Fe3O4-Si側向光伏特性的研究

王先杰 宋炳乾 張 宇

(哈爾濱工業大學物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

Fe3O4-Si側向光伏特性的研究

王先杰 宋炳乾 張 宇

(哈爾濱工業大學物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

文章介紹利用脈沖激光沉積技術在單晶(100)Si襯底上生長出高質量的Fe3O4擇優取向(111)薄膜，并對其側向光伏特性作了詳細研究，尤其是側向光伏電壓的位置關系及其與薄膜厚度、激光的功率的關系.實驗結果表明，Fe3O4(20nm)-Si結構的側向光伏電壓值最大，其位置靈敏度高達26.32mV·mm-1，而且出現垂直位移的情況下，其位置靈敏度在減小，對應著非線性度也增大；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;側向光伏;半導體

光電效應的發現和高純半導體工藝的實現，為太陽能的合理利用作足了準備.光電效應是指在某些材料內部的電子會由于吸收光的能量而被激發出來形成電流，即光產生電.光生伏特效應是指光照射在不均勻半導體或者半導體異質結產生電位差的現象.光電器件不僅可以把源源不斷的太陽能轉換為電能，也在信號探測領域有重要的應用.Schottky在1930年發現了側向光伏(lateral photovoltage,LPV)現象，1957年Wallmark在Ge P+-N結中首次發現了側向光伏大小與光照位置間的線性依賴關系并作出了物理解釋[1，2].研究發現側向光伏效應來源于光生載流子從光照處向未光照處的橫向擴散.側向光伏效應不僅與光照位置具有非常好的線性關系，而且具有很高的位置靈敏度，這就使得側向光伏效應成為多種靈敏光學傳感器，尤其是位置靈敏器(position-sensitive detectors, PSD)中最核心的部分.

此后，側向光伏效應在多種PN結以及金屬-半導體(MS)結構中被陸續觀測到[2].MS結構的側向光伏效應不僅與光照位置具有非常好的線性關系，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結構中發現了側向光伏效應，他們進一步的研究表明通過增加金屬薄膜的電阻可以顯著提高MOS結構的側向光伏效應，比如通過制備不連續的金屬或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構的側向光伏效應，從而在TiO2(1.2nm)/Ti(6.2nm)/Si結構中獲得了靈敏度高達97mV·mm-1的光伏效應[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器件的實際應用.此后，在ZnO-Si結構中也發現了側向光伏效應，其靈敏度達到了41.85mV·mm-1，研究表明由于這些金屬氧化物薄膜具有半導體特性，可以在與半導體接觸時形成類似于內建電場，用于分離光生電子-空穴對[7].最近，我們在實驗中也發現了Fe3O4薄膜在與Si半導體接觸時也能產生側向光伏效應[8].

1 實驗

1.1 側向光伏效應的原理

側向光伏效應是由于光生載流子橫向運動而產生的一種物理現象.當點光源照射在PN結、金屬半導體結或者半導體異質結的表面時，光子的能量大于材料禁帶寬度會在照射位置下方的半導體中產生大量電子-空穴對，這些光生載流子被內建電場分離后會在同一側表面上進行橫向擴散，從而可測量到光生電壓，這就稱為側向光伏效應.對于PN結而言，由于PN結本身在結區存在內建電場，且方向為N區指向P區，由光照產生的電子-空穴對就會在內建電場的作用下向兩邊運動，其中空穴向著P區運動，電子則向著N區運動.這樣，P區的電勢升高，N區的電勢降低，PN結的兩端產生了電動勢，這就是所謂的縱向光伏效應(結光電效應).由于采用的是點光源(其光斑很小)，照射到PN結表面時，只在光斑的附近產生電子-空穴對，在內建電場的作用下分別向N區和P區運動.注入的過剩載流子造成電荷的不平衡分布，在P區的過剩空穴和N區的過剩電子就會向兩邊擴散，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/半導體結中，由于金屬/半導體界面附近的肖特基“內建電場”的作用，使得光生電子從半導體躍遷至金屬薄膜層.由于載流子數密度與周圍存在明顯差異，會發生載流子的橫向擴散(包括金屬薄膜一側和半導體一側)，從而在輻照點兩側的非對稱位置產生側向光伏電壓[1，2, 9].在金屬或半金屬-半導體結中側向光伏可以理解為兩個電極(A和B)收集的光生電荷濃度或數量不同所導致的電勢差.實驗表明，在理想情況下，PN結或金屬/半導體結的側向光伏與光照點的位置呈高度的線性關系[1-5].

側向光伏的大小隨著光照位置的變化，滿足[8]：

(1)

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

1.2 實驗設計

本研究我們采用在單晶Si襯底上生長Fe3O4半金屬氧化物，制備出Fe3O4-Si結構，以研究其側向光伏特性.Fe3O4的功函數是5.3eV，而Si的功函數為4.8eV，表明這兩種材料分離時Fe3O4的Fermi能級比Si低[10,11].而當Fe3O4與Si相接觸時，其化學勢的不對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的“內建電場”，可以用來分離光生電子-空穴對.

