劉振吉，楚 盛，楊永輝，劉 金，袁小兵

（1.中國(guó)工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川 綿陽(yáng) 621900；2.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275）

日盲型MgZnO紫外光傳感器研制及性能分析

劉振吉1，楚 盛2，楊永輝1，劉 金1，袁小兵1

（1.中國(guó)工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川 綿陽(yáng) 621900；2.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275）

紫外探測(cè)虛警率低，不受熱噪聲影響，可以與紅外探測(cè)及雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合，在火力探測(cè)及預(yù)警領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。該文采用分子束外延法，通過(guò)控制Mg源、Zn源和藍(lán)寶石襯底的溫度變化，制備一種MgZnO日盲型紫外探測(cè)傳感器。對(duì)其紫外光譜透光率、響應(yīng)率和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用氘燈作為紫外光源，對(duì)MgZnO紫外探測(cè)傳感器進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到響應(yīng)電壓和日盲波段響應(yīng)率。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)器制備工藝，提高探測(cè)器響應(yīng)面積和響應(yīng)率，有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的火力探測(cè)和預(yù)警。

MgZnO；紫外探測(cè)；日盲；光響應(yīng)率；火力探測(cè)；紫外告警

0 引 言

攻防對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展在軍事領(lǐng)域備受關(guān)注，隨著飛機(jī)、艦艇、裝甲車等各類作戰(zhàn)平臺(tái)裝備的更新?lián)Q代，導(dǎo)彈準(zhǔn)確打擊技術(shù)日新月異，與之相對(duì)的各類預(yù)警、探測(cè)技術(shù)也不斷完善。雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、紅外探測(cè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，但仍有局限性，如雷達(dá)探測(cè)面臨隱身技術(shù)會(huì)造成漏警，紅外探測(cè)需要制冷、虛警率高。自20世紀(jì)中葉開始，美國(guó)使用地基及空基探測(cè)器測(cè)量發(fā)射導(dǎo)彈的紫外光譜，開展了彈道導(dǎo)彈的紫外探測(cè)研究和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，直到20世紀(jì)80年代，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了導(dǎo)彈紫外預(yù)警的可行性[1]。紫外探測(cè)器虛警率低，不受熱噪聲影響，不需要制冷，有利于探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)小型化。自20世紀(jì)80年代中末期，美國(guó)Loral公司推出了世界上第一臺(tái)紫外預(yù)警AAR-47后，紫外預(yù)警的發(fā)展經(jīng)歷了概略型和成象型兩代革新，國(guó)內(nèi)也研制出了日盲紫外告警系統(tǒng)。但是這些告警系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)日盲性，需配套復(fù)雜的光學(xué)部件。隨著新材料、新工藝等技術(shù)的進(jìn)步，第3代寬禁帶半導(dǎo)體由于禁帶寬度較寬（2.5～6.2eV），使得制造“日盲”紫外探測(cè)器成為可能。

1 日盲區(qū)

在12 km以下近地空間，大氣臭氧層對(duì)波長(zhǎng)290nm以下的紫外光吸收強(qiáng)烈，使得該波段的太陽(yáng)紫外輻射難以到達(dá)近地表面，受日光和空氣中背景散射的影響小[2]。通常將太陽(yáng)光輻射極少到達(dá)地球表面的中紫外光譜區(qū)稱為“日盲區(qū)”，“日盲區(qū)”沒(méi)有嚴(yán)格的定義，不同文獻(xiàn)有不同描述，有200～300 nm[2]，200～290 nm[3]，220～280 nm[4-5]，240～280 nm[6]等，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示279～281nm是日盲區(qū)的截止上限[7]。

2 MgZnO薄膜制備

當(dāng)前全固態(tài)紫外探測(cè)器主要有ZnMgO/ZnO、金剛石、Si、SiC、AlGaN/GaN等[8-9]。其中ZnO的禁帶寬度為3.3eV，在摻Mg后可調(diào)制禁帶寬度到7.7eV，最高可達(dá)60eV的激子結(jié)合能，因此MgZnO薄膜制備是研制高響應(yīng)率日盲紫外探測(cè)器的重要方向。

要研制探測(cè)能力高、波長(zhǎng)選擇性強(qiáng)的日盲型紫外傳感器，前提是獲得禁帶寬度適當(dāng)、電阻率高的MgZnO薄膜。采用分子束外延法制備MgZnO薄膜，通過(guò)調(diào)整摻Mg比例，使薄膜達(dá)到日盲要求。該方法在許多文獻(xiàn)中都有介紹[10]，在實(shí)驗(yàn)室中使用一臺(tái)美國(guó)SVTA分子束外延系統(tǒng)（型號(hào)：35-V-3；規(guī)格：背景真空＜8×10-11Torr，1Torr≈133.322Pa）在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)MgZnO薄膜。薄膜生長(zhǎng)步驟簡(jiǎn)述如下：

