雙波段峰值可調PdO/n-Si/PdO異質結光電探測器

吳燕，邢佳樂，王全優

（合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

0 引 言

光電檢測的發展趨勢是多波段、小型化、高集成度。由于雙波段光電探測器可以區分并識別兩個不同波長范圍的目標信息，因此在成像技術、光波通信、環境監測等領域均得到了廣泛的應用。為了實現雙波段探測，研究人員采用分子束外延或金屬有機化學氣相沉積等技術將禁帶寬度不同的光敏半導體材料集成在同一襯底上，利用二者光譜響應區域的差別來實現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雜，成本昂貴。近期有研究結果表明通過構建兩個電荷分離方向相反的結構，可以基于單一半導體光敏材料的光電轉化過程進行雙波段光電探測，該類探測器器件結構及制備工藝簡單、響應度高。

硅為微電子產業支撐材料，PdO的禁帶寬度約為2 eV，為本征p型半導體，透明度高，具有優異的光學和電學性質。本文基于以上背景制備了PdO/n-Si/PdO雙結光電探測器，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構陣列以提高器件在近紅外波段的光響應。該PdO/n-Si/PdO異質結光電探測器在紫外-可見光區域以及近紅外區域實現雙波段探測，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行調制。

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域，接著將硅片放置到60℃的KOH溶液（質量比為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，并在等離子清洗機中對硅片進行親水處理，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皿中，然后在培養皿中滴入十二烷基硫酸鈉，促進PS小球在空氣-水界面進行自組裝。1 min后，通過提拉法將緊密排列的PS小球陣列轉移到經過親水處理的硅片上，并對硅片在60 ℃進行退火處理，提高PS小球同硅片的粘附性。將硅片放入等離子體刻蝕機中，進行氧離子刻蝕160 s，控制PS小球間的距離。接著利用熱釋膠帶保護電極區域，利用磁控濺射技術在硅片上沉積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，刻蝕倒金字塔微結構陣列。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在倒金字塔微結構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氣相沉積管式爐里，在氧氣氛圍中（50 mTorr）700 ℃保溫6 h，進行氧化反應。待CVD爐自然冷卻到室溫即可獲得PdO薄膜，完成PdO/n-Si/PdO異質結光電探測器的制備。圖1為器件制備過程。

圖1 PdO/n-Si/PdO異質結光電探測器制備工藝示意圖

1.2 器件的測試

采用半導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行了仿真。其中硅片厚度設置為200 μm，晶向為（100），摻雜濃度為5×10cm。器件中的PdO薄膜的長度分別設置為1 μm和1 μm，摻雜濃度設置為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為90°，器件結構所包含的網格數約為30 650。

由于PdO為本征p型半導體，因此PdO/n-Si/PdO異質結中包含兩個背靠背PN結。理論模擬顯示當硅片表面沒有臺階和微結構的時候，PdO/n-Si/PdO異質結中兩個PN結附近的光場分布完全相同（如圖2（a）所示）。倒金字塔微結構會導致照射在其上的光向水平方向偏轉（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，增強該部分的光場強度。圖2（c）為正向偏壓下PdO/n-Si/PdO異質結的能帶圖，從圖中可以看到這兩個PN結的內建電場方向相反，電流方向相反，PdO/n-Si/PdO異質結的總電流受到兩個PN結的共同作用。施加正向偏壓，結1內建電場減弱，結2內建電場增強。當無臺階時，在正偏壓下PdO/n-Si/PdO異質結的光譜響應由結2決定。而當有了臺階后，器件在短波長光照射下，結1的光電流占主導地位，而在長波長光的照射下，器件的總電流由結2決定。因此通過改變兩個PN結的高度差以及源漏偏壓等手段，可以有效調制PdO/n-Si/PdO異質結的光譜響應。

圖2 兩種結構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構的PdO/n-Si/PdO異質結光電探測器在0.2～1 μm均具有明顯的響應，探測峰值位于800 nm。而當兩個PdO/n-Si的PN結分別位于硅上表面和下沉臺階上時，器件為雙光譜響應。

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）。薄膜的選區衍射圖案為清晰的環狀結構，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的雜峰，這說明所制備的PdO薄膜的純度較高。進一步的光學測試結果顯示該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薄膜表征結果

圖4（a）為在硅片上刻蝕得到的倒金字塔微結構陣列掃描電鏡照片。從圖中可以看到，金字塔排列整齊規律，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，并且器件對光具有明顯的響應。是衡量光電探測器光電轉換能力的重要參數，其可以根據下面的公式進行計算：

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-可見光區的探測峰從455 nm紅移到560 nm，近紅外區的探測峰從890移動到940 nm。且近紅外區的探測峰半高寬具有明顯的縮小趨勢，說明探測器在該區域的波長選擇性增強了。此外圖4（d）為當下沉臺階高度為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。隨著偏壓由負值變為正值，器件的探測峰也會呈現紅移現象。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具有高的重復性和穩定性。

2 結 論

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