基于晶体缺陷和载流子陷阱调控的实用化高响应超快ZnO基紫外探测器的研究

Ultraviolet (UV) photodetectors have been widely used in various commercial and military applications. Nowadays, UV detectors based on wide bandgap semiconductors have received more and more attention due to their intrinsic visible-blindness. ZnO and MgZnO have been studied extensively in recent years because they have strong radiation hardness, high chemical stability, low cost, and a large bandgap at room temperature. For the practical devices, excellent comprehensive performances are indispensable. Nowadays, ZnO UV photodetectors have very high phototosensitivity, and the I-photo/I-dark can be more than 6 orders of magnitude. Thus, the device needs an ultrafast speed to realize the recovery of I-dark when the UV light is turned off. However, the performance of these photodetectors is not good enough and the response speed is still low. It is believed that, the performance of these photodetectors is sensitively dependent on the crystal defects and carrier traps. Many of the native point defects are formed during the materials growth and their concentrations are highly dependent on the growth conditions and post-fabrication treatments. In this program, we will fabricate the practical high sensitive ultrafast ZnO ultraviolet photodetectors based on the modulation of crystal defects and carrier traps.

紫外探测器在航天、军事、民用领域均有广泛的应用需求。目前，紫外探测器的研究热点主要集中于宽禁带半导体材料上，其中ZnO和MgZnO材料具有许多独特优势，在紫外探测领域备受关注。器件要想面向实用化，优异的综合性能必不可少，对于高响应度的器件而言，光电流和暗电流的比值可达到6个数量级以上，这就需要器件具有超快的响应速度，才能在紫外光撤去后，快速恢复到原始暗电流水平。目前ZnO基紫外探测器可以得到很高的光响应度，但是响应时间普遍较长。载流子陷阱是其中主要的影响因素，而载流子陷阱的类型和浓度与材料的生长条件以及晶体缺陷密切相关。本项目通过生长过程中的原位处理以及后处理过程，选择性合成具有特定晶体缺陷的ZnO基材料，并调控其载流子陷阱，最终制备面向实用化的，具有高响应度的超快ZnO基紫外探测器。

紫外探测器可以广泛应用于军事、民用等多个领域。目前，紫外探测器的研究热点主要集中于宽禁带半导体材料上，其中ZnO和MgZnO材料具有许多独特优势，在紫外探测领域备受关注。器件要想面向实用化，优异的综合性能必不可少，对于高响应度的器件而言，需要器件具有超快的响应速度，才能在紫外光撤去后，快速恢复到原始暗电流水平。目前ZnO基紫外探测器可以得到很高的光响应度，但是响应时间普遍较长。. 针对以上问题，本项目主要选择了三组ZnO基材料体系：ZnMgO合金，ZnGaO材料，ZnO材料。通过生长过程中的原位处理以及后处理过程，选择性合成具有特定晶体缺陷的ZnO基材料，并调控其载流子陷阱，制备面向实用化的，具有高响应度的超快ZnO基紫外探测器。具体包括：1. 通过在ZnO薄膜的制备过程中引入Mg，调控材料的晶体缺陷和载流子陷阱，制备了高性能的ZnMgO合金薄膜材料和日盲紫外探测器件；2. 通过在ZnO薄膜的制备过程中引入Ga，制备了高性能的ZnGa2O4薄膜材料。通过在ZnGa2O4薄膜上制作不对称的Au肖特基电极，构建了一种新型的自供电日盲紫外探测器；3. 通过化学气相沉积的方法制备了自支撑的ZnO纳米网络结构，并基于该结构制备了日盲紫外探测器。利用纳米线之间的线-线结势垒，调控氧气的吸附/脱附过程，实现高性能探测。. 此外，通过硅胶封装的方法，将器件的表面氧气吸附脱附过程进行限域，有效提升了器件响应度和响应速度，最终获得满足项目需求的器件。响应度达到：26 A/W，暗电流13.6 pA，紫外抑制比大于10000，响应时间低于10 ms。. 可以看出，本项目提出的方法有助于解决传统器件中很难兼顾响应度和响应时间这两个重要参数的问题，从而有望实现高性能的ZnO基紫外探测器。