熊超 顧翼凌 曹婕 肖進 陸肖蘇 陳磊 常州工學院新能源工程系

基于AFORS-HET軟件模擬分析p-CuSCN/n-ZnO透明異質(zhì)結(jié)的J-V特性曲線

熊超 顧翼凌 曹婕 肖進 陸肖蘇 陳磊 常州工學院新能源工程系

利用AFORS-HET軟件模擬得出p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)在不同光區(qū)的J-V特性曲線各不相同，無光照、普通日光、可見光區(qū)、紅外光區(qū)的J-V特性曲線走勢大體相同并都為負值。然后與n-CuSCN/p-CuSCN和n-ZnO/ p-ZnO的J-V特性曲線相互比較，可知這種現(xiàn)象是p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)所獨有的。紫外光區(qū)［1］的J-V特性曲線與其余光區(qū)大不相同，并且為正值。造成正負差異的原因是由于p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)中少數(shù)載流子的漂移運動［2-3］為主體運動。最終得出結(jié)論，利用p-CuSCN/n-ZnO透明異質(zhì)結(jié)來制備紫外探測器在理論上是可行的。

硫氰酸亞銅；氧化鋅；紫外光；AFORS-HET軟件

1 引言

近年來，采用碳化硅（SiC）［4］、氧化鋅（ZnO）、氮化鎵（GaN）［5］等為原材料來制備的紫外探測器的報道較多［6］。其中，碳化硅（SiC）［4］與氮化鎵（GaN）［5］的研究起步較早，氧化鋅（ZnO）則是當下最為熱門的半導體材料之一。ZnO是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料［7］，且具備較大的激子束縛能（60meV）［8］、較大的禁帶寬度（3.37eV）［9］、較高的透明性等特性，能夠廣泛應用于諸多電學與光學領(lǐng)域。

本文利用查閱文獻所得數(shù)據(jù)和AFORS-HET軟件，模擬出實驗中理想狀態(tài)下的p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V特性曲線。在此基礎(chǔ)上對p-CuSCN/ n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V特性進行更深一步的分析，然后探討p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)是否適用于制備紫外探測器，最后對于得出的p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V特性曲線的特殊走勢進行定性分析。

表1　ZnO、CuSCN半導體材料模擬中選用的各項參數(shù)

圖1　AFORS-HET軟件模擬得出的p-CuSCN/n-ZnO能帶圖

2 實驗模擬

AFORS-HET軟件采用了現(xiàn)實實驗中使用的熱電子發(fā)射機制和缺陷隧穿機制［10］來對異質(zhì)結(jié)的載流子運輸進行模擬分析。

圖2　無光照時的p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線

圖3　普通日光照射下p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線

表1［11］為本文中AFORS-HET軟件在進行模擬計算時所用到的ZnO與CuSCN的各項參數(shù)。從表中數(shù)據(jù)可以清晰的看出ZnO與CuSCN的禁帶寬度相差不大，且有效導帶密度與有效價帶密度相差數(shù)量級在10倍以內(nèi)。

圖1是利用AFORS-HET軟件模擬在理想狀態(tài)下p型與n型都為200nm厚的p-CuSCN/n-ZnO能帶圖，與圖9相比較同樣可以看出導帶帶階與價帶帶階都較大這直接對載流子的擴散運動［12］造成了阻礙，由此導致了所測的的電流密度較小。

由于兩者的多數(shù)載流子濃度相差不大，所以能帶的彎曲較小，在軟件模擬時難以顯示出來，但可以看出在p-CuSCN與ZnO接觸處的能帶發(fā)生了不同方向的傾斜。這是該異質(zhì)結(jié)微型能帶彎曲在可視狀態(tài)下的體現(xiàn)。

根據(jù)AFO R S-H E T模擬所得到p-CuS CN/ n-ZnO異質(zhì)結(jié)對不同波段光波的響應。

圖4　單色600nm可見光波段光照射下p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線

利用AFORS-HET軟件模擬時選取了大量不同波長的單色光來照射p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)，由于紫外區(qū)域、可見光區(qū)域、紅外區(qū)域所得數(shù)據(jù)較為相似，所以各區(qū)域中分別選取了特定波長的光波。分別為紫外光區(qū)300nm單色光、可見光區(qū)600nm單色光、紅外光區(qū)1200nm單色光，在這些特定的光波照射下得到了圖2、3、4、5所示的不同光波段中的特定典型波長或光照條件下所測出的J-V特性曲線。利用這些特殊的J-V特性曲線來對p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的特性進行分析，并判斷是否可以用于制備紫外探測器。

