全無(wú)機(jī)鈣鈦礦微米線/IGZO薄膜光電探測(cè)器的研究

李 瑤

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

與此同時(shí)在絕大多數(shù)情況下，光電探測(cè)器信號(hào)都非常微弱，只有探測(cè)器本身?yè)碛休^強(qiáng)的自放大能力，才能保證探測(cè)器系統(tǒng)在后續(xù)的信號(hào)處理具有較高的信噪比[10-28].所以將高遷移率無(wú)機(jī)半導(dǎo)體與全無(wú)機(jī)鈣鈦礦相結(jié)合，能為提高光敏性提供一種新的選擇途徑.對(duì)的半導(dǎo)體不僅可以抑制暗電流，還可以有效地吸收光，從而達(dá)到最佳的光響應(yīng)性能.IGZO半導(dǎo)體材料具有較高的遷移率、較寬的帶隙，可見光透明，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和簡(jiǎn)單的制作工藝.將IGZO與CsPbCl3結(jié)合對(duì)鈣鈦礦起到增加光的吸收利用率，可增加CsPbCl3的光電性質(zhì).這將為提高紫外光電探測(cè)器性能的進(jìn)一步研制和開發(fā)提供重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)和材料基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 制備

實(shí)驗(yàn)采用管式爐一步化學(xué)氣相沉積法合成CsPbCl3微米線.采用藍(lán)寶石作為襯底, 前驅(qū)體使用物質(zhì)的量比率3∶1的CsCl和PbCl2粉末的混合物, 以純氬為載體氣體反應(yīng)壓力維持在180 T，加熱管式爐的保持580 ℃的生長(zhǎng)溫度3 h，之后自然降溫，取出藍(lán)寶石襯底.然后使用了脈沖激光沉積(PLD)來(lái)制備IGZO薄膜.最后用掩膜版尺寸為50 μm的電橋利用熱蒸發(fā)方法將Ag沉積在CsPbI3/IGZO上，制成器件.

1.2 特征描述

利用掃描電鏡(FESEM)表征樣品形貌.利用X射線衍射儀(D/max-2600/pc)和紫外可見漫反射表征樣品結(jié)構(gòu)特性.利用氙燈，單色儀，斬波器，鎖相放大器，安捷倫半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)表征器件的光電特性和光譜響應(yīng)特性.

2 結(jié)果與討論

圖1(a)顯示了合成的CsPbCl3微米線的SEM圖像.從圖像中可以看出一些CsPbCl3微米線在藍(lán)寶石表面水平定向，通過(guò)單線相互連接形成網(wǎng)絡(luò).通常,這些線的寬度是1.5μm及其長(zhǎng)度是幾十微米.需要說(shuō)明的是，在鈣鈦礦生長(zhǎng)之前并沒有人為的潤(rùn)濕層沉積，因此CsPbCl3微米線的生長(zhǎng)應(yīng)該從CsPbCl3納米晶在云母表面的非均相成核開始.另一個(gè)觀察是，許多CsPbCl3微米線彼此平行，在微米線的連接處形成角度，大多數(shù)互連線為60°或120°.同時(shí)，由于云母襯底解理邊緣的應(yīng)力和成核作用，也存在許多未對(duì)準(zhǔn)的微米線.如圖1(b)所示為沉積在藍(lán)寶石襯底上的IGZO薄膜的表面的SEM圖像.從表面圖像可以看出，制備的IGZO薄膜是由平均尺寸約為50 nm納米顆粒致密且均勻的排列堆積而成,不難看出薄膜結(jié)晶性很好.

圖1 CsPbCl3和IGZO的掃描電鏡圖

圖2 CsPbCl3和IGZO的XRD圖

通過(guò)XRD對(duì)合成的CsPbCl3微米線和IGZO的晶體性質(zhì)進(jìn)行了研究，值得注意的是，如圖2(a)所示，該樣品最強(qiáng)衍射峰在41.86°，此峰來(lái)自底層藍(lán)寶石襯底，其余該衍射峰可以歸屬于CsPbCl3晶體的平面，沒有其他衍射，說(shuō)明形成了立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu).上述結(jié)果表明，CsPbCl3微米線的外延生長(zhǎng)與晶格平面平行于襯底表面.如圖2(b)所示是在常溫、生長(zhǎng)壓強(qiáng)為8 Pa的氧壓環(huán)境下IGZO薄膜的XRD圖譜.從圖2(b)可以看出樣品除了在41.86°取向的衍射峰外并無(wú)其他衍射峰，而這條衍射峰對(duì)應(yīng)于藍(lán)寶石襯底，因此所制備的IGZO薄膜為非晶相，這與文獻(xiàn)中的測(cè)試結(jié)果一致[29].

