短波長光電子與Si微電子的集成因其重大的應用價值而被廣泛關注，其中硅基ZnO材料與光電子器件研究是目前國際上的一個重要課題，然而Si基高質量ZnO單晶材料的制備、器件結構的設計等問題具有很大的挑戰性。這是由于Si表面具有很強的活性，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的能帶結構與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異質界面，并設計出新型器件結構已成為這一研究方向的核心科學問題。

　　自2004年起，該組梅增霞副研究員和博士生王喜娜、王勇等系統研究了Si(111)-7x7清潔表面上金屬Mg薄層的沉積工藝，發現只有在低溫下才能抑制Si與Mg原子的界面互擴散而形成Mg（0001）單晶薄膜。進一步研究發現，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的優化，利用MBE法最終在2英寸Si芯片上制備出高質量的ZnO單晶薄膜，其結晶性和光電性能等綜合指標居國際領先水平。相關論文被美國Applied Physics Letters的審稿人評為最高級的“EXCELLENT”[APL，90,151912 (2007)]。評語中指出，這是一項杰出的研究工作，論文以確鑿的證據展示了一種在Si襯底上制備ZnO單晶薄膜的機理與方法，而且所述利用Mg氧化獲得MgO的界面技術可應用到其它硅基異質膜的制備中。這一獨創性的低溫界面工程技術已申請國際專利一項、國內專利兩項 [其中一項已獲授權 (ZL2006100649 77.5)]。這一工作是與清華大學的薛其坤院士、賈金鋒教授、北京工業大學的張澤院士以及中科院上海技物所的陸衛研究員課題組合作完成的。

圖片來源：中國科學院北京分院網站

　　在Si基ZnO單晶薄膜制備工藝獲得突破的基礎上，杜小龍研究組進一步開展了Si基ZnO光電子器件應用研究。最近，該組的郭陽副研究員和張天沖博士生等與微加工實驗室的顧長志研究組合作，設計并制備了一種新型n-ZnO/i-MgO/p-Si雙異質結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結整流特性，在±2V時的整流比達到104以上。研究發現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，器件只對高于ZnO帶隙（380nm）的紫外光響應，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，紫外光響應強，并可直接在可見光背景下工作，不需要濾光系統來屏蔽可見光的響應，因而具有結構簡單、性能優越等優點。相關器件的制備技術已申請國家發明專利（申請號: 200810227958.9），相關研究工作最近已發表在應用物理快報上[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、光學以及聲學器件進行單片集成的途徑，潛在應用價值巨大。

　　該項研究獲得中科院知識創新工程課題、國家自然科學基金委項目以及科技部項目等資助。