短波長光電子與Si微電子的集成因其重大的應(yīng)用價(jià)值而被廣泛關(guān)注，其中硅基ZnO材料與光電子器件研究是目前國際上的一個(gè)重要課題，然而Si基高質(zhì)量ZnO單晶材料的制備、器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等問題具有很大的挑戰(zhàn)性。這是由于Si表面具有很強(qiáng)的活性，極易形成無定形的氧化物與硅化物，阻礙ZnO的外延生長。另外，由于Si的能帶結(jié)構(gòu)與ZnO不匹配，難以獲得理想的光電子器件性能。因此，如何控制Si襯底表面和ZnO/Si異質(zhì)界面，并設(shè)計(jì)出新型器件結(jié)構(gòu)已成為這一研究方向的核心科學(xué)問題。

　　自2004年起，該組梅增霞副研究員和博士生王喜娜、王勇等系統(tǒng)研究了Si(111)-7x7清潔表面上金屬M(fèi)g薄層的沉積工藝，發(fā)現(xiàn)只有在低溫下才能抑制Si與Mg原子的界面互擴(kuò)散而形成Mg（0001）單晶薄膜。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該單晶Mg膜可通過活性氧處理形成巖鹽相的MgO（111）超薄膜，從而為兩步法外延生長ZnO提供了良好的模板。他們通過一系列生長參數(shù)的優(yōu)化，利用MBE法最終在2英寸Si芯片上制備出高質(zhì)量的ZnO單晶薄膜，其結(jié)晶性和光電性能等綜合指標(biāo)居國際領(lǐng)先水平。相關(guān)論文被美國Applied Physics Letters的審稿人評為最高級的“EXCELLENT”[APL，90,151912 (2007)]。評語中指出，這是一項(xiàng)杰出的研究工作，論文以確鑿的證據(jù)展示了一種在Si襯底上制備ZnO單晶薄膜的機(jī)理與方法，而且所述利用Mg氧化獲得MgO的界面技術(shù)可應(yīng)用到其它硅基異質(zhì)膜的制備中。這一獨(dú)創(chuàng)性的低溫界面工程技術(shù)已申請國際專利一項(xiàng)、國內(nèi)專利兩項(xiàng) [其中一項(xiàng)已獲授權(quán) (ZL2006100649 77.5)]。這一工作是與清華大學(xué)的薛其坤院士、賈金鋒教授、北京工業(yè)大學(xué)的張澤院士以及中科院上海技物所的陸衛(wèi)研究員課題組合作完成的。

圖片來源：中國科學(xué)院北京分院網(wǎng)站

　　在Si基ZnO單晶薄膜制備工藝獲得突破的基礎(chǔ)上，杜小龍研究組進(jìn)一步開展了Si基ZnO光電子器件應(yīng)用研究。最近，該組的郭陽副研究員和張?zhí)鞗_博士生等與微加工實(shí)驗(yàn)室的顧長志研究組合作，設(shè)計(jì)并制備了一種新型n-ZnO/i-MgO/p-Si雙異質(zhì)結(jié)p-i-n可見盲紫外探測器原理型器件。該器件具有良好的pn結(jié)整流特性，在±2V時(shí)的整流比達(dá)到104以上。研究發(fā)現(xiàn)ZnO/Si中間插入的MgO勢壘層有效地抑制了硅對可見光的響應(yīng)，器件只對高于ZnO帶隙（380nm）的紫外光響應(yīng)，因而具有可見盲紫外光探測功能。與市面上銷售的硅紫外光電探測器相比，該器件充分利用了寬帶隙ZnO卓越的光電性能，紫外光響應(yīng)強(qiáng)，并可直接在可見光背景下工作，不需要濾光系統(tǒng)來屏蔽可見光的響應(yīng)，因而具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)器件的制備技術(shù)已申請國家發(fā)明專利（申請?zhí)? 200810227958.9），相關(guān)研究工作最近已發(fā)表在應(yīng)用物理快報(bào)上[APL, 94, 113508 (2009)]。由于ZnO的生長溫度較低可以與成熟的Si平面工藝兼容，因此Si基ZnO體系可提供一種將電學(xué)、光學(xué)以及聲學(xué)器件進(jìn)行單片集成的途徑，潛在應(yīng)用價(jià)值巨大。

　　該項(xiàng)研究獲得中科院知識(shí)創(chuàng)新工程課題、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目以及科技部項(xiàng)目等資助。