氧化镁薄膜的精密加工：通过钇掺杂优化其结构、光学及光电性能，以实现紫外光检测应用

Y掺杂对MgO薄膜结构和光学性能的影响及MOS Schottky二极管应用研究。通过JNSP技术制备3%、5%、7% Y掺杂MgO薄膜，XRD显示3%样品为非晶态，5%达到最高结晶度，7%时晶格重构。FESEM证实表面粗糙度随Y浓度增加先升后降。UV-Vis分析表明5% Y样品带隙最大为3.65eV，7%时最小为3.35eV。采用7% Y掺杂MgO制备Cu/MgO+Y/n-Si Schottky二极管，在紫外光照下展现8.2mA/cm2的光电流响应和4.3×10?? J·s?1·cm?2的光电导，证实Y掺杂可优化MgO薄膜光电特性，为新型紫外探测器奠定基础。

　　

G. Alan Sibu | V. Balasubramani | D. Siva Priya | S. AlFaify | Mohd Shkir

印度泰米尔纳德邦金卡利德大学（King Khalid University）医学与技术科学学院（Saveetha Institute of Medical and Technical Sciences）Saveetha工程学院（Saveetha School of Engineering）物理系，邮编602105

摘要

本研究系统地探讨了钇（Y）掺杂对通过经济高效的喷射雾化喷雾热解（Jet Nebulizer Spray Pyrolysis, JNSP）技术制备的氧化镁（MgO）薄膜的结构、形态、光学和光电性能的影响。在保持450°C恒定沉积温度的情况下，精确调整了钇的掺杂浓度（分别为3 wt%、5 wt%和7 wt%）。XRD分析显示，掺杂诱导了关键的结构相变：3 wt%的样品呈现非晶态结构，而较高浓度（5 wt%和7 wt%）则形成了多晶结构。值得注意的是，5 wt%掺杂的薄膜具有最高的结晶度。FESEM观察进一步证实了这一结构演变，即从3 wt%时的粗糙团聚形态发展为5 wt%和7 wt%时的光滑均匀表面。EDX和XPS验证了成分的完整性和钇的有效掺入。UV-Vis光谱表明，钇掺杂有效调节了薄膜的光学响应，其中5 wt%的薄膜具有最高的带隙，7 wt%的薄膜带隙最低。为了展示实际应用潜力，选择了7 wt%的MgO+Y薄膜来制备Cu/MgO+Y/n-Si MOS肖特基势垒二极管。该器件在光照下表现出良好的光敏性和响应性，验证了掺杂MgO薄膜在下一代紫外光电探测器及其他高性能光电应用中的适用性。

引言

金属氧化物半导体（MOS）肖特基势垒二极管是一种结合了肖特基二极管和MOS结构特性的多功能器件。它具有独特的电气特性，适用于电力电子、射频和微波、传感器、模拟数字电路以及能量收集等多种应用。与传统p-n结二极管不同，MOS肖特基二极管依赖于金属-半导体结，从而形成所谓的肖特基势垒。通过调节栅极电压，可以调整二极管的特性，实现低正向电压降、快速开关速度和降低反向漏电流。MOS肖特基二极管的结构比MIS二极管更复杂，多了一个金属栅极层[[1], [2]]。未来的研究趋势包括探索新材料、开发先进的制造技术、与新兴技术集成以及研究新的介电材料。尽管如此，持续的研发预计将进一步提升MOS肖特基势垒二极管的性能并扩展其应用范围[[3], [4]]。

MgO是一种在光电领域具有革命性的材料。在MOS结构中，MgO作为界面层发挥着重要作用。通过减少缺陷并改善电气特性，MgO能够实现半导体与金属之间的高质量接口。与其他传统宽禁带半导体（如GaN [5]、SrTiO₃ [6]和Bi₂Se₃ [7]）相比，MgO具有高热稳定性、化学惰性、低介电损耗以及丰富的地球资源等优点。虽然GaN具有优异的紫外敏感性，但通常需要高温生长和昂贵的衬底；SrTiO₃和Bi₂Se₃虽然具有有趣的界面和拓扑特性，但合成过程复杂且缺陷可调性有限。相比之下，MgO可以通过JNSP等经济高效的溶液法合成，并且其光电性能可通过可控掺杂和缺陷工程进行调节。这些特性使得MgO成为低成本、可扩展的紫外光电探测器的理想材料。

本研究中通过控制掺杂和优化Y掺杂的MgO，精确调控了功能性薄膜的结构和电子特性，这对下一代光电器件的开发至关重要。类似的材料设计严谨性已在多种薄膜技术中推动了重大进展。例如，关于聚偏二氟乙烯（PVDF）及其复合系统的最新研究表明，包括旋涂条件、电极溅射和纳米点耦合在内的微观和纳米尺度上的加工控制对于提升纳米发电机和非易失性存储器的压电和铁电性能至关重要[[8], [9], [10]]。同样，对Ag/PVDF和PVDF/Au多层结构中的电荷传输和高压电阻切换的详细研究强调了界面工程和电极选择对器件功能性的重要性[[11], [12]]。这些先进薄膜系统的综合见解强调了精心设计的合成控制、缺陷管理和界面优化对于高性能电子和光子器件的重要性。这一观点支持并验证了我们系统优化MgO+Y界面层的方法，从而提高了电荷传输效率和紫外光检测性能。MgO的独特性质也使其成为光电应用中的理想材料，其独特特性可用于开发创新器件和系统。

