日盲紫外探测材料铍锌氧薄膜的外延生长与器件研制

本项目拟采用射频等离子体辅助分子束外延法，开展新型ZnO基合金薄膜-BeZnO合金薄膜的制备与研究，在蓝宝石、硅等衬底上制备出带隙在220～280nm日盲区间任意可调的单一纤锌矿相BeZnO单晶薄膜，并获得日盲材料的可重复制备工艺；结合多种先进的测试手段，系统研究BeZnO薄膜中Be组分与带隙的对应关系；进一步利用微纳加工技术，制作出MSM、PIN等不同器件结构的日盲中紫外探测器，研究不同器件结构对探测性能的影响，通过优化器件制作工艺，最终获得光响应截止波长在220～280nm日盲区间可调谐的高性能日盲紫外探测原型器件。由于带隙可调谐的中紫外日盲探测材料的制备与器件制作是目前ZnO基材料实现其日盲探测应用过程中难以解决的瓶颈问题，也是目前实现其军事应用必须解决的首要难题，因此本课题的开展具有重要的科学价值和应用前景。

项目组完全按照计划书开展工作，首先利用射频等离子体辅助分子束外延技术开展了BeZnO三元合金薄膜的界面工程、外延生长、电性与能带调控以及器件应用等研究工作，经过大量的实验结果分析，我们发现在ZnO中单掺Be会出现Be 饱和（即固溶度低）现象，其原因在于Be的原子半径较小，替位的能量太高，Be-O键能又太大，因此掺入的Be原子更倾向于占据间隙位置以及出现纤锌矿BeO相分离，从而导致替位Be的含量和带隙都无法进一步提高；因此我们着重研究了Mg在ZnO中的掺杂行为与能带调控，获得了带隙进入日盲紫外波段的MgZnO单晶薄膜（蓝宝石衬底上薄膜带隙为270nm、硅衬底上为280nm），并开展了电性调控、欧姆接触/肖特基接触以及日盲探测器件结构探索及性能优化等工作，系统研究了退火对肖特基金属接触特性和探测器性能、不同器件结构对探测性能的影响等器件物理特性，最终获得了具有良好光响应特性的原型器件。已在薄膜材料的紫外探测性能及其在紫外探测上的应用方面得到了初步验证，达到了日盲紫外探测功能，初步形成了硅基双色单元探测及ZnO基多色单元探测等技术能力，完成MSM型及PIN型紫外探测器原型器件的研制，截止波长280~240nm；设计了一种新颖的硅基底栅结构增强型MgZnO薄膜晶体管双色紫外探测器，通过栅压的有机调控，光电流可实现有效放大，最大光响应度达到0.35A/W，光响应速度可达到微秒级。项目在研期间共发表SCI论文18篇（其中Phys. Rev. B 1篇、Appl. Phys. Lett. 4篇），新申请专利3项，获授权专利4项，取得了多项重要的研究成果，为推动ZnO基薄膜走向真正的器件应用奠定了良好的基础。