超宽带隙透明导电薄膜的制备和MgZnO日盲紫外探测器面阵的制备

Focal plane solar-blind ultraviolet photodetector (SBPD) has attracted much attention for applications to electronic spark monitoring and missile warning systems. MgZnO film is a promising material for fabricating SBPD, as it has wide band-gap range tuning from 3.3 to 7.8 eV and high optoelectronic responsivity. However, it is hard to obtain stable p-type ZnO based film, as a result, fabrication of p-i-n SBPD with vertical structure is still a problem. So far, all reported ZnO based SBPDs are planar metal-semiconductor-metal structure, which can not be assembled to focal plane arrays. In this project, a new type SBPD without p-type ZnO based material is proposed to realize the fabrication of MgZnO SBPD focal plane arrays. Fabrication of high conductivity Al doped MgZnO film with high transmittance in the solar-blind spectral range is the key issue of our project. We try to prepare the key material by a two-step process and then fabricate backilluminated vertical structure MgZnO SBPD. Further, MgZnO backilluminated solar-blind focal plane arrays can be obtained.

面阵日盲紫外探测器在高压电网电晕监测、导弹预警等领域具有重要应用前景，是目前国民经济和国防建设急需的器件。MgZnO合金薄膜带隙调控范围大(3.3-7.8 eV)，具有优良的光电响应特性，是制备日盲紫外探测器的首选材料之一。然而，由于稳定的p型ZnO基薄膜材料制备困难，无法制备p-i-n垂直结构ZnO基探测器。目前报道的ZnO基探测器都是平面叉指式结构，无法实现面阵化，制约了器件的进一步发展。本申请提出一种无需p型ZnO基材料制备MgZnO面阵日盲紫外探测器的方法。该方法的核心在于能够制备出Al掺杂的高导、高日盲紫外光透过的MgZnO透明导电薄膜。申请者提出了通过两步法来制备关键性材料，并在此基础上制备背照式垂直结构的MgZnO日盲紫外探测器，进一步探索制造MgZnO日盲紫外探测器焦平面面阵器件。

高Mg组分的MgZnO合金薄膜广泛应用于性能良好的日盲紫紫外探测器的制备。本项目针对已有MgZnO日盲紫外探测器为平面的金属-半导体-金属结构，无法制备面阵器件的问题，进行了垂直结构MgZnO日盲紫外探测器的设计和探索。申请人通过项目研究生长了高Mg组分（>50%）的MgZnO合金薄膜，制备了单一立方相结构的MgxZn1-xO合金薄膜，并确立了组分与带隙宽度之间的对应关系。生长了超宽带隙Al:MgxZn1-xO（AMZO）透明导电薄膜，研究不同的退火气氛和不同的退火温度对AMZO薄膜光学和电学性能的影响，探明两步法Zn气氛退火的微观物理机制，制备了稳定的超宽带隙高载流子浓度和迁移率的AMZO薄膜；采用改进的AMZO/Ag/AMZO三层膜结构，进一步提高薄膜的电学性能，获得了Al:MgxZn1-xO（x>0.60）超宽带隙透明导电探测器窗口层材料，透明导电层的禁带宽度大于5.0eV，载流子浓度达到5.03×10^20 cm^-3，薄膜的电阻率为9.42×10^-4 Ω cm。超宽带隙日盲紫外透明导电薄膜的制备解决了传统ITO和Al:ZnO带隙较小的问题，可应用于深紫外探测器、LED等光电器件的透明导电层，用于提高该光电器件的电学性能。探索了MgZnO器件制备的微纳加工工艺，探明了ZnO基材料的湿法腐蚀特性，制备垂直结构的MgZnO日盲紫外探测器单元和4×4元焦平面面阵器件，探测器的响应峰在252nm，响应截止边为276nm，均处于日盲响应波段；0.5V时探测器的响应度为113.4mA/W。搭建了日盲紫外探测器的原型机，并在太阳光环境实现了对电晕中日盲紫外信号的响应，表明日盲探测器可应用于日盲紫外信号的成像和追踪，包括火灾报警、环境紫外辐射检测、超高压输电网污闪信号监测和导弹来袭预警等领域。进一步探索，基于本项目制备的高性能的AMZO材料，制备了垂直结构的MgZnO自偏压紫外探测器单元和面阵器件。自偏压探测器工作时无需外加偏压，减少了对供电源的依赖，可以工作在更加恶劣的环境中。基于本项目MgZnO紫外探测器制备的工艺技术储备和设备基础，制备了其他宽禁带半导体材料（MoO3和Ga2O3）的紫外光电探测器。