湖北大学黎明锴:Hf掺杂SnO2实现高性能日盲紫外光探测器

极智头条

近日,由国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)与第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)主办,南方科技大学微电子学院与北京麦肯桥新材料生产力促进中心有限公司共同承办的第十七届中国国际半导体照明论坛(SSLCHINA 2020)暨2020国际第三代半导体论坛(IFWS 2020)在深圳会展中心召开。

期间,由山西中科潞安紫外光电科技有限公司、中微半导体设备(上海)股份有限公司共同协办的“固态紫外器件技术分会”上,湖北大学材料科学与工程学院教授黎明锴分享了Hf掺杂SnO2实现高性能日盲紫外光探测器的研究进展。


SnO2常用于透明导电电极,但是其本征带隙只有3.6 eV,难以实现日盲紫外光探测器。同时,大量文献报道其在用作光电探测器时存在严重的持续光电导效应和较大的暗电流。这严重制约了其在光电器件方面的应用。

研究利用脉冲激光方法在c面蓝宝石衬底上制备了高质量的SnO2和Hf0.38Sn0.62O2外延薄膜。XRD测试表明,Hf能完全溶入SnO2形成合金,没有出现相分离。同时透射光谱测试显示,Hf的掺入将SnO2的光学带隙从4.1 eV拓展到4.9 eV,从而满足对日盲紫外光探测的要求。


通过在样品表面沉积间距为10 μm的平行Al电极,研究对SnO2和Hf0.38Sn0.62O2的电导特性进行了详细测试。I-V测试显示Al在这两种薄膜表面都形成欧姆接触。同时,掺杂了38%Hf的薄膜显示出非常低的电导率,在20 V偏压下暗电流为0.2 pA,相对SnO2样品的0.16 mA降低了约9个数量级。这是由于Hf的掺入提高了O空位的形成能,降低了O空位浓度,同时使得O空位的施主能级变深,从而降低了薄膜的背景载流子浓度。

对MSM器件的紫外光响应特性进一步的研究,结果显示Hf0.38Sn0.62O2基的MSM日盲紫外光探测器的截止波长为290 nm,光暗比达到了1580倍,最高光响应度约为14 mA/W,光响应度峰值为260 nm,光响应时间约为50 ms。相对于SnO2基的紫外光探测器,截止波长向短波长方向实现了有效移动,从而满足日盲紫外光探测器的要求。

另外光暗比也得到了极大的提高。特别值得注意的是,响应时间从SnO2基的紫外光探测器的数百秒降低到了50 ms。这是由于SnO2薄膜中有大量的O空位导致持续光电导效应非常严重,在光照开启后光电流经过很长时间也很难达到饱和,同时在关闭光照后响应电流的下降速度也很慢,难以降低到暗电流水平。通过掺杂Hf后,O空位浓度降低,同时相应的施主能级变得更深,从而极大地减弱了与其相关的持续光电导效应。

该工作通过Hf掺杂SnO2不仅拓宽了其带隙,而且降低了其背景载流子浓度,极大提升了光电响应速度,为实现日盲紫外光探测器并拓展其在超宽禁带半导体器件方面的应用有着十分重要的意义。

(内容根据现场资料整理,如有出入敬请谅解)

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