高性能ZnO薄膜紫外光电探测器的研究.pdf

高性能 ZnO 薄膜紫外光电探测器的研究刘思霖，张诗曼，王楠（长春师范大学，吉林长春130032）摘要：本研究通过磁控溅射法在石英衬底上制备出 ZnO 薄膜紫外光电探测器，通过 射线衍射（XRD）、吸收光谱、I-V 特性曲线以及响应度曲线，对不同退火温度（500、600、700）的光电探测器紫外探测性能进行了深入研究。结果表明，利用退火手段，提高了紫外光电探测器的性能，随着退火温度的升高，探测器的暗电流和响应强度逐渐增强。本研究结果为制备高性能 ZnO 薄膜紫外光电探测器提供了一种可行途径。关键词：ZnO 薄膜；退火；响应度中图分类号：X85文献标识码：A文章编号：1004-7050（2023）09-0001-02ZnO 紫外光电探测器近年来受到了研究者广泛的关注，它在环境监测、化学和生物分析、火焰探测、太阳天文学、导弹羽流探测和燃烧监测1等方面具有广泛的应用价值。随着半导体材料的充分研究，紫外光电探测器的制造也逐步发展。ZnO 作为一种具有吸引力的宽带隙（如室温下为 3.37 eV）氧化物半导体，可用于制造包括紫外光电探测器2-4在内的短波长光电器件。不同研究小组对 ZnO 在单晶、薄膜和纳米结构形式中的紫外光响应进行了大量研究，显示出其复杂的特性5-8。目前仍在继续努力获得具有更高响应特性的 ZnO 紫外光电探测器。ZnO 紫外光探测器的近期报道主要集中在 MSM结构上，其中包含基于肖特基势垒的光电压型光电探测器和基于欧姆接触的光导型光电探测器。研究者试图通过优化 ZnO 薄膜来提高光电探测器的响应度，但缺乏对器件本身的优化。退火是一种增强膜性能的有效处理方法。目前，已采用多种技术沉积 ZnO 薄膜，证明退火膜可以有效地提高晶体质量。在本研究中，采用射频磁控溅射技术，在石英衬底上增长 ZnO薄膜，并通过退火工艺，优化了 ZnO 的薄膜质量。通过退火的手段，使得光电探测器的响应能力显著增强，这表明退火方法是提高 ZnO 薄膜紫外光电探测器性能的有效途径。1实验部分ZnO 基 MSM 结构紫外光电探测器的制作如图 1所示。采用射频磁控溅射技术在石英衬底上制备了ZnO 薄膜。在溅射之前，石英衬底分别用丙酮（99.5%）、无水乙醇（99.7%）和超纯水在超声波清洗机中清洗 10 min，高纯氮气干燥后备用。采用 ZnO 陶瓷（99.995%）作为溅射靶，直径为 50.8 mm，厚度为4 mm。目标与石英基底之间的距离为 50 mm。双空气抽吸系统可使系统的真空度低于 510-4Pa。溅射的混合气体是含有超纯（5N）氧和氩的工作气体（15、50 sccm，sccm 代表 cm3/min）。在溅射室中，ZnO 薄膜生长过程中，压力保持在 5.0 Pa，石英基底温度保持在 683 K。射频功率保持在 150 W，溅射时间为 2.5 h。为了保证沉积薄膜的均匀性，载物台以 5 r/min 的速度旋转。将生长好薄膜的探测器分别命名 S1、S2、S3、S4。对 S2、S3、S4 进行退火处理，退火温度分别为500、600、700，升温和降温速度均为 8/h，持续退火 15 min。在退火过程中，探测器在含有氧气和氩气（20、60 sccm）的混合气体中得到保护。采用直流溅射技术在 ZnO 薄膜上制备了 Au 薄膜，厚度为 20 nm，溅射功率为 60 W，溅射气体氩气的流量为 30 sccm。同时，采用紫外线照射和湿法光刻技术制备了探测器的 MSM 结构电极。电极插指对数为15，插指长 500 m，宽 5 m，插指间距为 5 m。利用 Rigaku D/M-2200T X 射线衍射仪（XRD）进行样品物相分析（40 kV、20 mA），Cu K辐射（姿=0.154 3 nm）；利用美国的 PerkinElmer Lambda 950 UV/Vis 双光束紫外分光光度计表征 ZnO 薄膜的光学吸收收稿日期：2022-12-16基金项目：吉林省大学生创新创业项目（S202210205132）作者简介：刘思霖，女，2002 年出生，长春师范大学本科在读，研究方向为光电探测器方向。总第 214 期2023 年第 9 期山西化工Shanxi Chemical IndustryTotal 214No.9，2023DOI:10.16525/14-1109/tq.2023.09.001图 1光电探测器制作流程图SiO2RFDCZnOAuPhotoetching科研与开发山西化工第 43 卷特性（300 500 nm）；利用卓立汉光公司的 ZolixDR800-CUST 型光谱响应测试系统对探测器进行光响应测试，采用 Agilent 16442A 设备对探测器的电学性能进行测试。2结果与分析图 2 为探测器的 XRD 谱图，所有 ZnO 薄膜都具有良好的 c 轴取向，连续退火后明显提高了 ZnO 薄膜的衍射峰强度，薄膜的特征衍射峰均保持单一六方相。结果表明，ZnO 薄膜的晶体质量在氮气氛围退火作用下得到提高，薄膜中的应力得到了释放，结晶质量得到了改善。图 3 展示了探测器在 300500 nm 范围内的吸收光谱。结果表明，所有探测器的吸收都随着波长的减小而增大，探测器在紫外波段中具有较强的宽频吸收。4 组探测器均有陡峭的吸收边，且吸收率随着退火温度的提高而逐渐升高。利用标准(h)2 vs h得到相应的禁带能，通过计算得到探测器的禁带宽度为 3.36 eV。图 4 为 ZnO 薄膜光电探测器的暗电流变化曲线，非线性 I-V 特性表明，探测器实现了肖特基金属-半导体接触。5V 偏压下未退火和退火温度为500、600、700 的探测器暗电流分别为 8.1110-10、1.5510-9、2.8410-9、3.8810-9A。暗电流随着退火温度的升高也在逐渐变大。主要原因为，在 ZnO 射频磁控溅射过程中，一些 Au 原子进入 ZnO 薄膜中，形成间隙缺陷，存在一些空位缺陷。随着退火温度的升高，Au 原子会在薄膜中扩散得更深，形成更多的间隙缺陷。金费米表面的能级（功函数）接近于 ZnO 导带底部的能级，来自间隙缺陷（Au 原子）的电子在能级上积累，并从导带底部的 ZnO 电子中吸收能量，位于 ZnO 导带底部的能级将会降低。当退火温度越高时，能级会降低越多。薄膜中的 Au 原子不仅增强了 ZnO 薄膜的电子亲和能，而且降低了肖特基势垒高度，这对提高暗电流也有好处。因此，暗电流的变化更大。