基于硫化鉛薄膜的寬光譜光電探測(cè)器

王悅

（合肥工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

光電探測(cè)器能夠準(zhǔn)確地將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在多個(gè)光譜范圍內(nèi)都具有廣泛的應(yīng)用，近年來吸引了科研工作者的研究興趣。如紫外探測(cè)器廣泛用于導(dǎo)彈追蹤、火災(zāi)預(yù)警等；可見光和近紅外光電探測(cè)器廣泛用于光通信、成像、測(cè)距和消費(fèi)產(chǎn)品等。因此，一個(gè)光電性能優(yōu)越，制造成本低的寬光譜光電探測(cè)器將會(huì)有著巨大的應(yīng)用前景。塊體硫化鉛作為傳統(tǒng)的IV-VI族半導(dǎo)體，在室溫下有0.41 eV的直接窄帶隙，并在商業(yè)上被用于短波紅外光的探測(cè)。而納米結(jié)構(gòu)的硫化鉛有著從可見到近紅外區(qū)域的寬光譜吸收，是制備寬光譜光電探測(cè)器潛在的候選材料。在本研究中，通過化學(xué)浴沉積（CBD）方法合成了質(zhì)量較高，表面連續(xù)的硫化鉛納米薄膜，并制備了基于厚度約為500 nm硫化鉛薄膜的光電探測(cè)器。光電測(cè)試表明硫化鉛薄膜具有寬光譜響應(yīng)，尤其在1 050 nm的近紅外光表現(xiàn)出良好的光電特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料合成及表征

硫化鉛薄膜是通過CBD方法沉積在玻璃襯底上的。在沉積之前，玻璃襯底分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗15 min，然后在室溫下晾干。前驅(qū)體溶液的制備方法是將5 mL 1 mol/L硝酸鉛 [(Pb(NO)）]溶液放入100 mL的燒杯中，依次加入20 mL 1 mol/L的氫氧化鈉（NaOH）溶液，6 mL 1 mol/L的硫脲[(HN)CS]溶液，4 mL 1mol/L的三乙醇胺[(HOCHCH)N，TEA]溶液，然后通過加入去離子水使混合溶液的總體積達(dá)到100 mL。玻璃襯底斜靠放置在玻璃燒杯內(nèi)。通過控制沉積時(shí)間（1.5 h，5.5 h，22 h）可以合成不同厚度的PbS薄膜。之后，將表面附有PbS薄膜的玻璃襯底從反應(yīng)溶液中取出。每次取出后，用去離子水反復(fù)沖洗，以去除殘余溶液和未附著在薄膜表面的沉積物。

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對(duì)薄膜的形貌進(jìn)行了表征，能量色散X射線譜（EDS）研究了薄膜的化學(xué)元素分布，原子力顯微鏡（AFM）對(duì)薄膜的厚度和均勻性進(jìn)行了表征。

1.2 器件制備及表征

為了制造基于PbS薄膜的光電探測(cè)器，將帶有PbS薄膜的玻璃基片切成小塊并轉(zhuǎn)移到電子束蒸發(fā)的真空室中。通過使用實(shí)驗(yàn)室自制的金屬掩模，將金電極（50 nm）沉積在PbS薄膜層上。使用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)（Keithley 4200-SCS）在室溫環(huán)境下對(duì)器件的光電特性進(jìn)行表征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1描述了化學(xué)浴沉積（CBD）方法合成PbS薄膜及器件制備的流程圖。詳細(xì)的過程已在實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行了介紹。高質(zhì)量的薄膜對(duì)于器件的性能起著至關(guān)重要的作用，因此我們對(duì)PbS薄膜進(jìn)行了一系列表征分析。圖2a所示分別為沉積時(shí)間為1.5 h、5.5 h和22 h所獲得PbS薄膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡圖。從圖中可以看出，許多納米團(tuán)簇分布在PbS薄膜的整個(gè)表面，沒有明顯的空洞。此外，隨著薄膜厚度的增加，薄膜表面也變得更加均勻和連續(xù)。這說明即便是在室溫且非真空環(huán)境的條件下，采用簡易的CBD法獲得的PbS薄膜仍具有較高的質(zhì)量。在這里，我們選擇沉積時(shí)間為22 h所得的PbS薄膜進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。圖2b為PbS薄膜的能量色散X射線光譜元素映射圖?？梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)，PbS薄膜的元素均勻分布。

圖1 基于PbS薄膜的光電探測(cè)器的制造示意圖

圖2 FESEM圖與能譜元素映射圖

為了研究22 h合成的PbS薄膜厚度及表面質(zhì)量，測(cè)試了薄膜的原子力顯微鏡（AFM），如圖3所示。從圖3a插圖中可以看見，PbS薄膜表面比較平整，通過掃描基底與薄膜的臺(tái)階可以得出PbS薄膜的厚度約為500 nm，從圖3（b）的薄膜表面的三維原子力顯微鏡圖像進(jìn)一步表明該薄膜表面比較均勻。

