Zn摻雜TiO2薄膜紫外探測器及其光電性能研究

2009-10-07 江偉北京石油化工學院數(shù)理系

　　近年來TiO₂與ZnO等作為紫外探測材料已引起人們的關注。TiO₂是一種禁帶寬度較大的半導體材料，其銳鈦礦相TiO₂帶隙約為3.2eV，具有較高的載流子遷移率，能勝任高溫和腐蝕性環(huán)境，有利于制作高性能的紫外光電探測器；但因TiO₂ 禁帶寬度較寬，受激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴易復合而產(chǎn)生暗電流，進而影響其光電轉(zhuǎn)換效率。而ZnO作為一種直接帶隙寬禁帶化合物半導體材料，其禁帶寬度為3.37eV，且具有激子復合能量高(60meV)、電子誘生缺陷較低等優(yōu)點，在紅外和可見光背景下探測紫外光具有特殊意義。實驗表明薄膜的光電性能與其化學組成、能帶結構、氧空位及結晶度緊密相關，單一薄膜的光電性能并不很理想，合適的金屬離子摻雜或?qū)⒕哂胁煌芗壍陌雽w納米粒子復合在一起均可以提高電極的光電性能。Zn摻雜能夠改善TiO₂的能帶結構，Zn與TiO₂的復合結構電極可能會具有更好的光電轉(zhuǎn)換性能。本文利用射頻磁控濺射制備Zn摻雜TiO₂薄膜，并制成金屬-半導體-金屬(MSM)結構的光電導型探測器，研究TiO₂紫外探測器的紫外光響應。

1、實驗

1.1、TiO₂薄膜的制備

　　實驗采用沈陽科儀JGP型三靶共濺射高真空磁控濺射裝置，通過直流反應磁控濺射方法，先在Si襯底上鍍一層SiO₂ 絕緣層，然后在SiO₂表面上制備Zn摻雜TiO₂ 薄膜。實驗以含2%Zn的TiO₂陶瓷靶(純度99.9%)為靶材，靶面直徑為60mm、靶厚為3mm、Ar氣為濺射氣體、O2氣為反應氣體。實驗中反應壓強為0.8Pa、反應氧分壓比為10%、功率為150W、襯底溫度為300℃。每次濺射之前, 都預先在Ar氣中預濺射5min左右，以除去靶表面氧化物。薄膜的沉積時間為60min，沉積后的薄膜在600℃下退火60min。然后在制備好的TiO₂薄膜上濺射一層薄Au，Au膜厚為80nm左右，接著采用光刻技術得到Au叉指電極，電極指長為2mm，指寬為20μm，指間隔為20μm，光敏面積為4×5 mm²。MSM光導型TiO₂紫外探測器的結構如圖1所示。

MSMTiO2紫外探測器結構示意圖

圖1 MSM TiO₂紫外探測器結構示意圖

1.2、TiO₂薄膜的表征

　　薄膜的厚度用AMBIOS XP-1型臺階儀測試；晶體結構由SHIMADZU XRD-7000型X射線衍射儀測試；TiO₂薄膜的表面微觀形貌與粗糙度分別由JSM- 6330E型場發(fā)射掃描電鏡及CSPM- 4000型掃描探針觀測；其紫外吸收光譜用UNICO UV-2100型紫外可見光分光光度計測試；TiO₂紫外探測器的光電特性由Agilent E5272A半導體參數(shù)測試儀測量。

2、結果與討論

2.1、TiO₂薄膜晶體結構

　　圖2 為經(jīng)600℃退火的Zn摻雜TiO₂薄膜XRD圖譜，從圖2可以看出，在34.6°處出現(xiàn)ZnO的(002)衍射峰，薄膜為c軸擇優(yōu)取向生長(c軸垂直于襯底表面)，這是由于ZnO(002)晶面具有最低的表面自由能，而薄膜晶向沿較低表面自由能方向擇優(yōu)生長，易形成(002)晶面。薄膜中有TiO₂銳鈦礦晶向的衍射峰A(101)、A(004)出現(xiàn)，且衍射峰很明顯，說明薄膜為TiO₂與ZnO的復合結構。且根據(jù)臺階儀測得復合薄膜的厚度為362nm。

TiO2薄膜的XRD圖譜

圖2 TiO₂薄膜的XRD圖譜

2.2、TiO₂ 薄膜的表面形貌

　　圖3、圖4 分別為Zn摻雜TiO₂薄膜表面形貌與AFM圖，圖中可以看出薄膜表層TiO₂為多孔結構，結晶度很好，沒有明顯的團聚現(xiàn)象，其平均顆粒大小約為60nm，表面粗糙度為14.8nm。薄膜表面粗糙度的提高使薄膜留有大量孔洞，孔隙的存在可以使電子深入電極深層，從而使光電轉(zhuǎn)換過程能持續(xù)進行。