声表面波紫外光探测器的研究进展
发布时间：2021-03-03 23:34
基于声表面波技术的紫外探测器具有响应速度快、灵敏度高、制作简单且可以无线无源监测等众多优势,成为近年来紫外探测领域的研究热点。本文根据紫外敏感薄膜分类综述了声表面波紫外探测的研究进展,剖析了声表面波紫外探测敏感机理,阐述了氮化镓、掺杂氮化镓、氧化锌、掺杂氧化锌、纳米结构氧化锌,氮化铝等敏感膜的材料特点、制备加工及其紫外探测器性能等。分析了近年来新型声表面波紫外传感器的研究状况,展望了声表面波紫外探测的未来发展趋势与挑战。
【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(07)北大核心
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
基于GaN薄膜SAW的光生载流子测量装置
为了进一步提高ZnO薄膜对紫外光的敏感程度,研究人员通过在ZnO薄膜上掺杂一些Ⅱ-Ⅲ族元素,例如Be,Mg,Cd,Al等。掺杂的ZnO薄膜可以将器件的暗电流降低几个数量级,而其光电流明显提高,从而可以提高光电转换效率及器件的灵敏度,这样可以制造具有大范围检测波长的高灵敏度声表面波UV探测器。目前,针对掺杂ZnO的SAW紫外探测器的研究主要集中在类MgZnO聚合物薄膜上,这是由于Zn2+(0.060 nm)与Mg2+(0.057 nm)的离子半径相似,因此Mg原子的替代在ZnO中不会引起很大的晶格常数的改变,使得这种材料适合用来制备MgxZn1-xO/ZnO异质结、超晶格结构和多量子阱。掺Mg可以使得ZnO的母体结构具有优异的光电性能,作为一种宽带隙调谐半导体,MgxZn1-xO膜已被认为是用于可调紫外检测器最有前途的UV光电材料。带隙能量与MgxZn1-xO薄膜中Mg含量的函数关系如图3所示[35]。Mg摩尔含量在小于37%时,MgxZn1-xO薄膜具有六方纤锌矿晶体结构,在大于62%是MgxZn1-xO薄膜具有立方晶体结构,在37%～62%时具有两者的混合相。ZnO掺杂Mg会导致带隙增大,在Mg的含量为49%时达到4.05 eV,光响应会转移到220～260 nm[36]。然而,Mg掺杂会导致电导逐渐减小,这削弱了SAW传感器中的声电相互作用。此外,当Mg的含量高于30%时,形成ZnO晶体结构中的许多缺陷(如残余应力、位错等),这导致光学性能降低[37]。Mg和Al原子同时掺杂ZnO有助于在宽范围内调节ZnO的光学性能。为了得到性能更好的ZnO薄膜,研究人员通过掺杂Al等金属,并利用退火等处理方式来进一步改进MgZnO薄膜的性能。Kutepov等研究了基于Zn1-x-yMgxAlyO薄膜的声表面波光电探测器,薄膜的电导率可在0.25×10-6～83×10-6 Ω/cm之间变化,器件对于紫外光十分敏感,在波长为248 nm的紫外照射下,器件具有0.1～0.2 ms的快速光电响应[38]。
其中:v0为原始的声波传播速度,k2为有效的机电耦合系数,λ为声波波长,L为延迟线的长度,σ和σm分别为材料的固有电导和表面电导。另一个角度解释基于SAW的紫外探测器的机理是光电容效应。Ciplys和Chivukula等发现紫外光照射IDT区域对SAW传输的影响要远大于相同尺寸区域光照两个IDT之间的声波传播路径区域,这个现象没法用上述声电效应解释。他们提出了一种基于光电容效应的新机制,并证明了紫外诱导的IDT电容变化对声表面波信号相位变化的影响。他们认为紫外光引起的相位变化应归因于光电容效应引起的IDT阻抗的变化,随着传感层中光激发载流子密度的增加,金属(叉指电极)-半导体(敏感膜)结的耗尽宽度减小,导致IDT电容增大。因此,可以通过UV照射改变IDT区域的电容来控制SAW相位,这种传感器对UV引起的传播特性的扰动非常敏感[10-11]。
本文编号：3062139
【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(07)北大核心
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
基于GaN薄膜SAW的光生载流子测量装置
为了进一步提高ZnO薄膜对紫外光的敏感程度,研究人员通过在ZnO薄膜上掺杂一些Ⅱ-Ⅲ族元素,例如Be,Mg,Cd,Al等。掺杂的ZnO薄膜可以将器件的暗电流降低几个数量级,而其光电流明显提高,从而可以提高光电转换效率及器件的灵敏度,这样可以制造具有大范围检测波长的高灵敏度声表面波UV探测器。目前,针对掺杂ZnO的SAW紫外探测器的研究主要集中在类MgZnO聚合物薄膜上,这是由于Zn2+(0.060 nm)与Mg2+(0.057 nm)的离子半径相似,因此Mg原子的替代在ZnO中不会引起很大的晶格常数的改变,使得这种材料适合用来制备MgxZn1-xO/ZnO异质结、超晶格结构和多量子阱。掺Mg可以使得ZnO的母体结构具有优异的光电性能,作为一种宽带隙调谐半导体,MgxZn1-xO膜已被认为是用于可调紫外检测器最有前途的UV光电材料。带隙能量与MgxZn1-xO薄膜中Mg含量的函数关系如图3所示[35]。Mg摩尔含量在小于37%时,MgxZn1-xO薄膜具有六方纤锌矿晶体结构,在大于62%是MgxZn1-xO薄膜具有立方晶体结构,在37%～62%时具有两者的混合相。ZnO掺杂Mg会导致带隙增大,在Mg的含量为49%时达到4.05 eV,光响应会转移到220～260 nm[36]。然而,Mg掺杂会导致电导逐渐减小,这削弱了SAW传感器中的声电相互作用。此外,当Mg的含量高于30%时,形成ZnO晶体结构中的许多缺陷(如残余应力、位错等),这导致光学性能降低[37]。Mg和Al原子同时掺杂ZnO有助于在宽范围内调节ZnO的光学性能。为了得到性能更好的ZnO薄膜,研究人员通过掺杂Al等金属,并利用退火等处理方式来进一步改进MgZnO薄膜的性能。Kutepov等研究了基于Zn1-x-yMgxAlyO薄膜的声表面波光电探测器,薄膜的电导率可在0.25×10-6～83×10-6 Ω/cm之间变化,器件对于紫外光十分敏感,在波长为248 nm的紫外照射下,器件具有0.1～0.2 ms的快速光电响应[38]。
其中:v0为原始的声波传播速度,k2为有效的机电耦合系数,λ为声波波长,L为延迟线的长度,σ和σm分别为材料的固有电导和表面电导。另一个角度解释基于SAW的紫外探测器的机理是光电容效应。Ciplys和Chivukula等发现紫外光照射IDT区域对SAW传输的影响要远大于相同尺寸区域光照两个IDT之间的声波传播路径区域,这个现象没法用上述声电效应解释。他们提出了一种基于光电容效应的新机制,并证明了紫外诱导的IDT电容变化对声表面波信号相位变化的影响。他们认为紫外光引起的相位变化应归因于光电容效应引起的IDT阻抗的变化,随着传感层中光激发载流子密度的增加,金属(叉指电极)-半导体(敏感膜)结的耗尽宽度减小,导致IDT电容增大。因此,可以通过UV照射改变IDT区域的电容来控制SAW相位,这种传感器对UV引起的传播特性的扰动非常敏感[10-11]。
本文编号：3062139
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