Fe3O4-Si側(cè)向光伏特性的研究

王先杰 宋炳乾 張 宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

Fe3O4-Si側(cè)向光伏特性的研究

王先杰 宋炳乾 張 宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

文章介紹利用脈沖激光沉積技術(shù)在單晶(100)Si襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的Fe3O4擇優(yōu)取向(111)薄膜，并對(duì)其側(cè)向光伏特性作了詳細(xì)研究，尤其是側(cè)向光伏電壓的位置關(guān)系及其與薄膜厚度、激光的功率的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4(20nm)-Si結(jié)構(gòu)的側(cè)向光伏電壓值最大，其位置靈敏度高達(dá)26.32mV·mm-1，而且出現(xiàn)垂直位移的情況下，其位置靈敏度在減小，對(duì)應(yīng)著非線性度也增大；Fe3O4薄膜厚度的增大不利于提高其位置靈敏度，但激光功率的增大有助于增大其位置靈敏度.

Fe3O4;側(cè)向光伏;半導(dǎo)體

光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和高純半導(dǎo)體工藝的實(shí)現(xiàn)，為太陽能的合理利用作足了準(zhǔn)備.光電效應(yīng)是指在某些材料內(nèi)部的電子會(huì)由于吸收光的能量而被激發(fā)出來形成電流，即光產(chǎn)生電.光生伏特效應(yīng)是指光照射在不均勻半導(dǎo)體或者半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象.光電器件不僅可以把源源不斷的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，也在信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用.Schottky在1930年發(fā)現(xiàn)了側(cè)向光伏(lateral photovoltage,LPV)現(xiàn)象，1957年Wallmark在Ge P+-N結(jié)中首次發(fā)現(xiàn)了側(cè)向光伏大小與光照位置間的線性依賴關(guān)系并作出了物理解釋[1，2].研究發(fā)現(xiàn)側(cè)向光伏效應(yīng)來源于光生載流子從光照處向未光照處的橫向擴(kuò)散.側(cè)向光伏效應(yīng)不僅與光照位置具有非常好的線性關(guān)系，而且具有很高的位置靈敏度，這就使得側(cè)向光伏效應(yīng)成為多種靈敏光學(xué)傳感器，尤其是位置靈敏器(position-sensitive detectors, PSD)中最核心的部分.

此后，側(cè)向光伏效應(yīng)在多種PN結(jié)以及金屬-半導(dǎo)體(MS)結(jié)構(gòu)中被陸續(xù)觀測(cè)到[2].MS結(jié)構(gòu)的側(cè)向光伏效應(yīng)不僅與光照位置具有非常好的線性關(guān)系，而且具有很高的位置靈敏度(從700μV·mm-1～30mV·mm-1)[3].Wang Hui課題組分別在Cr-Si、Ti-Si和Co-Si結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了側(cè)向光伏效應(yīng)，他們進(jìn)一步的研究表明通過增加金屬薄膜的電阻可以顯著提高M(jìn)OS結(jié)構(gòu)的側(cè)向光伏效應(yīng)，比如通過制備不連續(xù)的金屬或Cu2O納米薄膜、在金屬薄膜上增加高電阻的氧化層等方式來提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向光伏效應(yīng)，從而在TiO2(1.2nm)/Ti(6.2nm)/Si結(jié)構(gòu)中獲得了靈敏度高達(dá)97mV·mm-1的光伏效應(yīng)[4-6].但是由于納米金屬薄膜易氧化特性限制了這些基于金屬薄膜-Si器件的實(shí)際應(yīng)用.此后，在ZnO-Si結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了側(cè)向光伏效應(yīng)，其靈敏度達(dá)到了41.85mV·mm-1，研究表明由于這些金屬氧化物薄膜具有半導(dǎo)體特性，可以在與半導(dǎo)體接觸時(shí)形成類似于內(nèi)建電場(chǎng)，用于分離光生電子-空穴對(duì)[7].最近，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了Fe3O4薄膜在與Si半導(dǎo)體接觸時(shí)也能產(chǎn)生側(cè)向光伏效應(yīng)[8].

