ZnO基光電子學及透明電子學是近年來信息和材料科學領域的研究熱點。理論上通過Mg、Be等元素的摻雜，ZnO基合金的禁帶寬度能在很寬波段范圍內進行調諧，如通過調整MgxZn1-xO中的Mg組分，其帶隙可在3.37~7.8eV（368~159nm）范圍內調控，從而可覆蓋280~220nm日盲波段，成為繼AlGaN后又一重要的日盲紫外探測材料。作為核心元器件的日盲紫外探測器在多個領域具有重要應用價值，是目前光電子高技術領域的一個研發重點。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）杜小龍研究組（E04）持續開展了日盲MgZnO單晶薄膜的電性調控及雙色/多色探測性能的探索等一系列研究工作，獲得了一些重要進展。利用能帶工程，他們在藍寶石、硅襯底上均獲得了鎂組分達到50%以上的單一纖鋅礦相W-MgZnO單晶薄膜，在MgO（100）襯底上外延生長了Zn組分高達70%的單一巖鹽礦相RS-Zn0.7Mg0.3O單晶薄膜，這些材料的帶隙均處于日盲紫外這一重要波段。由于非摻雜薄膜均呈半絕緣性，為改善其導電性，亟需通過n型摻雜來提高其背景電子濃度。而常規的Al/Ga/In III族元素摻雜效率非常低，無法實現載流子的調控，這是因為隨著Mg組分增大到40%及以上時，Al/Ga/In施主的能級快速變深，在常溫下無法電離。因此，日盲MgZnO單晶薄膜的n型摻雜是影響其光電子器件應用的難點。梅增霞、劉利書、侯堯楠、梁會力等通過自行提煉粗純ZnF2粉末，獲得了高純的ZnF2顆粒作為摻雜物，利用rf-MBE法成功地在日盲W-MgZnO單晶薄膜中實現了有效的F摻雜，研究表明替氧位的FO在日盲W-MgZnO中是淺施主，并具有兩個能級，分別為17meV及74meV，對應著兩種元胞構型。在F摻雜濃度為1.0×1019cm-3時，電子載流子濃度為2.9×1017cm-3，與非摻雜樣品相比導電率提高了4個量級。該摻雜技術有效解決了日盲W-MgZnO單晶薄膜的導電性問題，相關紫外探測器性能獲得了大幅提高。部分結果發表在近期的Scientific Reports上【Sci. Rep. (2015) 5, 15516】。
紫外雙色及多色探測因其非常重要的應用價值而受到了廣泛關注，課題組利用前期在紫外MgZnO材料及器件方面的堅實基礎開展了MgZnO基雙色【Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 153510】及多色【Appl. Phys. Lett.(2014) 105, 133510】紫外探測器的原型器件的研制工作，均獲得了重要進展。通過設計含有不同Mg組分的多層MgxZn1-xO膜結構，利用Si襯底與MgZnO外延層能帶偏移形成的非對稱勢阱，構建了一種新穎的制作紫外區可控雙色探測器的技術方案，通過改變工作偏壓的極性，就可以獲取日盲區或者光盲區不同的紫外光信號，從而實現了Si基單片集成雙色紫外探測器原型器件的制作。為了實現單芯片多波段紫外探測功能，他們在ZnO襯底上外延生長了Mg組分漸變的MgZnO外延薄膜，為過濾掉ZnO襯底的光響應，在沉積MgZnO之前外延了BeO緩沖層，利用其大的介電常數及致密性等優點，成功地阻擋了ZnO光電流的向上輸運，結合帶隙漸變的W-MgZnO薄膜，可以方便地利用偏壓來選擇探測波段，實現多色紫外波段的探測功能。APL的審稿人高度評價了這一新原理多色探測器件，認為該方法可以成為未來器件設計的范式。
上述工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的項目資助。其中器件研制工作是與微加工實驗室的顧長志研究組合作完成，SIMS及變溫霍爾測試結果是在挪威奧斯陸大學Andrej Kuznetsov組獲得。
圖1. W-Mg0.51Zn0.49O:F單晶薄膜外延生長的RHEED原位觀察圖、薄膜的XRD掃描結果、F含量的SIMS測試結果以及薄膜的變溫霍爾測試結果【Sci. Rep. (2015) 5, 15516】。
圖2. MgZnO可見盲/日盲雙色紫外探測器的研制與研究：（a）器件結構示意圖；（b）薄膜生長原位RHEED圖片；（c）正向及負向偏壓下雙色紫外探測器的光響應譜；（d）多層MgxZn1-xO外延薄膜與Si襯底能帶偏移形成的非對稱勢阱結構示意圖【Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 153510】。
圖3. MgZnO單芯片日盲-紫外多色探測器的研制與研究：（a）器件結構示意圖；（b）薄膜生長原位RHEED圖片；（c）薄膜原子力顯微照片；（d）TiAu叉指電極顯微照片；（e）0V偏壓下探測器光響應譜；（f）光電流隨外加偏壓的變化曲線；（g）光響應峰值波長及峰值電流隨外加偏壓的變化曲線；（h）不同偏壓下電場分布的擬合結果及探測器的能帶結構示意圖【Appl. Phys. Lett. (2014) 105, 133510】。