3 分析與討論

圖5　單色1200紅外波段光照射下p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線

圖6　單色300nm紫外波段光照射下p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線

由圖2、3、4、5可以看出在無光照、普通日光、單色600nm光波照射下的p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V特性曲線大體走勢相同。但是仍可以看出各圖中的縱坐標值各不相同，也就是說電流密度大小的絕對值是變化的，且普通日光、可見光區(qū)、紅外光區(qū)相較于無光照時其絕對值都是變小的。但這三者的變小幅度并不相同。由圖3、4、5可以看出，在AM1.5普通日光照射下的電流密度大小的絕對值最小，其次為紅外光區(qū)，最后為可見光區(qū)。這也可以在一定程度上體現(xiàn)光波中能量的分布。

圖6為單色300nm紫外波段光照射下p-CuSCN/ n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線圖，由圖中曲線可以看出在300nm紫外光照射下所得的電流密度為正，并且隨著正向電壓的增大而減小。從0V到0.4V，電流密度的減小速度隨著正向電壓的增大而增大，當正向電壓大于0.4V時，電流密度的減小速度隨電壓的增大而減小。

圖7　不同波段光照射下p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線

圖8 p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)與p-ZnO/n-ZnO、p-CuSCN/n-CuSCN同質(zhì)結(jié)的J-V曲線對比

圖2、3、4、5、6有著明顯不同的J-V曲線，即在不同波段的光照條件下p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的響應不同。由圖2、3、4、5可以看出當無光照、普通光照、可見光照、紅外光照條件下的J-V曲線較為相似，而紫外區(qū)的J-V曲線與其余區(qū)域的J-V曲線大不相同。

為了方便進行比較，便將所有的J-V曲線組合進圖7，從圖7中可以清晰的看到普通光照、1200nm單色紅外光、600nm單色可見光照射下的J-V曲線幾乎重合，即p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)對于普通日光（復合光）、可見光區(qū)、紅外光區(qū)都無響應，且其電流密度大小都為負值。

無光照條件下的J-V曲線位于最下方，即其負值電流密度最大。其余非紫外光區(qū)的電流密度大小也都為負值且十分接近橫軸。換言之，其電流密度大小的絕對值很小。除此之外我們還可以清晰的看到300nm單色紫外光照射（紫外光區(qū)）下的J-V曲線位于最上方，且其值也大于無光照時的負值電流密度的絕對值大小，即其電流密度大小為正且最大。此時的J-V曲線的走勢與其余條件下的J-V曲線完全不同。

圖9　p-CuSNC/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的能帶圖

圖10　AFORS-HET軟件模擬所得的p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的I-V曲線

通過對上述的不同光波區(qū)的J-V特性曲線的分析，可以得出的結(jié)論便是，利用p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)制備出紫外探測器在理論上是可行的。

下面對于p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的特殊J-V曲線走勢進行分析與推測。

在利用AFORS-HET軟件模擬p-CuSNC/ n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V特性曲線時，為了進行比較又增加了p-ZnO/n-ZnO型與p-CuSCN/n-CuSCN型同質(zhì)結(jié)進行比較。由圖8可以看出p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V特性曲線與其余兩種同質(zhì)結(jié)不同，即這一特殊的J-V特性曲線是p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)所獨有的。

由于AFORS-HET軟件在對p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V特性進行模擬時數(shù)據(jù)大小數(shù)值并不穩(wěn)定，但總體走勢相同，所以在對p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的J-V特性進行分析時并不采用定量分析而是選用定性分析。

由圖8與圖9可以看出，當外加電壓V小于內(nèi)建勢壘VD時（此時的VD大小約為0.4V），隨著外加電壓的增大電流密度大小的絕對值也在增大，當外加電壓等于內(nèi)建勢壘時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，當外加電壓繼續(xù)增大時電流密度大小的絕對值卻反而減小。再結(jié)合p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)能帶圖（圖9）作出以下分析：

（1） 由能帶圖我們可以看出，p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的空間電荷區(qū)的高度與寬度都較小，這是由于p-CuSCN與n-ZnO的導帶有效態(tài)密度與價帶有效態(tài)密度大小較為接近即p-n結(jié)兩端的多子濃度較為接近導致。相差較小的p-CuSCN與n-ZnO的導帶有效態(tài)密度與價帶有效態(tài)密度導致了p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)中的多子的擴散運動較為微弱，而兩者少子的濃度差則較為巨大。所以，在外加電壓小于內(nèi)建電勢時，在p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)內(nèi)的電流是由少數(shù)載流子的漂移造成的。此時空間電荷區(qū)在p-CuSCN端為電子堆積，n-ZnO端為空穴堆積，電場方向為n-ZnO指向p-CuSCN。這也就是為何所測得的電流密度為負值的原因。

（2） 由圖2可以看出當外加正向偏壓小于內(nèi)建電勢時電流密度大小的絕對值隨著外加正向偏壓的增大而增大。這是由于外加正向電壓的增大促進了p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的多數(shù)載流子的擴散運動，繼而有助于內(nèi)建電勢的變大。而內(nèi)建電勢的增加又導致了少數(shù)載流子的漂移運動的加劇，最后引起電流密度大小的絕對值的增加。體現(xiàn)在J-V圖上則是曲線走勢向下伸展。

