Zn摻雜TiO2薄膜紫外探測(cè)器及其光電性能研究

2009-10-07 江偉北京石油化工學(xué)院數(shù)理系

　　近年來TiO₂與ZnO等作為紫外探測(cè)材料已引起人們的關(guān)注。TiO₂是一種禁帶寬度較大的半導(dǎo)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(cè)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(fù)合而產(chǎn)生暗電流，進(jìn)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(dǎo)體材料，其禁帶寬度為3.37eV，且具有激子復(fù)合能量高(60meV)、電子誘生缺陷較低等優(yōu)點(diǎn)，在紅外和可見光背景下探測(cè)紫外光具有特殊意義。實(shí)驗(yàn)表明薄膜的光電性能與其化學(xué)組成、能帶結(jié)構(gòu)、氧空位及結(jié)晶度緊密相關(guān)，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?jí)的半導(dǎo)體納米粒子復(fù)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(jié)構(gòu)，Zn與TiO₂的復(fù)合結(jié)構(gòu)電極可能會(huì)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(dǎo)體-金屬(MSM)結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)型探測(cè)器，研究TiO₂紫外探測(cè)器的紫外光響應(yīng)。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1、TiO₂薄膜的制備

　　實(shí)驗(yàn)采用沈陽(yáng)科儀JGP型三靶共濺射高真空磁控濺射裝置，通過直流反應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(yīng)氣體。實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)壓強(qiáng)為0.8Pa、反應(yīng)氧分壓比為10%、功率為150W、襯底溫度為300℃。每次濺射之前, 都預(yù)先在Ar氣中預(yù)濺射5min左右，以除去靶表面氧化物。薄膜的沉積時(shí)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(shù)得到Au叉指電極，電極指長(zhǎng)為2mm，指寬為20μm，指間隔為20μm，光敏面積為4×5 mm²。MSM光導(dǎo)型TiO₂紫外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MSMTiO2紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 MSM TiO₂紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2、TiO₂薄膜的表征

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

2、結(jié)果與討論

2.1、TiO₂薄膜晶體結(jié)構(gòu)

　　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(zhǎng)(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(zhǎng)，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(fù)合結(jié)構(gòu)。且根據(jù)臺(tái)階儀測(cè)得復(fù)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(jié)構(gòu)，結(jié)晶度很好，沒有明顯的團(tuán)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(jìn)行。