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 側(cè)向光伏效應(yīng)的原理

側(cè)向光伏效應(yīng)是由于光生載流子橫向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象.當(dāng)點(diǎn)光源照射在PN結(jié)、金屬半導(dǎo)體結(jié)或者半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的表面時(shí)，光子的能量大于材料禁帶寬度會(huì)在照射位置下方的半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，這些光生載流子被內(nèi)建電場(chǎng)分離后會(huì)在同一側(cè)表面上進(jìn)行橫向擴(kuò)散，從而可測(cè)量到光生電壓，這就稱為側(cè)向光伏效應(yīng).對(duì)于PN結(jié)而言，由于PN結(jié)本身在結(jié)區(qū)存在內(nèi)建電場(chǎng)，且方向?yàn)镹區(qū)指向P區(qū)，由光照產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)就會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向兩邊運(yùn)動(dòng)，其中空穴向著P區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子則向著N區(qū)運(yùn)動(dòng).這樣，P區(qū)的電勢(shì)升高，N區(qū)的電勢(shì)降低，PN結(jié)的兩端產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的縱向光伏效應(yīng)(結(jié)光電效應(yīng)).由于采用的是點(diǎn)光源(其光斑很小)，照射到PN結(jié)表面時(shí)，只在光斑的附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分別向N區(qū)和P區(qū)運(yùn)動(dòng).注入的過剩載流子造成電荷的不平衡分布，在P區(qū)的過?？昭ê蚇區(qū)的過剩電子就會(huì)向兩邊擴(kuò)散，于是在光照處和非光照處就形成了電荷梯度.類似的，在金屬/半導(dǎo)體結(jié)中，由于金屬/半導(dǎo)體界面附近的肖特基“內(nèi)建電場(chǎng)”的作用，使得光生電子從半導(dǎo)體躍遷至金屬薄膜層.由于載流子數(shù)密度與周圍存在明顯差異，會(huì)發(fā)生載流子的橫向擴(kuò)散(包括金屬薄膜一側(cè)和半導(dǎo)體一側(cè))，從而在輻照點(diǎn)兩側(cè)的非對(duì)稱位置產(chǎn)生側(cè)向光伏電壓[1，2, 9].在金屬或半金屬-半導(dǎo)體結(jié)中側(cè)向光伏可以理解為兩個(gè)電極(A和B)收集的光生電荷濃度或數(shù)量不同所導(dǎo)致的電勢(shì)差.實(shí)驗(yàn)表明，在理想情況下，PN結(jié)或金屬/半導(dǎo)體結(jié)的側(cè)向光伏與光照點(diǎn)的位置呈高度的線性關(guān)系[1-5].

側(cè)向光伏的大小隨著光照位置的變化，滿足[8]：

(1)

其中，K0是相應(yīng)比例系數(shù);L為兩電極間的距離;d為對(duì)于金屬材料的電子散射長(zhǎng)度;x是光斑的輻照位置;y代表垂直位移.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究我們采用在單晶Si襯底上生長(zhǎng)Fe3O4半金屬氧化物，制備出Fe3O4-Si結(jié)構(gòu)，以研究其側(cè)向光伏特性.Fe3O4的功函數(shù)是5.3eV，而Si的功函數(shù)為4.8eV，表明這兩種材料分離時(shí)Fe3O4的Fermi能級(jí)比Si低[10,11].而當(dāng)Fe3O4與Si相接觸時(shí)，其化學(xué)勢(shì)的不對(duì)等就造成了在接觸面的能帶彎曲，從而形成了類似于肖特基結(jié)的“內(nèi)建電場(chǎng)”，可以用來分離光生電子-空穴對(duì).

圖1 Fe3O4-Si結(jié)構(gòu)的XRD數(shù)據(jù)

圖2 側(cè)向光伏實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖

Fe3O4薄膜的制備使用脈沖激光沉積技術(shù).靶材使用Fe2O3粉末經(jīng)高壓壓制、高溫?zé)Y(jié)后使用.通過控制樣品的沉積時(shí)間制備出不同厚度的薄膜，以備后續(xù)實(shí)驗(yàn).圖1是利用脈沖激光沉積制備出的單相Fe3O4薄膜的XRD圖，圖中看出：在單晶(100)Si片上的Fe3O4薄膜是擇優(yōu)取向的，沿著(111)面取向生長(zhǎng).這表明我們得到了結(jié)晶度很好的Fe3O4薄膜.

圖2是本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量側(cè)向光伏的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖.圖中實(shí)驗(yàn)元件的參數(shù)如下：

He-Ne激光器—波長(zhǎng)為632nm，光源穩(wěn)定功率為1～15mW可調(diào)；

聚焦雙凸透鏡—焦距為2cm；

電壓表—Keithley 2000數(shù)字萬用表.

