基于聲表面波技術(shù)的紫外探測器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、制作簡單且可以無線無源監(jiān)測等眾多優(yōu)勢,成為近年來紫外探測領(lǐng)域的研究熱點。本文根據(jù)紫外敏感薄膜分類綜述了聲表面波紫外探測的研究進展,剖析了聲表面波紫外探測敏感機理,闡述了氮化鎵、摻雜氮化鎵、氧化鋅、摻雜氧化鋅、納米結(jié)構(gòu)氧化鋅,氮化鋁等敏感膜的材料特點、制備加工及其紫外探測器性能等。分析了近年來新型聲表面波紫外傳感器的研究狀況,展望了聲表面波紫外探測的未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)。 

【文章來源】：光學(xué)精密工程. 2020,28(07)北大核心

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

基于GaN薄膜SAW的光生載流子測量裝置

為了進一步提高ZnO薄膜對紫外光的敏感程度,研究人員通過在ZnO薄膜上摻雜一些Ⅱ-Ⅲ族元素,例如Be,Mg,Cd,Al等。摻雜的ZnO薄膜可以將器件的暗電流降低幾個數(shù)量級,而其光電流明顯提高,從而可以提高光電轉(zhuǎn)換效率及器件的靈敏度,這樣可以制造具有大范圍檢測波長的高靈敏度聲表面波UV探測器。目前,針對摻雜ZnO的SAW紫外探測器的研究主要集中在類MgZnO聚合物薄膜上,這是由于Zn2+(0.060 nm)與Mg2+(0.057 nm)的離子半徑相似,因此Mg原子的替代在ZnO中不會引起很大的晶格常數(shù)的改變,使得這種材料適合用來制備MgxZn1-xO/ZnO異質(zhì)結(jié)、超晶格結(jié)構(gòu)和多量子阱。摻Mg可以使得ZnO的母體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的光電性能,作為一種寬帶隙調(diào)諧半導(dǎo)體,MgxZn1-xO膜已被認為是用于可調(diào)紫外檢測器最有前途的UV光電材料。帶隙能量與MgxZn1-xO薄膜中Mg含量的函數(shù)關(guān)系如圖3所示[35]。Mg摩爾含量在小于37%時,MgxZn1-xO薄膜具有六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu),在大于62%是MgxZn1-xO薄膜具有立方晶體結(jié)構(gòu),在37%～62%時具有兩者的混合相。ZnO摻雜Mg會導(dǎo)致帶隙增大,在Mg的含量為49%時達到4.05 eV,光響應(yīng)會轉(zhuǎn)移到220～260 nm[36]。然而,Mg摻雜會導(dǎo)致電導(dǎo)逐漸減小,這削弱了SAW傳感器中的聲電相互作用。此外,當(dāng)Mg的含量高于30%時,形成ZnO晶體結(jié)構(gòu)中的許多缺陷(如殘余應(yīng)力、位錯等),這導(dǎo)致光學(xué)性能降低[37]。Mg和Al原子同時摻雜ZnO有助于在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)ZnO的光學(xué)性能。為了得到性能更好的ZnO薄膜,研究人員通過摻雜Al等金屬,并利用退火等處理方式來進一步改進MgZnO薄膜的性能。Kutepov等研究了基于Zn1-x-yMgxAlyO薄膜的聲表面波光電探測器,薄膜的電導(dǎo)率可在0.25×10-6～83×10-6 Ω/cm之間變化,器件對于紫外光十分敏感,在波長為248 nm的紫外照射下,器件具有0.1～0.2 ms的快速光電響應(yīng)[38]。

其中:v0為原始的聲波傳播速度,k2為有效的機電耦合系數(shù),λ為聲波波長,L為延遲線的長度,σ和σm分別為材料的固有電導(dǎo)和表面電導(dǎo)。另一個角度解釋基于SAW的紫外探測器的機理是光電容效應(yīng)。Ciplys和Chivukula等發(fā)現(xiàn)紫外光照射IDT區(qū)域?qū)AW傳輸?shù)挠绊懸h大于相同尺寸區(qū)域光照兩個IDT之間的聲波傳播路徑區(qū)域,這個現(xiàn)象沒法用上述聲電效應(yīng)解釋。他們提出了一種基于光電容效應(yīng)的新機制,并證明了紫外誘導(dǎo)的IDT電容變化對聲表面波信號相位變化的影響。他們認為紫外光引起的相位變化應(yīng)歸因于光電容效應(yīng)引起的IDT阻抗的變化,隨著傳感層中光激發(fā)載流子密度的增加,金屬(叉指電極)-半導(dǎo)體(敏感膜)結(jié)的耗盡寬度減小,導(dǎo)致IDT電容增大。因此,可以通過UV照射改變IDT區(qū)域的電容來控制SAW相位,這種傳感器對UV引起的傳播特性的擾動非常敏感[10-11]。


本文編號：3062139