雙波段峰值可調(diào)PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)光電探測器

吳燕，邢佳樂，王全優(yōu)

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

0 引 言

光電檢測的發(fā)展趨勢是多波段、小型化、高集成度。由于雙波段光電探測器可以區(qū)分并識別兩個不同波長范圍的目標(biāo)信息，因此在成像技術(shù)、光波通信、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)雙波段探測，研究人員采用分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積等技術(shù)將禁帶寬度不同的光敏半導(dǎo)體材料集成在同一襯底上，利用二者光譜響應(yīng)區(qū)域的差別來實現(xiàn)對不同波長范圍的光信號檢測。但該種方法往往制造工藝相對復(fù)雜，成本昂貴。近期有研究結(jié)果表明通過構(gòu)建兩個電荷分離方向相反的結(jié)構(gòu)，可以基于單一半導(dǎo)體光敏材料的光電轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行雙波段光電探測，該類探測器器件結(jié)構(gòu)及制備工藝簡單、響應(yīng)度高。

硅為微電子產(chǎn)業(yè)支撐材料，PdO的禁帶寬度約為2 eV，為本征p型半導(dǎo)體，透明度高，具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。本文基于以上背景制備了PdO/n-Si/PdO雙結(jié)光電探測器，利用在n-Si上刻蝕下沉臺階來控制兩個背靠背n-Si/PdO結(jié)的高度差，使得二者所處位置的光場分布不同，并在光入射面上制備倒金字塔微結(jié)構(gòu)陣列以提高器件在近紅外波段的光響應(yīng)。該PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)光電探測器在紫外-可見光區(qū)域以及近紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)雙波段探測，且探測峰的峰位可以通過改變下沉臺階的高度以及工作偏壓進(jìn)行調(diào)制。

1 實驗分析

1.1 器件的制備

將輕摻雜n-Si襯底割成面積為1 cm×1 cm的硅片，在丙酮、無水乙醇和去離子水中分別超聲清洗15min后氮氣吹干備用。使用熱釋膠帶在硅片上限定需刻蝕的臺階區(qū)域，接著將硅片放置到60℃的KOH溶液（質(zhì)量比為50%）中刻蝕10～20 min以獲得7～20 μm的下沉臺階深度。去除熱釋膠帶，并在等離子清洗機(jī)中對硅片進(jìn)行親水處理，按照14：15：17的比例混合聚苯乙烯（PS）小球、去離子水和乙醇，并超聲震蕩以獲得均勻的懸濁液。將聚苯乙烯小球懸濁液緩慢勻速注入盛有少量去離子水的培養(yǎng)皿中，然后在培養(yǎng)皿中滴入十二烷基硫酸鈉，促進(jìn)PS小球在空氣-水界面進(jìn)行自組裝。1 min后，通過提拉法將緊密排列的PS小球陣列轉(zhuǎn)移到經(jīng)過親水處理的硅片上，并對硅片在60 ℃進(jìn)行退火處理，提高PS小球同硅片的粘附性。將硅片放入等離子體刻蝕機(jī)中，進(jìn)行氧離子刻蝕160 s，控制PS小球間的距離。接著利用熱釋膠帶保護(hù)電極區(qū)域，利用磁控濺射技術(shù)在硅片上沉積50 nm的Ti膜。將硅片放入甲苯溶液中，震蕩5min去除PS小球，并用去離子水清洗。按照NaOH、異丙醇和去離子水的質(zhì)量比為1：1：3配置NaOH溶液，將已去除PS小球的硅片放入NaOH溶液在60 ℃加熱8 min，刻蝕倒金字塔微結(jié)構(gòu)陣列。然后再將硅片放入60 ℃的HF酸溶液（體積比20%）里2 min去除硅片上的Ti。并剝離熱釋膠帶后，采用去離子水將硅片清洗干凈。采用高真空電子束技術(shù)在倒金字塔微結(jié)構(gòu)陣列附近以及下沉臺階上勻速均勻沉積20 nm厚Pd薄膜。然后將硅片放入化學(xué)氣相沉積管式爐里，在氧氣氛圍中（50 mTorr）700 ℃保溫6 h，進(jìn)行氧化反應(yīng)。待CVD爐自然冷卻到室溫即可獲得PdO薄膜，完成PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)光電探測器的制備。圖1為器件制備過程。

圖1 PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)光電探測器制備工藝示意圖

1.2 器件的測試

采用半導(dǎo)體工藝以及器件模擬（TCAD）軟件對器件的光場分布以及光電性能曲線進(jìn)行了仿真。其中硅片厚度設(shè)置為200 μm，晶向為（100），摻雜濃度為5×10cm。器件中的PdO薄膜的長度分別設(shè)置為1 μm和1 μm，摻雜濃度設(shè)置為1×10cm。倒金字塔陣列深度0.7 μm，長度1 μm，間距0.3 μm。模擬計算中光的入射角設(shè)為90°，器件結(jié)構(gòu)所包含的網(wǎng)格數(shù)約為30 650。