2 結(jié)果與討論

2.1 側(cè)向光伏隨激光點(diǎn)照射位置的變化關(guān)系

圖3 LPV信號(hào)隨光斑位置的變化

實(shí)驗(yàn)中，我們采用固定激光器，采用電控二維位移平臺(tái)移動(dòng)薄膜的方法來測(cè)試側(cè)向光伏電壓值.實(shí)驗(yàn)中，兩電極之間的距離約為3.8mm，其LPV值隨著光斑的位置的變化如圖3所示.選擇Fe3O4(20nm)-Si結(jié)構(gòu)，作為測(cè)試對(duì)象.可以看出：在兩電極之間，側(cè)向光伏電壓值與光照位置幾乎成直線，這表明二者之間高度的線性相關(guān)；而且可以看出，當(dāng)光斑位于兩電極中心x=0時(shí)，LPV=0；當(dāng)激光光斑在兩電極端點(diǎn)處時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向光電壓值最高，約有58mV，這是由于激光照射的端點(diǎn)(電極位置)處光生電子密度最大，而另一端點(diǎn)處電子數(shù)目最少，因此二者之間的電勢(shì)差最大.在兩電極的外側(cè)，電壓信號(hào)迅速減小.我們按照式(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果擬合得非常好，進(jìn)一步證明了這是光生載流子的側(cè)向擴(kuò)散所致.其靈敏度是26.32mV·mm-1，其非線性度是5.39%.這意味著光電壓信號(hào)與位置有著很好的線性度關(guān)系.其計(jì)算公式可由式(1)推導(dǎo)而來：

這可以用光生電子-空穴對(duì)的擴(kuò)散理論來解釋.在前面的分析中我們知道，半金屬氧化物Fe3O4功函數(shù)大于Si的功函數(shù)，將Fe3O4生長(zhǎng)在Si基片，形成一個(gè)肖特基結(jié)，在Fe3O4與Si間就存在向上的能帶彎曲，Si表面與內(nèi)部間也由于能帶的彎曲建立起內(nèi)建電場(chǎng).當(dāng)激光光斑輻照在薄膜面上，如果入射光子能量大于該結(jié)的禁帶寬度，就會(huì)在光斑下方的Si襯底內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對(duì).在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，就會(huì)造成電子-空穴對(duì)的分離，Si中的電子流向Fe3O4薄膜，空穴流向Si襯底的底部.這樣電子就會(huì)在Fe3O4表面重新排布.而且，電子的數(shù)目隨著與光斑點(diǎn)的距離的增加呈e指數(shù)式衰減.如此就在光照點(diǎn)和非光照區(qū)域形成電荷梯度，從而表現(xiàn)為圖3所示的側(cè)向光伏效應(yīng)[8].

2.2 激光點(diǎn)沿y軸直線移動(dòng)時(shí)側(cè)向光伏隨激光點(diǎn)x值的變化

圖4 不同厚度的薄膜對(duì)側(cè)向光伏電壓的影響

上述研究是在兩電極之間的光生電壓信號(hào)隨位置的線性變化.而圖4是在不同垂直位移下的LPV隨位置的變化.測(cè)試中，我們選擇一固定的垂直位移y，而后沿著x方向測(cè)試LPV隨光斑位置的變化.與圖4相對(duì)比，可以看出：在兩電極之間的光生電壓值是隨著垂直位移的增大而減?。煌瑫r(shí)，在兩電極附近的電壓值與光斑位置并不存在明顯的線性關(guān)系.這對(duì)應(yīng)于隨著垂直位移的增大，側(cè)向光伏效應(yīng)的非線性度也在不斷增大.

2.3 薄膜的厚度對(duì)側(cè)向光伏效應(yīng)的影響

為了研究Fe3O4薄膜的厚度對(duì)側(cè)向光伏電壓的影響，我們制備了4組不同厚度的薄膜結(jié)構(gòu)：Fe3O4(20nm)-Si、Fe3O4(30nm)-Si、Fe3O4(40nm)-Si和Fe3O4(50nm)-Si.對(duì)于不同厚度的薄膜結(jié)構(gòu)，其共同特點(diǎn)是在兩電極之間的光生電壓信號(hào)隨著光斑位置的移動(dòng)而線性變化；但是，不同厚度的Fe3O4薄膜對(duì)應(yīng)著變化的光電壓幅值.圖5是不同厚度的薄膜結(jié)構(gòu)的位置靈敏度隨薄膜厚度的變化，可以看出：隨著Fe3O4薄膜厚度的增加，該結(jié)構(gòu)的靈敏度明顯減小.據(jù)此，我們推斷，對(duì)于Metal(Metal Oxide)-Semiconductor結(jié)構(gòu)的側(cè)向光伏效應(yīng)而言，其光生電壓信號(hào)嚴(yán)重依賴于薄膜厚度，薄膜厚度的減小能明顯增大其靈敏度.