（3） 圖2中，當外加正向偏壓大于內(nèi)建電勢時電流密度大小的絕對值反而減小。這是由于當外加正向偏壓大于內(nèi)建勢壘時，多數(shù)載流子由耗盡變?yōu)槎逊e，此時空間電荷區(qū)在p-CuSCN端為空穴堆積，n-ZnO端為電子堆積，電場方向為p-CuSCN指向n-ZnO。外加正向偏壓的進一步增大阻礙了少數(shù)載流子的漂移運動。最終造成了J-V圖上的曲線走勢向上伸展。

（4） 對于圖2、3、4、5中均出現(xiàn)的偏離曲線的一點，可由圖10看出在接近內(nèi)建勢壘大小時異質(zhì)結(jié)的電流密度大小絕對值先減小后增大。從上文我們得知在p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)中是以少數(shù)載流子的漂移運動為主體的。

當外加電壓增加至接近內(nèi)建勢壘大小時，多數(shù)載流子的擴散即將達到極致。此時其數(shù)量足以對總體的電流密度大小產(chǎn)生影響。所以，在外加電壓非常接近內(nèi)建勢壘大小時，電流密度大小的絕對值減小。而當外加電壓等于內(nèi)建勢壘高度時，多數(shù)載流子由擴散運動變?yōu)槎逊e運動。但這一轉(zhuǎn)變還較為微弱，不足以改變電流密度大小，此時的異質(zhì)結(jié)內(nèi)部的載流子運動回到原始狀態(tài)。即少數(shù)載流子的漂移運動依舊占據(jù)主體并增大，所以電流密度大小的絕對值繼續(xù)增大。這便是圖2、3、4、5中均出現(xiàn)的偏離曲線的一點。

4 結(jié)論

利用AFORS-HET軟件進行模擬后得出結(jié)論：

（1） p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)在不同光波區(qū)域的響應不同；紫外光波區(qū)域與其余光波區(qū)域的響應截然不同，即p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)可以用于制備紫外探測器。

（2） p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的無光照條件下的J-V特性曲線的走勢是十分特殊且是該異質(zhì)結(jié)獨有的。

（3） p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的理想狀態(tài)下無光照的電流密度大小為負值。這是由于此時p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)中少數(shù)載流子的漂移運動為主體，同時p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)中少數(shù)載流子的漂移運動也導致了p-CuSCN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的特殊J-V特性曲線。

［1］ 陳麗莉.基于光伏二極管的紫外有機探測器件性能研究［D］.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，2006.6.

［2］ 虞麗生.半導體異質(zhì)結(jié)物理［M］.科學出版社，2006：4-106.

［3］ 劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學［M］.上海交通大學出版社2008：15-75.

［4］ Yuen Clement，Yu S.F.，Lau S.P.，et al.Fabrication of n-ZnO：Al/p-SiC（4H） heterojunction light-emitting diodes by filtered cathodic vacuum arc technique ［J］.Appl.Phys.Lett.，2005，86：241111.

［5］ Alivov Ya.I.，Van Nostrand J.E.，Look D.C.，et al.Observation of 430 nm electroluminescence from ZnO/GaN heterojunction light-emitting diodes ［J］. Appl.Phys.Lett.，2003，83（14）： 2943-2945.

［6］ 李寶珠.寬禁帶半導體材料技術(shù)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，8：5-9.

［7］ 呂建國.ZnO薄膜應用的最新研究進展［J］.功能材料與器件學報，2002，3：303-307.

［8］ 張丁可.ZnO基pn異質(zhì)結(jié)器件的物性研究［D］.東北師范大學，2005.5.

［9］ 萬文堅.異質(zhì)結(jié)p-CuSCN/n-ZnO的制備及性能研究［D］.華南理工大學，2011.6.

［10］ 許俊瑞.InP/InGaAs異質(zhì)結(jié)載流子輸運特性的仿真［J］.微電子學，2012，5：733-735.

［11］ 汪禮勝.納米硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的優(yōu)化設(shè)計［J］.半導體光電，2011，4：478-483.

［12］ 熊超.ZnO/Si異質(zhì)結(jié)的制備與特性研究［D］，華南理工大學，2011.

國家自然科學基金“基于微觀缺陷與核外電子行為研究異質(zhì)結(jié)界面特性對CZTS薄膜太陽能電池光電特性的影響”（課題批準號61540071）的階段成果；江蘇省自然科學項目“三維極薄吸收層TiO2/ Cu2ZnSn（S，Se）4太陽能電池的制備及其性能研究（）”（項目號BK20141167）階段成果?！?/p>