圖3 (a)為CsPbCl3光學(xué)吸收光譜和光致發(fā)光圖；(b)為IGZO的光學(xué)吸收光譜圖

為了進(jìn)一步研究CsPbCl3和IGZO結(jié)構(gòu)特性. 圖3(a)研究了CsPbCl3納米復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜和紫外可見吸收光譜.在圖3(a)中可以看到在415 nm處觀察到明顯的吸收峰.CsPbCl3微米線的PL譜在415 nm處具有高度對(duì)稱的發(fā)射峰，對(duì)應(yīng)的半峰全寬最大值約為15.2 nm.值得注意的是，在PL光譜中沒有觀察到亞帶隙發(fā)射，這通常與鈣鈦礦的缺陷有關(guān)，從而證明獲得了高質(zhì)量的鈣鈦礦產(chǎn)品.如圖3(b)所示為IGZO薄膜的光學(xué)吸收光譜，其對(duì)曲線線性部分做的切線與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)為IGZO薄膜的光學(xué)帶隙.由圖可見，IGZO薄膜對(duì)可見光無(wú)明顯吸收，而在紫外波的段200～375 nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)較強(qiáng)吸收，可見IGZO薄膜在紫外區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，這對(duì)制備高性能紫外光探測(cè)器是必要的性質(zhì).

系統(tǒng)地描述了探測(cè)器的光響應(yīng)特性.圖4所示繪制了I-V特性曲線.說(shuō)明CsPbCl3/IGZO與電極之間具有良好的歐姆接觸，在10 V偏壓下器件暗電流僅為5.4 nA,這也意味著所制備的CsPbCl3/IGZO非常有利于制備高探測(cè)度的光電探測(cè)器.

圖4 CsPbCl3/IGZO I-V特性曲線，插圖為器件圖片

圖5 (a)-(c)分別為CsPbCl3，IGZO和 CsPbCl3/IGZO的2～10 V光響應(yīng)率曲線;(d)三者10V下光響應(yīng)率曲線

為了更好地理解CsPbCl3光電探測(cè)器的感光行為，響應(yīng)度 (Photoresponsivity,R) 表示探測(cè)器對(duì)入射光信號(hào)的靈敏性.主要與探測(cè)器的量子產(chǎn)率相關(guān)，實(shí)驗(yàn)計(jì)算中由式(1)給出：

R=Ilight-Idark/PinA

(1)

Ilight、Idark、Pin以及A分別為光電流、暗電流、入射光密度及有效面積.

外部電壓決定了光子產(chǎn)生的載流子數(shù)量，不同偏置電壓對(duì)光電探測(cè)器產(chǎn)生影響不同.圖5(a)顯示了CsPbCl3器件在2～10 V不同偏置電壓下的響應(yīng)譜，顯示了其在200～415 nm范圍內(nèi)的峰值響應(yīng)率.對(duì)應(yīng)10 V計(jì)算的響應(yīng)率為0.042 mA/W.可以看到響應(yīng)度隨著電壓的升高而升高.上述情況與光子產(chǎn)生的載流子的獲取效率與外部偏置成正比的事實(shí)剛好吻合.為了研究IGZO紫外光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性，進(jìn)行了光電探測(cè)實(shí)驗(yàn).圖5(b)顯示探測(cè)器在不同偏壓下的光譜響應(yīng)度曲線，在10 V偏壓下305 nm處探測(cè)器的光譜響應(yīng)度為0.24 mA/W.隨外加偏壓的增強(qiáng)，器件的光譜響應(yīng)度也隨之增強(qiáng)，由于外加偏壓的提高會(huì)使IGZO薄膜的耗盡區(qū)域變寬，器件收集光生載流子的能力也相應(yīng)變強(qiáng).外加電場(chǎng)的增強(qiáng)，又同時(shí)增加了電子-空穴對(duì)的分離能力.這說(shuō)明器件良好的靈敏度.圖5(c)所示為外接偏壓下CsPbCl3/IGZO的光譜響應(yīng)度測(cè)試.在外接偏壓時(shí)，不同偏壓下的光譜響應(yīng)度曲線趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明器件具有良好的光電性能，在外接偏壓的放大作用下，探測(cè)器的光譜響應(yīng)度被鎖相放大器再次放大并由數(shù)據(jù)接收器接收.圖5(d)分別為CsPbCl3，IGZO和 CsPbCl3/IGZO的10V光響應(yīng)率曲線.可以觀察到305 nm的響應(yīng)率主要來(lái)自于IGZO，415 nm的響應(yīng)率主要來(lái)自于CsPbCl3，并別合成后的器件性質(zhì)都在原有性質(zhì)上有所提高.合成后器件對(duì)比CsPbCl3其光響應(yīng)度在415 nm提高了250%，在305 nm光響應(yīng)度提高了600%.這為提高鈣鈦礦光電性質(zhì)提供了新的思路.

3 結(jié)論

采用氣相外延法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)CsPbCl3的全無(wú)機(jī)鈣鈦礦微米線.通過(guò)對(duì)其光電性質(zhì)的測(cè)試，證明了CsPbCl3納米線具有良好的晶體質(zhì)量和較低的缺陷密度.將IGZO和鈣鈦礦組裝在一起后，獲得了更高的性能，貯存后，性能穩(wěn)定性好.這一工作表明，全無(wú)機(jī)鈣鈦礦的微米線/IGZO器件是為未來(lái)高性能光電探測(cè)器提供了一個(gè)很好的選擇.