在 5 V 的偏压，320 W/cm2光功率下，测量了250500 nm 范围内 ZnO 紫外光探测器在未退火及不同温度下退火时的响应度光谱，如图 5 所示。很明显，随着退火温度的升高，光电流极大增强，响应度从0.016 A/W 增加到 1.621 A/W。通过连续退火，在相同的偏置偏压下，Au 电极与 ZnO 半导体之间的电有效质量足够，电子空穴移动会变慢，继续吸引更多的电子。器件中的电流将存在较长的时间，直到电子空穴被电子中和。与未退火器件相比，连续热退火装置中电子的寿命会有一定程度的延长，因此该器件表现出增益现象。由此可以看出，增强光电探测器光响应的最简单方法是对器件进行退火。3结论利用射频磁控溅射技术在石英衬底上制备了ZnO 薄膜，将 MSM 结构的光电探测器在溅射室中分别在 500、600、700 进行连续退火 15 min。结果表明，随着退火温度的升高，暗电流和响应强度逐渐增强。这是由于随着退火温度的升高，少量 Au 原子进3 0002 5002 0001 5001 000500010203040506070802兹/（）图 2探测器的 XRD 图谱S4S3S2S1图 3探测器的紫外-可见吸收光谱3003504004505000.80.60.40.20.0S4S3S2S1波长/nm图 5探测器的响应度图谱250300350400450500550600250 300 350 400 450 500 550 6000.0200.0150.0100.0050.000S11.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0S1S2S3S4波长/nm波长/nm图 4探测器的暗电流曲线10 0001 00010010012345S1S2S3S4In Dark波长/nm（下转第 12 页）2窑窑山西化工第 43 卷入 ZnO 薄膜并扩散得更深，这不仅增强了 ZnO 薄膜的电子亲和能，并且降低了肖特基势垒高度，使得探测器性能得到了提高。参考文献：1Oezguer U,Alivov Y I,Liu C,et al.A comprehensive review of ZnOmaterials and devicesJ.Journal of Applied Physics,2005,98(4):1-11.2Ouyang W,Teng F,Jiang M,et al.ZnO film UV photodetector withenhanced performance:heterojunction with CdMoO4microplates andthe hot electron injection effect of Au nanoparticlesJ.Small,2017,13(39):1-11.3Postica V,Holken I,Schneider V,et al.Multifunctional device basedon ZnO:Fe nanostructured films with enhanced UV and ultra-fastethanol vapour sensingJ.Materials Science in Semiconductor Pro-cessing,2016,49:20-33.4Wu H,Ding J,Yang D,et al.Graphene quantum dots doped ZnO su-perstructure(ZnO superstructure/GQDs)for weak UV intensity pho-todetector application J.Ceramics International,2020,46(11):17800-17808.5Yan S,Rai S C,Zheng Z,et al.Piezophototronic effect enhancedUV/visiblephotodetectorbasedonZnO/ZnSeheterostructurecore/shell nanowire array and its self powered performance J.Ad-vanced Electronic Materials,2016,16:1-6.6Li H,Zhang X,Liu N,et al.Enhanced photo-response properties of asingle ZnO microwire photodetector by coupling effect between local-ized schottky barriers and piezoelectric potential J.Optics Express,2015,23(16):21204-21212.7Yu J,J Men H,Zhang J W,et al.Design of a surface plasmon reso-nance-enhanced ZnO ultraviolet photodetector based on a sub-wave-length metal grating covered with a high-refractive-index mediumJ.Journal of Electronic Materials,2020,49(8):1-5.8Flemban T H,Haque M A,Ajia I A,et al.A Photodetector based onp-Si/n-ZnO nanotube heterojunctions with high ultraviolet responsiv-ityJ.AcsAppliedMaterials&Interfaces,2017,42(9):37120-37127.Research on High Performance ZnO Thin Film UV PhotodetectorsLiu Silin,Zhang Shiman,Wang Nan（Changchun Normal University,Changchun Jilin 130032,China）Abstract:In this study,ZnO thin film ultraviolet photodetectors were prepared on quartz substrate