圖1 Fe3O4-Si結構的XRD數據

圖2 側向光伏實驗測試裝置簡圖

Fe3O4薄膜的制備使用脈沖激光沉積技術.靶材使用Fe2O3粉末經高壓壓制、高溫燒結后使用.通過控制樣品的沉積時間制備出不同厚度的薄膜，以備后續實驗.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薄膜是擇優取向的，沿著(111)面取向生長.這表明我們得到了結晶度很好的Fe3O4薄膜.

圖2是本實驗中測量側向光伏的實驗裝置結構示意圖.圖中實驗元件的參數如下：

He-Ne激光器—波長為632nm，光源穩定功率為1～15mW可調；

聚焦雙凸透鏡—焦距為2cm；

電壓表—Keithley 2000數字萬用表.

2 結果與討論

2.1 側向光伏隨激光點照射位置的變化關系

圖3 LPV信號隨光斑位置的變化

實驗中，我們采用固定激光器，采用電控二維位移平臺移動薄膜的方法來測試側向光伏電壓值.實驗中，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結構，作為測試對象.可以看出：在兩電極之間，側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；而且可以看出，當光斑位于兩電極中心x=0時，LPV=0；當激光光斑在兩電極端點處時產生的側向光電壓值最高，約有58mV，這是由于激光照射的端點(電極位置)處光生電子密度最大，而另一端點處電子數目最少，因此二者之間的電勢差最大.在兩電極的外側，電壓信號迅速減小.我們按照式(1)對實驗結果進行擬合，發現實驗結果與理論結果擬合得非常好，進一步證明了這是光生載流子的側向擴散所致.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與位置有著很好的線性度關系.其計算公式可由式(1)推導而來：

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

2.2 激光點沿y軸直線移動時側向光伏隨激光點x值的變化

圖4 不同厚度的薄膜對側向光伏電壓的影響

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.測試中，我們選擇一固定的垂直位移y，而后沿著x方向測試LPV隨光斑位置的變化.與圖4相對比，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小；同時，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系.這對應于隨著垂直位移的增大，側向光伏效應的非線性度也在不斷增大.

2.3 薄膜的厚度對側向光伏效應的影響

為了研究Fe3O4薄膜的厚度對側向光伏電壓的影響，我們制備了4組不同厚度的薄膜結構：Fe3O4(20nm)-Si、Fe3O4(30nm)-Si、Fe3O4(40nm)-Si和Fe3O4(50nm)-Si.對于不同厚度的薄膜結構，其共同特點是在兩電極之間的光生電壓信號隨著光斑位置的移動而線性變化；但是，不同厚度的Fe3O4薄膜對應著變化的光電壓幅值.圖5是不同厚度的薄膜結構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，該結構的靈敏度明顯減小.據此，我們推斷，對于Metal(Metal Oxide)-Semiconductor結構的側向光伏效應而言，其光生電壓信號嚴重依賴于薄膜厚度，薄膜厚度的減小能明顯增大其靈敏度.

圖5 不同Fe3O4厚度對該結構LPV的影響

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

2.4 激光的功率密度對側向光伏電壓的影響

實驗中，我們也研究了632nm的激光的功率密度對側向光伏效應的影響.從He-Ne激光器出來的激光，經過濾光片的分光，我們得到了不同功率密度的激光.實驗結果如圖6所示.可以看出，當激光功率密度較小時，Fe3O4(20nm)-Si結構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，在功率密度達到10mW左右，會逐漸達到一個飽和值.這是因為隨著功率密度的增大，光生載流子的數目會成倍增加，但是由于半導體材料的能級的限制，會出現一個飽和值[9].

圖6 不同功率下的Fe3O4(20nm)-Si結構的靈敏度的變化

3 結論

采用脈沖激光沉積技術在單晶Si基片上生長出高質量的Fe3O4薄膜，并詳細研究了在室溫下Fe3O4-Si結構中的側向光伏效應.發現 Fe3O4-Si結構中的光伏值隨著光斑位置的變化呈高度線性關系，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Fe3O4-Si結構的側向光伏效應的影響，結論如下： (1)隨著Fe3O4薄膜厚度的增大，其光生電壓信號在不斷減小； (2)當632nm激光的功率密度低于10mW時，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，同時其非線性度也在增大.這表明Fe3O4-Si結構在光電傳感器等元件上有著重要的潛在應用價值.

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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

教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會2014高等學校教學研究項目(DWJZW201402db)，黑龍江高等學校教改工程項目(JG2014010706).

張宇，男，教授，通訊作者，主要從事物理教學及光電探測的理論與應用技術研究工作，研究方向為“光學” .zhangyunn@hit.edu.cn

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