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物理所独创硅基氧化锌单晶材料及光电子器件技术

2020-08-01 21:14:15 

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室杜小龙研究组经过五年多的持续攻关研究,发展了一种低温界面工程技术,并进一步设计和构筑了具有锐利界面的新型n-ZnO/i-MgO/p-Si双异质结p-i-n紫外探测器结构,研制成功Si基ZnO可见盲紫外探测器原理型器件。其独创的硅基氧化锌单晶材料生长工艺以及新型器件结构设计与制备技术为我国在光电子技术领域的自主创新研究开辟了一条新路。

图片来源:中国科学院北京分院网站

短波长光电子与Si微电子的集成因其重大的应用价值而被广泛关注,其中硅基ZnO材料与光电子器件研究是目前国际上的一个重要课题,然而Si基高质量ZnO单晶材料的制备、器件结构的设计等问题具有很大的挑战性。这是由于Si表面具有很强的活性,极易形成无定形的氧化物与硅化物,阻碍ZnO的外延生长。另外,由于Si的能带结构与ZnO不匹配,难以获得理想的光电子器件性能。因此,如何控制Si衬底表面和ZnO/Si异质界面,并设计出新型器件结构已成为这一研究方向的核心科学问题。

自2004年起,该组梅增霞副研究员和博士生王喜娜、王勇等系统研究了Si(111)-7x7清洁表面上金属Mg薄层的沉积工艺,发现只有在低温下才能抑制Si与Mg原子的界面互扩散而形成Mg(0001)单晶薄膜。进一步研究发现,该单晶Mg膜可通过活性氧处理形成岩盐相的MgO(111)超薄膜,从而为两步法外延生长ZnO提供了良好的模板。他们通过一系列生长参数的优化,利用MBE法最终在2英寸Si晶片上制备出高质量的ZnO单晶薄膜,其结晶性和光电性能等综合指标居国际领先水平。相关论文被美国Applied Physics Letters的审稿人评为最高级的“EXCELLENT”[APL,90,

151912 (2007)]。评语中指出,这是一项杰出的研究工作,论文以确凿的证据展示了一种在Si衬底上制备ZnO单晶薄膜的机理与方法,而且所述利用Mg氧化获得MgO的界面技术可应用到其他硅基异质膜的制备中。这一独创性的低温界面工程技术已申请国际专利一项、国内专利两项 [其中一项已获授权 (ZL2006100649 77.5)]。这一工作是与清华大学的薛其坤院士、贾金锋教授、北京工业大学的张泽院士以及中科院上海技物所的陆卫研究员课题组合作完成的。

在Si基ZnO单晶薄膜制备工艺获得突破的基础上,杜小龙研究组进一步开展了Si基ZnO光电子器件应用研究。最近,该组的郭阳副研究员和张天冲博士生等与微加工实验室的顾长志研究组合作,设计并制备了一种新型n-ZnO/i-MgO/p-Si双异质结p-i-n可见盲紫外探测器原理型器件。该器件具有良好的pn结整流特性,在±2V时的整流比达到104以上。研究发现ZnO/Si中间插入的MgO势垒层有效地抑制了硅对可见光的响应,器件只对高于ZnO带隙(380nm)的紫外光响应,因而具有可见盲紫外光探测功能。与市面上销售的硅紫外光电探测器相比,该器件充分利用了宽带隙ZnO卓越的光电性能,紫外光响应强,并可直接在可见光背景下工作,不需要滤光系统来屏蔽可见光的响应,因而具有结构简单、性能优越等优点。相关器件的制备技术已申请国家发明专利(申请号: 200810227958.9),相关研究工作最近已发表在应用物理快报上[APL, 94, 113508 (2009)]。由于ZnO的生长温度较低可以与成熟的Si平面工艺兼容,因此Si基ZnO体系可提供一种将电学、光学以及声学器件进行单片集成的途径,潜在应用价值巨大。

该项研究获得中科院知识创新工程课题、国家自然科学基金委项目以及科技部项目等资助。

文章来源: 中国科学院北京分院


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