表面等离子体增强型MgZnO紫外探测材料和器件性能研究

Nano particles of metals such as Pt, Pd, Mg, Al and Ag will be prepared to form surface plasmon (SP) on wurtzite and rock salt MgZnO single crystal epilayers which will be grown on sapphire and silicon substrates. The Mg contents of w-MgZnO will be changed from 0 to 0.55 so that their bandgaps can cover UV-A, B,C regions. The SP energy will be invesigated by using temperature dependent PL so as to find out the suitable nano metal/MgZnO systems for fabrication of SP enhanced MgZnO UV detectors..MSM, MIS and PN device structures will be used to fabricate SP enhanced MgZnO UV detectros. The combination study of temperature dependent PL, time resolved PL and deep level transient spectroscopy will be performed to clarify the process of SP resonant absorption and coupling between SP and the MgZnO active layer. Meanwhile, the influence of defects and interface states of SP/MgZnO on the device performnce will be investigated to reveal the effect of SP on the enhancement of photoresponsivity of the UV detectors. Finally, the SP enhanced MgZnO UV detectros with high performance will be fabricated by optimizing the device structure and device processing. This project is very valuable for weak UV light detection.

紫外探测器在飞行器探测和保密通信等领域具有广阔的应用前景，优越的光电性能和强的抗辐射特性使得MgZnO成为重要的紫外探测材料，为获得高光响应度、高信噪比器件，本项目利用表面等离子体（SP）的增强效应，研制探测波长在UV-A、B、C波段可调的SP增强型紫外探测器。首先在MgZnO单晶薄膜上原位可控制备Pt、Pd、Mg等纳米颗粒，研究MgZnO薄膜Mg组分以及金属种类对等离激元共振频率的影响，获得SP共振频率在紫外波段的可调范围；进一步制作SP增强MSM、MIS和PN型MgZnO紫外探测器结构，结合变温光荧光谱、超快光谱和深能级瞬态谱研究等离激元对入射光的共振吸收行为，以及与有源层的耦合过程，澄清缺陷和界面态对器件光响应度和光响应时间的影响，揭示器件的工作原理；最后通过优化器件结构和工艺参数，研制出高性能SP增强型紫外探测器原型器件。本项目的开展在深紫外弱光探测领域具有重要的科学意义和应用价值

本项目围绕Al、Ga、Mg、Ag等金属纳米颗粒阵列在MgZnO、Ga2O3等宽禁带氧化物半导体薄膜上的可控制备工艺、表面等离子体特性、等离子体增强型紫外探测器的研制等方面开展了深入研究，获得了如下主要进展：.1、系统研究并优化了两种纳米金属颗粒的制备方法，实现了Al、Ga、Mg、Ag等纳米颗粒阵列可控制备工艺。（1）通过提高半导体表面的亲水性，解决了300nm PS小球模板密排的完整性问题，结合PS球的RIE修饰工艺，获得了大面积均匀的50~100nm尺寸可调的金属纳米颗粒阵列的制备方法。（2）利用热蒸积法直接制备金属纳米阵列。在平整的MgZnO及Ga2O3薄膜上获得了优化蒸积工艺，实现了横向尺寸在20~70nm可调的大面积均匀的锥形Al纳米颗粒，等离子体共振峰在250-380nm可调。.2、在不同种类的衬底上研制了多种结构的单色、双色及多色紫外探测器，包括（1）率先提出了金属Be表面界面工艺技术，最终在Si（111）上首次获得了带隙为4.43eV（280nm）的高质量w-MgZnO日盲紫外探测材料，并进一步研制出pn异质结型日盲紫外探测器。（2）在氧化锌衬底上，利用BeO作为缓冲层，实现了Mg组分为42%的高质量MgZnO单晶薄膜的外延生长，研制了UV-B紫外探测器及单芯片多色紫外探测器件（3）项目组以自制高纯ZnF2颗粒作为掺杂物，利用rf-MBE法成功地在日盲W-MgZnO单晶薄膜中实现了有效的F掺杂，导电率提高了4个量级，有效解决了日盲W-MgZnO单晶薄膜的导电性问题，相关紫外探测器性能获得了大幅提高。.3、成功研制了Al/Ga纳米颗粒SP增强型紫外探测器研制及性能表征.我们利用金属Al纳米颗粒的等离子体增强效应研制了MSM型w-MgZnO紫外探测器，峰值光电流增加到原来的3倍多，表明了Al颗粒具有明显的增强MgZnO吸收紫外光的作用。我们利用同样的方法利用Ga纳米颗粒阵列及Al纳米颗粒阵列研制成功了等离子体增强型日盲Ga2O3紫外探测器，峰值光电流获得了5倍以上的增强，该工作将为研制高性能日盲紫外探测器提供了一个可行的方案。.