Zn掺杂TiO2薄膜紫外探测器及其光电性能研究

　　近年来TiO₂与ZnO等作为紫外探测材料已引起人们的关注。TiO₂是一种禁带宽度较大的半导体材料，其锐钛矿相TiO₂带隙约为3.2eV，具有较高的载流子迁移率，能胜任高温和腐蚀性环境，有利于制作高性能的紫外光电探测器；但因TiO₂ 禁带宽度较宽，受激发产生的电子和空穴易复合而产生暗电流，进而影响其光电转换效率。而ZnO作为一种直接带隙宽禁带化合物半导体材料，其禁带宽度为3.37eV，且具有激子复合能量高(60meV)、电子诱生缺陷较低等优点，在红外和可见光背景下探测紫外光具有特殊意义。实验表明薄膜的光电性能与其化学组成、能带结构、氧空位及结晶度紧密相关，单一薄膜的光电性能并不很理想，合适的金属离子掺杂或将具有不同能级的半导体纳米粒子复合在一起均可以提高电极的光电性能。Zn掺杂能够改善TiO₂的能带结构，Zn与TiO₂的复合结构电极可能会具有更好的光电转换性能。本文利用射频磁控溅射制备Zn掺杂TiO₂薄膜，并制成金属-半导体-金属(MSM)结构的光电导型探测器，研究TiO₂紫外探测器的紫外光响应。

1、实验

1.1、TiO₂薄膜的制备

　　实验采用沈阳科仪JGP型三靶共溅射高真空磁控溅射装置，通过直流反应磁控溅射方法，先在Si衬底上镀一层SiO₂ 绝缘层，然后在SiO₂表面上制备Zn掺杂TiO₂ 薄膜。实验以含2%Zn的TiO₂陶瓷靶(纯度99.9%)为靶材，靶面直径为60mm、靶厚为3mm、Ar气为溅射气体、O2气为反应气体。实验中反应压强为0.8Pa、反应氧分压比为10%、功率为150W、衬底温度为300℃。每次溅射之前, 都预先在Ar气中预溅射5min左右，以除去靶表面氧化物。薄膜的沉积时间为60min，沉积后的薄膜在600℃下退火60min。然后在制备好的TiO₂薄膜上溅射一层薄Au，Au膜厚为80nm左右，接着采用光刻技术得到Au叉指电极，电极指长为2mm，指宽为20μm，指间隔为20μm，光敏面积为4×5 mm²。MSM光导型TiO₂紫外探测器的结构如图1所示。

图1 MSM TiO₂紫外探测器结构示意图

1.2、TiO₂薄膜的表征

　　薄膜的厚度用AMBIOS XP-1型台阶仪测试；晶体结构由SHIMADZU XRD-7000型X射线衍射仪测试；TiO₂薄膜的表面微观形貌与粗糙度分别由JSM- 6330E型场发射扫描电镜及CSPM- 4000型扫描探针观测；其紫外吸收光谱用UNICO UV-2100型紫外可见光分光光度计测试；TiO₂紫外探测器的光电特性由Agilent E5272A半导体参数测试仪测量。

2、结果与讨论

2.1、TiO₂薄膜晶体结构

　　图2 为经600℃退火的Zn掺杂TiO₂薄膜XRD图谱，从图2可以看出，在34.6°处出现ZnO的(002)衍射峰，薄膜为c轴择优取向生长(c轴垂直于衬底表面)，这是由于ZnO(002)晶面具有最低的表面自由能，而薄膜晶向沿较低表面自由能方向择优生长，易形成(002)晶面。薄膜中有TiO₂锐钛矿晶向的衍射峰A(101)、A(004)出现，且衍射峰很明显，说明薄膜为TiO₂与ZnO的复合结构。且根据台阶仪测得复合薄膜的厚度为362nm。

图2 TiO₂薄膜的XRD图谱

2.2、TiO₂ 薄膜的表面形貌

　　图3、图4 分别为Zn掺杂TiO₂薄膜表面形貌与AFM图，图中可以看出薄膜表层TiO₂为多孔结构，结晶度很好，没有明显的团聚现象，其平均颗粒大小约为60nm，表面粗糙度为14.8nm。薄膜表面粗糙度的提高使薄膜留有大量孔洞，孔隙的存在可以使电子深入电极深层，从而使光电转换过程能持续进行。

图3 TiO₂薄膜的SEM图 图4 TiO₂ 薄膜的AFM图