由于PdO為本征p型半導(dǎo)體，因此PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)中包含兩個背靠背PN結(jié)。理論模擬顯示當(dāng)硅片表面沒有臺階和微結(jié)構(gòu)的時候，PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)中兩個PN結(jié)附近的光場分布完全相同（如圖2（a）所示）。倒金字塔微結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致照射在其上的光向水平方向偏轉(zhuǎn)（如圖2（b）所示），由于長波長的光不管是在氣體中還是在硅中的衰減系數(shù)都小于短波長的光，因此可以從倒金字塔處折射到下沉臺階處，增強(qiáng)該部分的光場強(qiáng)度。圖2（c）為正向偏壓下PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)的能帶圖，從圖中可以看到這兩個PN結(jié)的內(nèi)建電場方向相反，電流方向相反，PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)的總電流受到兩個PN結(jié)的共同作用。施加正向偏壓，結(jié)1內(nèi)建電場減弱，結(jié)2內(nèi)建電場增強(qiáng)。當(dāng)無臺階時，在正偏壓下PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)的光譜響應(yīng)由結(jié)2決定。而當(dāng)有了臺階后，器件在短波長光照射下，結(jié)1的光電流占主導(dǎo)地位，而在長波長光的照射下，器件的總電流由結(jié)2決定。因此通過改變兩個PN結(jié)的高度差以及源漏偏壓等手段，可以有效調(diào)制PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)的光譜響應(yīng)。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)PdO/n-si/PdO光電探測器的TCAD仿真及原理分析

圖2（d）中仿真結(jié)果證實了以上觀點。在0.001 V偏壓下硅片表面無臺階無微結(jié)構(gòu)的PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)光電探測器在0.2～1 μm均具有明顯的響應(yīng)，探測峰值位于800 nm。而當(dāng)兩個PdO/n-Si的PN結(jié)分別位于硅上表面和下沉臺階上時，器件為雙光譜響應(yīng)。

圖3（a）為制備的PdO薄膜和Si接觸界面的原子力顯微鏡照片，從圖中可以看到PdO薄膜均勻致密，粗糙度小，厚度約為45 nm。高分辨透射電鏡結(jié)果顯示薄膜是由納米晶粒組成的，這些晶粒多為（101）晶向（如圖3（b）所示）。薄膜的選區(qū)衍射圖案為清晰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這是典型的多晶薄膜特征（圖3（b）中的插圖）。從圖3（c）中可以看到PdO薄膜在33.53°、33.83°、41.92°和45.12°存在明顯的衍射峰，分別對應(yīng)PdO的（002）（101）（110）和（102）晶相（JCPDS no.41-1107）。在XRD曲線中并未觀察到其他物質(zhì)的雜峰，這說明所制備的PdO薄膜的純度較高。進(jìn)一步的光學(xué)測試結(jié)果顯示該PdO納米薄膜在550 nm～1 200 nm均具有較高的透射率（圖3d）。特別是當(dāng)波長大于800 nm后，PdO薄膜的透射率高于80%。

圖3 PdO薄膜表征結(jié)果

圖4（a）為在硅片上刻蝕得到的倒金字塔微結(jié)構(gòu)陣列掃描電鏡照片。從圖中可以看到，金字塔排列整齊規(guī)律，其邊長約為0.71 μm，間距約為0.32 μm，深度約為0.5 μm（圖4（a）中的插圖）。器件在暗場條件下的電流-電壓（I-V）曲線（如圖4（b）所示）表明位于硅片表面和下沉臺階上的兩個PbO薄膜均同n-Si片形成良好的PN結(jié)，并且器件對光具有明顯的響應(yīng)。是衡量光電探測器光電轉(zhuǎn)換能力的重要參數(shù)，其可以根據(jù)下面的公式進(jìn)行計算：

圖4 PdO/n-si/PdO光電探測器的光電性能測試

其中為光電流，為暗電流，為入射光功率，為有效照明面積。圖4（c）為下沉臺階深度分別為5 μm、7 μm、9 μm及 11 μm時，器件的響應(yīng)度隨波長變化曲線。隨著下沉臺階的高度增加，器件在紫外-可見光區(qū)的探測峰從455 nm紅移到560 nm，近紅外區(qū)的探測峰從890移動到940 nm。且近紅外區(qū)的探測峰半高寬具有明顯的縮小趨勢，說明探測器在該區(qū)域的波長選擇性增強(qiáng)了。此外圖4（d）為當(dāng)下沉臺階高度為11 μm時，在-0.01 V、0 V和0.01 V偏壓下的器件電流絕對值隨偏壓變化曲線。隨著偏壓由負(fù)值變?yōu)檎?，器件的探測峰也會呈現(xiàn)紅移現(xiàn)象。圖4（e）為下沉臺階高度為11μm，工作偏壓為0.01 V時器件的電流-時間（I-T）曲線，從圖中可以看出器件的響應(yīng)具有高的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

2 結(jié) 論

本文基于PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)成功構(gòu)建了雙波段峰值可調(diào)光電探測器。采用氧化Pd法制備的PdO薄膜均勻致密，同n-Si構(gòu)成了良好的PN結(jié)。實驗和理論模擬結(jié)果顯示通過改變PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)中兩個背靠背PN結(jié)所處位置的高度差以及工作偏壓，可以有效地調(diào)整PdO/n-Si/PdO異質(zhì)結(jié)光電探測器的探測峰值；并且器件顯示出了良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。另外該器件結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝簡單易行，其在光電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。