圖5 不同F(xiàn)e3O4厚度對(duì)該結(jié)構(gòu)LPV的影響

這從載流子擴(kuò)散模型中也可看出：當(dāng)薄膜厚度比較厚時(shí)，對(duì)應(yīng)于薄膜的電阻率較小，電子的擴(kuò)散能力較大，不僅在兩電極之間的擴(kuò)散，還包括薄膜厚度間的擴(kuò)散；換言之，此時(shí)已經(jīng)不是單純的二維擴(kuò)散，已經(jīng)是三維擴(kuò)散(還沿著z方向擴(kuò)散)，故而其靈敏度明顯降低.這就表明，選擇厚度合適的薄膜會(huì)獲得很大的靈敏度[9].

2.4 激光的功率密度對(duì)側(cè)向光伏電壓的影響

實(shí)驗(yàn)中，我們也研究了632nm的激光的功率密度對(duì)側(cè)向光伏效應(yīng)的影響.從He-Ne激光器出來的激光，經(jīng)過濾光片的分光，我們得到了不同功率密度的激光.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.可以看出，當(dāng)激光功率密度較小時(shí)，F(xiàn)e3O4(20nm)-Si結(jié)構(gòu)的靈敏度與光的功率接近于線性變化；隨著功率密度的增大，LPV靈敏度顯示迅速增大，在功率密度達(dá)到10mW左右，會(huì)逐漸達(dá)到一個(gè)飽和值.這是因?yàn)殡S著功率密度的增大，光生載流子的數(shù)目會(huì)成倍增加，但是由于半導(dǎo)體材料的能級(jí)的限制，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飽和值[9].

圖6 不同功率下的Fe3O4(20nm)-Si結(jié)構(gòu)的靈敏度的變化

3 結(jié)論

采用脈沖激光沉積技術(shù)在單晶Si基片上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的Fe3O4薄膜，并詳細(xì)研究了在室溫下Fe3O4-Si結(jié)構(gòu)中的側(cè)向光伏效應(yīng).發(fā)現(xiàn) Fe3O4-Si結(jié)構(gòu)中的光伏值隨著光斑位置的變化呈高度線性關(guān)系，其位置靈敏度為26.32mV·mm-1.此外，研究了如Fe3O4薄膜厚度、激光的功率密度和垂直位移等對(duì)Fe3O4-Si結(jié)構(gòu)的側(cè)向光伏效應(yīng)的影響，結(jié)論如下： (1)隨著Fe3O4薄膜厚度的增大，其光生電壓信號(hào)在不斷減??； (2)當(dāng)632nm激光的功率密度低于10mW時(shí)，其靈敏度隨著功率的增大急劇增大，但在超過10mW后，其靈敏度趨向于飽和值； (3)在垂直位移改變的情況下，其靈敏度在減小，同時(shí)其非線性度也在增大.這表明Fe3O4-Si結(jié)構(gòu)在光電傳感器等元件上有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值.

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STUDY ON LATERAL PHOTOVOLTAIC PROPERITIES IN Fe3O4-Si STRUCTURE

Wang Xianjie Song Bingqian Zhang Yu

(Department of Physics, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang 150001)

We have grown a (111)Fe3O4thin film with good quality in the single crystal (100)Si substrate using pulsed laser deposition technology (PLD) and investigated the lateral photo-voltaic properties (LPE) at room temperature, especially the relationship between lateral photo-voltage and the laser-spot position, and the dependence on the film thickness, laser power. It’s found that the largest LPE were observed in Fe3O4(20nm)-Si Schottky junction. The dependence of LPE on position shows very highly sensitivity of 26.32mV·mm-1as well as good linearity. It’s also found that the vertical displacement and improving the thickness of Fe3O4film can decrease the sensitivity and increase its nonlinearity. However, the increase of laser power helps to increase its sensitivity in Fe3O4-Si structure.

Fe3O4; lateral photo-voltage; semiconductor

2016-01-05；

2016-04-27

教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)2014高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目(DWJZW201402db)，黑龍江高等學(xué)校教改工程項(xiàng)目(JG2014010706).

張宇，男，教授，通訊作者，主要從事物理教學(xué)及光電探測(cè)的理論與應(yīng)用技術(shù)研究工作，研究方向?yàn)椤肮鈱W(xué)” .zhangyunn@hit.edu.cn

王先杰，宋炳乾，張宇. Fe3O4-Si側(cè)向光伏特性的研究[J]. 物理與工程，2016，26(5)：57-61.