by magnetron sputtering method.ByX-ray diffraction(XRD),absorption spectrum,I-V characteristic curve and responsivity curve,the ultraviolet detection performance ofphotodetectors at different annealing temperatures(500,600,700 )was thoroughly studied.The results showed that theperformance of UV photoelectrodetectors were improved by annealing method.With the increase of annealing temperature,the dark currentand responsivity of the detectors were enhanced gradually.The results of this study provide a feasible way to prepare high performance ZnOthin film ultraviolet photodetectors.Key words:ZnO thin film;annealing;responsivity（上接第 2 页）Synthesis and Hydrogen Production from Water Decomposition of Gd1-xCexB5O9Solid SolutionGu Mingshu,Luo Qiong,Cao Yang,Zhang Haohao,Cui Xiongjun,Sun Xiaorui（School of Chemistry and Chemical Engineering,Changjiang Normal University,Chongqing 408100,China）Abstract:The development of borate photocatalysts with visible light response has important research value.Gd1-xCexB5O9solid solutionsamples were prepared by sol-gel method.The prepared samples were characterized by X-ray powder diffraction,scanning electronmicroscopy,and X-ray photoelectron spectroscopy,and the results showed that the synthesis of the samples was successful.The morphologyof the sample is coral like with sub micron size.The entire solid solution sample has the ability to produce hydrogen under both ultravioletand visible light.Among them,Gd0.85Ce0.15B5O9has the best hydrogen production activity,with respectively 185.7 mol/h/g and 2.0 mol/h/gunder UV and visible light.Key words:borate;photocatalysis;solid solution;water decomposition;hydrogenganic Chemistry,2015,54:2945-2949.7Xie Huan,Yue Mufei,Ma Biao,et al.Cd12Ge17B8O58:a bulk borate ma-terial capable of photocatalytic H2evolution from pure waterJ.2016,84:112-115.（上接第 8 页）Study of Preparation Conditions for Ferrous Ammonium Sulfate in High Yield in LaboratoryChang Yuefan,Zhang Huijie,Ma Weihua（Shanxi Engineering Vocational College,Taiyuan Shanxi 030009,China）Abstract:As an important chemical raw material,ammonium ferrous sulfate is widely used in various industries.However,currentlyresearch found that the yield or purity of ammonium ferrous sulfate prepared in the laboratory is low.In this paper,ammonium ferroussulfate was prepared by reduced iron powder,sulfuric acid and ammonium sulfate.The effects of iron and sulfuric acid reacting at differentratios on the yield and purity of ammonium ferrous sulfate were studied.The experimental results show that,the purity and yield of theproducts are the highest when sulfuric acid is excess by 30%.Key words:ferrous ammonium sulfate;synthetize;high yield rate;spectrophotometry12窑窑