基于三明治结构的MgZnO日盲雪崩光电探测器的研究

Recently, a really high performance of MgZnO solar-blind photodetector is not yet out of the laboratory. The performance enhancement of MgZnO solar-blind photodetectors is mainly confined to improve the crystal quality of films. Aiming at this topic, we propose that by taking the innovative device structure as the breakthrough, and applied the principle of the avalanche effect to the MgZnO solar-blind photodetectors. The sandwich structure of MgZnO/(Au/MgZnO/Au)/MgZnO will be designed and constructed experimentally, and the electrodes in the sandwich structure are taking the metal-semiconductor-metal interdigital structure with interdigitated configuration. Due to the effect of the strong electric field, the photogenerated carriers in the MgZnO film between the electrode will be accelerated and keep impacting the lattice atoms, new free carriers will be generated and impact in steps, and eventually form the avalanche effect. The avalanche photodetector will be achieved due to gaining the multiplicated carriers. This project will focus on the basic research issues, such as the thickness control of the upper MgZnO film, and the space adjust of the interdigitated electrode. The idea proposed in this project may provide an alternative promising route to MgZnO solar-blind avalanche photodetectors by changing the device structure as an entry point.

目前，一个真正高性能的MgZnO日盲光电探测器尚未走出实验室。MgZnO日盲光电探测器性能的提高，主要局限于提高薄膜的晶体质量方面。针对上述问题，本项目中我们提出以器件结构创新为突破口，将雪崩效应运用到MgZnO日盲光电探测器上。构建(Au/MgZnO/Au)/MgZnO三明治器件结构，夹层电极采用金属-半导体-金属梳状叉指结构。由于强电场的作用，产生于叉指电极间MgZnO薄膜的光生载流子在空间电荷区被加速，并不断与晶格原子相碰撞，产生新的自由载流子，其又在电场的作用下逐级碰撞，形成雪崩效应，从而获得倍增的光生载流子，实现雪崩日盲光电探测器。本项目也将重点关注和研究该体系的基础问题，如上层MgZnO薄膜厚度的控制、叉指电极间距离的调控等。该方案从器件结构入手，有望为MgZnO日盲雪崩光电探测器的实现提供可行的途径。

目前，人们已经成功制备了MgZnO日盲光电探测器，但器件的响应度没有得到理想的结果。人们主要试图以提高器件薄膜晶体质量，来达到提高器件响应度的目的，但一个真正高响应度的MgZnO日盲光电探测器尚未走出实验室。为此，探索一条全新的途径来实现高响应度的MgZnO日盲光电探测器就变得尤为的重要。本项目通过构建三明治器件结构，来实现具有雪崩效应的MgZnO日盲光电探测器。其中上下两层MgZnO薄膜以及中间夹层电极间的MgZnO薄膜为半导体介质，夹层中的电极则为金属-半导体-金属(MSM)梳状结构。在二次生长MgZnO薄膜时，电极上的MgZnO薄膜和电极间的MgZnO薄膜是同时生长的，当电极间的MgZnO薄膜填充满时，在电极和电极间MgZnO薄膜上方必然存在一层非常薄的MgZnO薄膜，这也就构成了三明治结构探测器。由于电极间的距离为几微米量级，所以电极间的场强可以达到10的7次方V/m，这为实现具有雪崩效应的MgZnO日盲光电探测器提供了先决和必要条件。我们首先制备得到了覆盖可见盲和日盲波段的MgZnO薄膜，并在此基础上实现了三明治结构可见盲和日盲波段的MgZnO雪崩光电探测器，其响应度分别达到2505 A/W和990.5 A/W，并深入研究了上层薄膜对于器件雪崩效应的影响。对于日盲波段的MgZnO雪崩光电探测器而言，器件的暗电流在57 V偏压下仅为0.2 nA，可以极大的提高器件的信噪比，探测器响应度的紫外和可见的抑制比为1.5乘以10的6次方量级。由于雪崩效应，器件的外量子效率达到了百分之4.5乘以10的5次方量级，倍增因子为521。按照10%-90%的方法计算响应时间，上升时间为15 ns，下降时间为481 ns。作为本项目的延伸，我们从提高吸收光的角度入手，构建了基于Ag表面等离激元增强效应结构的MgZnO基紫外光电探测器，器件的响应度提高了3.9倍。此外，我们在PET衬底上探究了柔性ZnO紫外光电探测器的性能。在50 V偏压下，0.134的拉伸应变使器件的响应度提高了257%，扩展了紫外光电探测器的调节手段和应用范围。