1）將清洗潔凈的2英寸（1英寸=0.0254m）大藍(lán)寶石襯底放入生長(zhǎng)室，抽真空至1×10-10Torr以下；

2）高溫預(yù)退火，溫度800℃，時(shí)間20min；

3）將襯底溫度降低到400℃，同時(shí)將Mg源溫度升高到450℃，打開Mg源進(jìn)行一層MgO緩沖層的生長(zhǎng)，時(shí)間30s；

4）將Zn源溫度升高到360℃，打開Zn源進(jìn)行一層ZnO緩沖層的生長(zhǎng)，時(shí)間30s；

5）將襯底溫度升高到600～750℃，打開Zn、Mg源和氧氣離子源進(jìn)行主MgZnO層的生長(zhǎng)，通過(guò)控制Zn、Mg源的閥門開度可控制Zn、Mg組分比例，時(shí)間為3h；

6）生長(zhǎng)完畢后，關(guān)閉Zn、Mg源，并將襯底溫度緩慢下降到室溫；

7）打開生長(zhǎng)室，取出樣品。

生長(zhǎng)完成的樣品如圖1所示，MgZnO薄膜在日光下是無(wú)色透明的。

用一臺(tái)島津紫外-可見光光譜儀對(duì)薄膜樣品進(jìn)行透光性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖中樣品1、樣品2、樣品3分別指生長(zhǎng)溫度為600，700，750℃的薄膜產(chǎn)品，可看出樣品1透射率的邊緣值在240～280 nm范圍內(nèi)，達(dá)到了日盲性要求。

圖1 MgZnO薄膜

圖2 MgZnO薄膜透光率測(cè)試結(jié)果

3 傳感器制作

3.1 在薄膜上沉積電極

在日盲型MgZnO薄膜上沉積電極是加工光電探測(cè)傳感器必不可少的步驟，光電導(dǎo)型探測(cè)器常用的電極形式為叉指式電極，加工這種電極的步驟是：

1）在鍍鉻的玻璃板上做出叉指式明暗圖樣的掩模版；

2）使用該掩模版在Karl Suss MA-6紫外曝光機(jī)上進(jìn)行光刻，光刻時(shí)需要在MgZnO薄膜上旋涂厚度為1.6μm的S1813光刻膠材料；

3）使用曝光機(jī)曝光后，樣品使用專用顯影液去除被紫外光照射過(guò)的光刻膠部分；

4）將樣品放入電子束真空沉積爐，為樣品鍍10nm鈦和200nm金膜；

5）將樣品取出后用丙酮去除所有光刻膠，這樣就在MgZnO薄膜上制作成陣列式的叉指式電極。

3.2 傳感器測(cè)試工裝

電極沉積后，測(cè)試中仍很難在金屬薄膜電極上接線，因此需將樣品放置在一個(gè)PCB板上。如圖3所示，中間部分是一個(gè)MgZnO晶片，面積約為1cm2，其中單個(gè)探測(cè)器樣品的長(zhǎng)為375 μm寬為300 μm，其上可見陣列型的叉指式電極。PCB板外圍為一圈接線點(diǎn)，方便連線。每個(gè)探測(cè)器有正負(fù)兩極，探測(cè)器可以單個(gè)使用也可并聯(lián)使用。使用超聲絲焊機(jī)將探測(cè)器樣品上的電極與PCB板上的接線點(diǎn)連接起來(lái)，方便外圍電路連接器件。

圖3 傳感器封裝實(shí)物圖

圖4 4種紫外探測(cè)器的歸一化響應(yīng)譜

4 傳感器性能測(cè)試

4.1 響應(yīng)率測(cè)試

采用450 W的氙燈、單色儀及顯微鏡探針臺(tái)組成的光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行光響應(yīng)性能測(cè)試，其中單色光的光功率由紫外增強(qiáng)Si功率計(jì)標(biāo)定。

圖4為基于4種MgZnO薄膜樣品制備的4種紫外探測(cè)器的歸一化響應(yīng)譜。從圖中可以看出，ZnO的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為360nm，落在了UV-A紫外波段，其響應(yīng)譜延續(xù)到了深紫外波段。Mg0.42Zn0.58O的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為288nm，落在了UV-B紫外波段，響應(yīng)截止波長(zhǎng)為305 nm，整個(gè)響應(yīng)譜橫跨UV-B和UV-C兩個(gè)波段。Mg0.51Zn0.49O的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在264 nm，落在UV-C日盲波段，響應(yīng)截止邊在280 nm，也在日盲區(qū)域，響應(yīng)譜覆蓋了整個(gè)日盲波段。Mg0.50Zn0.50O響應(yīng)峰在235 nm，響應(yīng)截止邊在250 nm，響應(yīng)譜完全落在日盲波段。Mg0.51Zn0.49O的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[4]中采用同樣比例的Mg0.51Zn0.49O測(cè)試數(shù)據(jù)相比，效果相對(duì)更優(yōu)，后者的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在250 nm，響應(yīng)截止邊在273nm。

