MgZnO深紫外探测材料、器件的关键科学问题研究

深紫外探测在导弹预警、保密通讯和天文观测等领域具有广阔的应用前景，高的结晶质量和强的抗辐射特性使MgZnO半导体合金成为具有巨大潜力的深紫外探测材料。高质量合金制备、高效率p型掺杂和高响应低噪声器件是MgZnO深紫外弱光探测必须解决的问题。本项目针对上述难题，在阐明MgZnO材料的结晶相稳定性、能带结构及其相关光电特性随Mg组分增加的演变规律与内在机制等基本物理问题的基础上，通过MgO/ZnO超薄超晶格避开热平衡相图限制实现具有合适跃迁能量的高质量合金；利用氮、氯元素对MgZnO中的氧进行交叉置换掺杂，通过它们高的价电子轨道提高价带顶位置，使受主离化能降低，为深紫外波段MgZnO半导体p型掺杂提供可行方案；通过将连续光电信号转变为强脉冲输出的思路，进行信号可控放大的新型紫外探测器件设计与制备，为实现自放大和低噪声的深紫外探测器件奠定基础。使我国在全固态深紫外探测领域达到国际先进水平。

深紫外探测在导弹预警、保密通讯、输电漏电监测等领域具有广阔的应用前景。MgZnO材料可获得高的结晶质量和抗辐射强度，是全固态紫外探测器件的理想材料。而高质量MgZnO合金薄膜制备、高效率p型掺杂和高响应低噪声器件是MgZnO紫外弱光探测必须解决的问题。.本项目针对MgZnO材料面临的合金薄膜分相、p型掺杂受主离化能高等问题，开展了以下几个方面的研究工作。.在合金薄膜生长和带隙调节研究方面，我们研究了相转变微观过程，发现通过衬底诱导和组分渐变，可以延缓MgZnO的相分离，并实现了高锌组分的单一立方相MgZnO合金薄膜和相应的日盲紫外探测器。通过有限元方法初步获得了MgO/ZnO 超晶格结构与相应子能带之间的关系。.在电学调控研究方面，我们针对近几年国际上N掺杂ZnO理论和实验结果的冲突，设计了锌空位-氧位氮复合型受主，离化能仅为160meV，且避开了宽禁带半导体掺杂的自补偿问题。该结果发表于Physical Review Letters, 108 (2012) 215501。这一复合掺杂思路被美国国家科学院院士D. E. Aspnes研究组采用，并在综述文章中评述我们的结果是他们“实验工作的基础”。我们后续p型掺杂的工作均基于该工作的思想来开展，取得了良好的效果，并且实现了MgZnO p-n结的355nm电致发光。.在新型器件研制方面，根据在Au/MgO/ZnO光发射器件中得到的启示，我们设计了Au/MgO/ZnO/MgO/Au结构的新型紫外雪崩探测器。73V偏压下，紫外/可见抑制比为2个数量级，响应度约为17000 A/W。该结果被评论为“第一只氧化锌基雪崩光电探测器”。针对阈值电压偏高，我们在MgZnO基日盲紫外雪崩探测器结构中，通过Mg组分渐变形成梯度带隙，在导带引入了准电场，将雪崩倍增阈值降低到5V，器件在6V偏压下的响应度为1.1A/W，量子效率高达600%。.项目共发表标注资助SCI论文38篇(IF>3.0共 27篇)。项目组成员1人获国家杰出青年科学基金项目支持；引进中科院百人计划2人；培养博士生21名，其中2名博士毕业生获得国家奖学金。.我们提出的掺杂理论得到了国际同行的实验验证，相关器件指标达到国际先进水平，受到同行的高度评价，已可满足输电漏电监测、火焰检测等中低响应速率的应用场合。如能进一步提高器件的响应速率，则可望用于紫外通讯等场合。