钇掺杂MgO可以改变其电学和光学性能，引入特定的光学跃迁并提高稳定性。然而，实现均匀掺杂并控制氧化物层中钇原子的分布对器件性能至关重要。钇是一种相对丰富的稀土元素，商业上以硝酸钇的形式出售，成本适中，常用于电子材料的掺杂。在本研究中，钇仅以少量（3–7 wt%）作为掺杂剂使用，对其整体材料成本的影响可以忽略不计。通过优化MgO的性能并探索钇掺杂的潜力，研究人员可以开发出更高效、更可靠的光电器件[13]。这可能在显示技术、光通信甚至可再生能源等领域带来突破。MgO在塑造光电未来方面具有巨大潜力。

JNSP技术在制备MOS肖特基势垒二极管（MOS SBDs）时具有多项优势，尤其是在形成氧化物界面层方面，优于其他喷涂方法（如自动喷涂[14]）。JNSP可实现均匀的薄膜沉积，确保整个基底上MgO薄膜质量的一致性，这是实现可重复器件性能的关键因素。这种均匀性直接提升了对氧化物电学特性的控制，如介电常数和界面陷阱密度[15]，这些参数对SBD的运行至关重要。JNSP的高沉积速率显著缩短了制备时间，提高了整体效率和产量[16]。此外，JNSP是一种成本效益高的替代方案，适用于大规模生产MOS肖特基势垒二极管。其简单性、低成本、多功能性以及通过调整前驱体浓度、基底温度和喷射速率等参数精确控制薄膜特性的能力是JNSP的主要优势[17]。

然而，要制备完整的MOS肖特基势垒二极管，还需要沉积金属层以形成肖特基接触。为此，通常使用直流（DC）溅射技术。DC溅射是一种高度可控且可重复的方法，可用于沉积铜、铂、金和铝等常用作肖特基金属的薄膜。该过程涉及用氩离子轰击靶材，使原子喷射并沉积到基底上[18]。这种技术能够精确控制薄膜厚度、均匀性和纯度，这些都是实现高质量肖特基接触的关键。JNSP与DC溅射的结合使得能够制备高性能的MOS结构肖特基势垒二极管。

本研究旨在合成高质量的Y掺杂MgO薄膜并制备相应的MOS二极管。在450°C的固定基底温度下，使用0.4 M的MgO前驱体，通过JNSP沉积了掺杂浓度分别为3 wt%、5 wt%和7 wt%的薄膜。对所得MgO+Y薄膜进行了结构（XRD）、形态（FE-SEM）、成分（EDX）和化学（XPS）分析，以确认结晶度、表面特征、元素分布和钇的掺入情况。同时评估了它们的光学性能，包括带隙、吸收系数、消光系数、光电导率和折射率。基于这些评估结果，选出了最适合制备MOS二极管的薄膜，并分析了关键的光电参数（n、Φ_B、R、P_S、QE和D*）。本研究建立了一种系统的方法，用于开发具有先进光电应用潜力的Y掺杂MgO MOS二极管。

实验部分

涂层前驱体溶液是通过将钇以3%、5%和7%的不同重量百分比掺入MgO中制备的，如图1所示。按正确比例取源材料和掺杂材料，并持续搅拌直至获得澄清溶液，然后使用JNSP技术进行涂层制备。详细的实验过程包括薄膜涂层、硅片清洗和二极管制备，以及相应的仪器示意图。

XRD分析

XRD图谱显示了掺杂不同百分比钇（3%、5%和7%）的MgO薄膜的晶体结构，如图5所示。图中的峰对应于材料中的特定晶面。标记的峰（200）和（220）表明存在MgO，与G. Alan Sibu等人之前关于MgO摩尔变化的研究[20]中报告的JCPDS卡片编号27-0759一致，证实了其立方结构。3%掺杂的样品呈现出非常宽且强度较低的谱线。

结论

本研究成功制备了通过JNSP技术掺杂的MgO薄膜，并展示了其在紫外光电器件中的应用潜力。结构、形态、光学和成分分析（XRD、FESEM、UV-Vis、EDX和XPS）表明，钇掺杂显著影响了MgO的结晶度、带隙和缺陷特性。其中，5 wt%掺杂的薄膜具有最高的结晶度和相对较宽的带隙。

CRediT作者贡献声明

G. Alan Sibu：撰写初稿、方法论设计、数据整理。 V. Balasubramani：撰写、审稿与编辑、验证、监督、实验研究。 D. Siva Priya：撰写、审稿与编辑、验证、形式分析。 S. AlFaify：撰写、审稿与编辑、形式分析。 Mohd Shkir：撰写、审稿与编辑、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢金卡利德大学的研究与研究生院通过大型研究项目（项目编号RGP2/647/46）对本研究的资助。