圖3 高度分布圖與三維原子力顯微鏡圖像

為了探究PbS薄膜的光電特性，構(gòu)建了基于厚度約為500 nm PbS薄膜的光電探測(cè)器，并對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試和計(jì)算。PbS薄膜的器件結(jié)構(gòu)如圖4a所示，從上到下依次是Au、PbS薄膜、玻璃基底。接下來用半導(dǎo)體測(cè)試儀對(duì)器件進(jìn)行了電學(xué)測(cè)試，圖4b顯示了器件在黑暗和1050 nm照明下的電流-電壓（I-V）曲線。從圖中可以看出，在偏置電壓為-2 V時(shí)，該器件的暗電流為～-4.245 μA，而在1050 nm光照下，光電流顯著提升到～8.5 μA，表明PbS薄膜對(duì)1 050 nm近紅外光具有較靈敏的響應(yīng)。值得注意的是，圖中黑暗和光照條件下觀察到的經(jīng)過原點(diǎn)的且對(duì)稱的電流-電壓線性曲線表明金電極與PbS納米薄膜之間形成良好的歐姆接觸，這也說明了制備的器件實(shí)際上是典型的光電導(dǎo)型器件。

圖4 PbS薄膜的光電特性

作為傳統(tǒng)的窄禁帶半導(dǎo)體紅外探測(cè)材料，PbS基光電探測(cè)器對(duì)近紅外的光具有明顯的光響應(yīng)特性，這是合理的。然而正如在前文提到的納米結(jié)構(gòu)的硫化鉛有著寬光譜的響應(yīng)范圍，因此在接下來的工作中，還通過測(cè)試探究了器件對(duì)紫外光和可見光的敏感性。如圖 5a 所示。器件在365 nm-1650 nm光照下均顯示出明顯的光響應(yīng)特性，這意味件器件對(duì)紫外光-可見光-近紅外光表現(xiàn)出寬光譜響應(yīng)。圖5b給出了器件的光譜響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)，器件從紫外到近紅外區(qū)域都具有良好的光響應(yīng)。在所有光照下（偏置電壓為-2 V，光強(qiáng)度1mW cm時(shí)），響應(yīng)度均大于1 A/W，遠(yuǎn)優(yōu)于其他的一些寬光譜光電探測(cè)器。此外。在1050 nm的響應(yīng)峰值處，響應(yīng)度可以達(dá)4.25 A/W。

圖5 不同波長下光電探測(cè)器的光電特性

器件的光響應(yīng)也強(qiáng)烈依賴與入射光功率。圖6a和圖6b所示為光電探測(cè)器在不同光強(qiáng)的1 050 nm光照下的I-V和-曲線，很明顯，可以看到光電流隨光強(qiáng)度的增加而單調(diào)增加。具體來講，當(dāng)光強(qiáng)度從18.6上升到1 968 μW cm時(shí)，光電流從4.37單調(diào)增加到9.77 μA。這是合理的，因?yàn)樵趶?qiáng)度更高的光照下會(huì)產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，從而產(chǎn)生更高的光電流。光電流對(duì)光強(qiáng)度的依賴性通過使用一般的冪定律（∝P）進(jìn)一步擬合，其中被定義為凈光電流（=-），是反映載流子復(fù)合的經(jīng)驗(yàn)值。如圖6c所示，的擬合值為0.61，與理想值（=1）有著較大偏差，表明器件中存在較大的復(fù)合損耗，這可能是由于PbS薄膜中晶界和表面陷阱狀態(tài)發(fā)生的載流子復(fù)合造成的。

圖6 光電探測(cè)器在1050 nm光照下不同光強(qiáng)下的光電特性

為了定量評(píng)估基于PbS薄膜的光電探測(cè)器的性能，通過以下公式計(jì)算并繪制在圖6d中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即器件在1 050 nm照明下的響應(yīng)度（）和光電導(dǎo)增益（）：

其中是入射光功率，是器件的有效照明面積（定義為兩個(gè)電極之間的薄膜有效受光面積，約1.0×10cm），是普朗克常數(shù)，是光速，是電子電荷，是入射波長，是內(nèi)部量子效率。假設(shè)100%的內(nèi)部量子效率，在18.6 μW cm的強(qiáng)度下，和在-2 V偏壓下分別達(dá)到9.56 A/W和11.3（如圖6d所示）。此外，這兩個(gè)參數(shù)都隨著光強(qiáng)的增加而減小，這是合理的。因?yàn)樵诟叩膹?qiáng)度下會(huì)產(chǎn)生更多的載流子，從而導(dǎo)致更高的復(fù)合損耗。

3 結(jié) 論

通過化學(xué)浴沉積（CBD）法實(shí)現(xiàn)了對(duì)PbS薄膜的可控生長，并探究不同沉積時(shí)間下PbS薄膜的質(zhì)量，選擇約500 nm的PbS薄膜制備了光電探測(cè)器。進(jìn)一步的器件分析表明，基于PbS薄膜的光電探測(cè)器有著從紫外到紅外區(qū)域的寬光譜響應(yīng)，響應(yīng)峰值在1 050 nm。在-2 V偏壓、光強(qiáng)為18.6 μW cm的1050 nm光照的條件下，器件的響應(yīng)度和增益分別達(dá)到9.56 A/W和11.3。這項(xiàng)工作表明了PbS這種材料在寬光譜光電探測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力，也進(jìn)一步豐富了光電子器件制造的基礎(chǔ)。