近年來TiO₂與ZnO等作為紫外探測材料已引起人們的關注。TiO₂是一種禁帶寬度較大的半導體材料，其銳鈦礦相TiO₂帶隙約為3.2eV，具有較高的載流子遷移率，能勝任高溫和腐蝕性環境，有利于制作高性能的紫外光電探測器；但因TiO₂ 禁帶寬度較寬，受激發產生的電子和空穴易復合而產生暗電流，進而影響其光電轉換效率。而ZnO作為一種直接帶隙寬禁帶化合物半導體材料，其禁帶寬度為3.37eV，且具有激子復合能量高(60meV)、電子誘生缺陷較低等優點，在紅外和可見光背景下探測紫外光具有特殊意義。實驗表明薄膜的光電性能與其化學組成、能帶結構、氧空位及結晶度緊密相關，單一薄膜的光電性能并不很理想，合適的金屬離子摻雜或將具有不同能級的半導體納米粒子復合在一起均可以提高電極的光電性能。Zn摻雜能夠改善TiO₂的能帶結構，Zn與TiO₂的復合結構電極可能會具有更好的光電轉換性能。本文利用射頻磁控濺射制備Zn摻雜TiO₂薄膜，并制成金屬-半導體-金屬(MSM)結構的光電導型探測器，研究TiO₂紫外探測器的紫外光響應。

1、實驗

1.1、TiO₂薄膜的制備

　　實驗采用沈陽科儀JGP型三靶共濺射高真空磁控濺射裝置，通過直流反應磁控濺射方法，先在Si襯底上鍍一層SiO₂ 絕緣層，然后在SiO₂表面上制備Zn摻雜TiO₂ 薄膜。實驗以含2%Zn的TiO₂陶瓷靶(純度99.9%)為靶材，靶面直徑為60mm、靶厚為3mm、Ar氣為濺射氣體、O2氣為反應氣體。實驗中反應壓強為0.8Pa、反應氧分壓比為10%、功率為150W、襯底溫度為300℃。每次濺射之前, 都預先在Ar氣中預濺射5min左右，以除去靶表面氧化物。薄膜的沉積時間為60min，沉積后的薄膜在600℃下退火60min。然后在制備好的TiO₂薄膜上濺射一層薄Au，Au膜厚為80nm左右，接著采用光刻技術得到Au叉指電極，電極指長為2mm，指寬為20μm，指間隔為20μm，光敏面積為4×5 mm²。MSM光導型TiO₂紫外探測器的結構如圖1所示。

圖1 MSM TiO₂紫外探測器結構示意圖

1.2、TiO₂薄膜的表征

　　薄膜的厚度用AMBIOS XP-1型臺階儀測試；晶體結構由SHIMADZU XRD-7000型X射線衍射儀測試；TiO₂薄膜的表面微觀形貌與粗糙度分別由JSM- 6330E型場發射掃描電鏡及CSPM- 4000型掃描探針觀測；其紫外吸收光譜用UNICO UV-2100型紫外可見光分光光度計測試；TiO₂紫外探測器的光電特性由Agilent E5272A半導體參數測試儀測量。

2、結果與討論

2.1、TiO₂薄膜晶體結構

　　圖2 為經600℃退火的Zn摻雜TiO₂薄膜XRD圖譜，從圖2可以看出，在34.6°處出現ZnO的(002)衍射峰，薄膜為c軸擇優取向生長(c軸垂直于襯底表面)，這是由于ZnO(002)晶面具有最低的表面自由能，而薄膜晶向沿較低表面自由能方向擇優生長，易形成(002)晶面。薄膜中有TiO₂銳鈦礦晶向的衍射峰A(101)、A(004)出現，且衍射峰很明顯，說明薄膜為TiO₂與ZnO的復合結構。且根據臺階儀測得復合薄膜的厚度為362nm。

圖2 TiO₂薄膜的XRD圖譜

2.2、TiO₂ 薄膜的表面形貌

　　圖3、圖4 分別為Zn摻雜TiO₂薄膜表面形貌與AFM圖，圖中可以看出薄膜表層TiO₂為多孔結構，結晶度很好，沒有明顯的團聚現象，其平均顆粒大小約為60nm，表面粗糙度為14.8nm。薄膜表面粗糙度的提高使薄膜留有大量孔洞，孔隙的存在可以使電子深入電極深層，從而使光電轉換過程能持續進行。

圖3 TiO₂薄膜的SEM圖 圖4 TiO₂ 薄膜的AFM圖