实现电极接触,Au膜厚为80 nm左右;接着采用光刻技术得到Au叉指电极,电极指长为2 mm,指宽为20μm,指间隔为20μm,光敏面积为4 mm×5 mm。MSM光导型TiO2/ZnO紫外探测器的结构如图1所示。

　　1.2　TiO2/ZnO薄膜的表征

　　薄膜的厚度用AMBIOS XP-1型台阶仪测试;晶体结构由SHIMADZU XRD-7000型X射线衍射仪测试;薄膜的表面微观形貌与粗糙度分别由JSM-6330E型场发射扫描电镜及CSPM-4000型扫描探针观测;其紫外吸收光谱用UNICO UV-2100型紫外可见光分光光度计测试;TiO2/ZnO紫外探测器的光电特性由Agilent E5272A半导体参数测试仪测量。

　　2　结果与讨论

　　2.1　TiO2/ZnO薄膜的表征图2为TiO2/ZnO薄膜XRD图谱,从图2可以看出,在34.6°处出现ZnO的(002)衍射峰,薄膜为c轴择优取向生长(c轴垂直于衬底表面),这是由于ZnO(002)晶面具有最低的表面自由能,而薄膜晶向沿较低表面自由能方向择优生长,易形成(002)晶面。薄膜中有TiO2锐钛矿晶向的衍射峰A(101)、A(004)出现,且衍射峰很明显,说明薄膜为TiO2与ZnO的复合结构。