在10V偏壓下，上述4種傳感器樣品的響應(yīng)率測(cè)試結(jié)果詳見表1。

表1 4種紫外光傳感器響應(yīng)率測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果，Mg0.51Zn0.49O從日盲特性和對(duì)紫外光的響應(yīng)率兩個(gè)方面綜合來(lái)看是較理想的日盲型紫外探測(cè)傳感器材料。

4.2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

對(duì)Mg0.51Zn0.49O的響應(yīng)時(shí)間特性進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，能夠滿足大多數(shù)告警探測(cè)系統(tǒng)對(duì)日盲型紫外探測(cè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間要求。

4.3 探測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

關(guān)于紫外光輻射量值傳遞及定標(biāo)測(cè)試方法有文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹[11-13]，在此設(shè)計(jì)了一個(gè)探測(cè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)MgZnO薄膜Mg0.51Zn0.49O制備的傳感器在日盲波段的實(shí)際探測(cè)能力。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，儀器設(shè)備包含UVTOUCH紫外光輻射計(jì)（配UVC波段探頭）、直流穩(wěn)壓電源、電流電壓表、紫外光源氘燈DX227-05J（含電源板PSD185，光譜分布范圍190～600 nm）和信號(hào)放大電路板（將電流信號(hào)放大為電壓信號(hào)，匹配電阻為1 MΩ，放大倍數(shù)106）等。保持傳感器樣品與氘燈距離20mm，感光面正對(duì)氘燈出光點(diǎn)，保持位置固定。用直流穩(wěn)壓電源給信號(hào)放大電路板供電，傳感器樣品的正負(fù)極通過(guò)信號(hào)放大電路板連接至電流電壓表。將氘燈點(diǎn)亮穩(wěn)定10 s后，記錄電流電壓表顯示的響應(yīng)電壓值為36.7 mV。UVTOUCH紫外光輻射計(jì)（配UVC波段100～280nm探頭）測(cè)得傳感器位置處的紫外光輻射照度1.75W/m2，波長(zhǎng)范圍僅限于190～280nm，接近日盲波段。

圖5 紫外探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間特性

根據(jù)光輻射亮度E、光通量lm、傳感器波段平均響應(yīng)率S、響應(yīng)面積A等相關(guān)定義可得：

式中：U——響應(yīng)電壓；

R——匹配電阻；

A=0.11mm2——單個(gè)探測(cè)器樣品有效響應(yīng)面積。

由式（2）可得波段平均響應(yīng)率：

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)獲得的傳感器樣品在近日盲波段的平均響應(yīng)率接近其峰值響應(yīng)率0.21A/W，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與響應(yīng)率測(cè)試結(jié)果符合性較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用分子束外延法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)MgZnO薄膜，通過(guò)調(diào)節(jié)主MgZnO層的生長(zhǎng)溫度可以控制薄膜的透射率截止波長(zhǎng)，在生長(zhǎng)主MgZnO層過(guò)程中通過(guò)控制Zn、Mg源的閥門開度可控制Zn、Mg組分比例。通過(guò)對(duì)MgZnO薄膜及由其制備的紫外光傳感器的性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可知在主MgZnO層的生長(zhǎng)溫度為600℃，Mg組分為51%，Zn組分為49%的情況下可獲得日盲型紫外探測(cè)傳感器。此外封裝工藝還需改進(jìn)，MgO遇到空氣中的水容易水解，需要鍍一層SiO2或Al2O3材料進(jìn)行保護(hù)?？蛇M(jìn)一步挖掘工藝潛力，提高M(jìn)gZnO薄膜對(duì)日盲波段紫外光的響應(yīng)率和工藝一致性，有望用于火力探測(cè)。

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Preparation and performance analysis of solar-blind MgZnO ultraviolet sensor

LIU Zhenji1，CHU Sheng2，YANG Yonghui1，LIU Jin1，YUAN Xiaobing1
（1.Institute of Computer Application，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China；2.School of Physics and Engineening，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China）

Ultraviolet detection had a broad application prospect of fire detection and warning。Ultraviolet detection had low false rate and nor heatednoise influence，it can be combined with infrared detection and radar detection.With the development of new materials and techniques，the military application of ultraviolet detection will be more widely.Using molecular beam epitaxy prepared a MgZnO ultraviolet detection sensor by controling the temperature of Mg source，Zn source and the sapphire substrate.It’s ultraviolet spectrum light transmittance，response rate and response time wasmeasured.Using deuterium lamp asa ultravioletlightsource，detection experiment for MgZnO ultraviolet detection sensor was carried out，the response voltage and solar blind wave band response rate was measured.It’s expected to achieve long-range fire detection and warning，by optimizing the preparation technology and improving the response area and rate of the MgZnO ultraviolet detection sensor.

MgZnO；ultraviolet detection；solar blind；spectral responsivity；firepower detection；UV warning

A

：1674-5124（2015）07-0064-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.015

2015-02-01；

：2015-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（11204097）中物院高新裝備中心項(xiàng)目（2014GX0112）

劉振吉（1974-），男，山東濰坊市人，副研究員，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。