双波段峰值可调PdO/n-Si/PdO异质结光电探测器

吴燕，邢佳乐，王全优

（合肥工业大学，安徽 合肥 230009）

0 引 言

光电检测的发展趋势是多波段、小型化、高集成度。由于双波段光电探测器可以区分并识别两个不同波长范围的目标信息，因此在成像技术、光波通信、环境监测等领域均得到了广泛的应用。为了实现双波段探测，研究人员采用分子束外延或金属有机化学气相沉积等技术将禁带宽度不同的光敏半导体材料集成在同一衬底上，利用二者光谱响应区域的差别来实现对不同波长范围的光信号检测。但该种方法往往制造工艺相对复杂，成本昂贵。近期有研究结果表明通过构建两个电荷分离方向相反的结构，可以基于单一半导体光敏材料的光电转化过程进行双波段光电探测，该类探测器器件结构及制备工艺简单、响应度高。

硅为微电子产业支撑材料，PdO的禁带宽度约为2 eV，为本征p型半导体，透明度高，具有优异的光学和电学性质。本文基于以上背景制备了PdO/n-Si/PdO双结光电探测器，利用在n-Si上刻蚀下沉台阶来控制两个背靠背n-Si/PdO结的高度差，使得二者所处位置的光场分布不同，并在光入射面上制备倒金字塔微结构阵列以提高器件在近红外波段的光响应。该PdO/n-Si/PdO异质结光电探测器在紫外-可见光区域以及近红外区域实现双波段探测，且探测峰的峰位可以通过改变下沉台阶的高度以及工作偏压进行调制。

1 实验分析

1.1 器件的制备

将轻掺杂n-Si衬底割成面积为1 cm×1 cm的硅片，在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗15min后氮气吹干备用。使用热释胶带在硅片上限定需刻蚀的台阶区域，接着将硅片放置到60℃的KOH溶液（质量比为50%）中刻蚀10～20 min以获得7～20 μm的下沉台阶深度。去除热释胶带，并在等离子清洗机中对硅片进行亲水处理，按照14：15：17的比例混合聚苯乙烯（PS）小球、去离子水和乙醇，并超声震荡以获得均匀的悬浊液。将聚苯乙烯小球悬浊液缓慢匀速注入盛有少量去离子水的培养皿中，然后在培养皿中滴入十二烷基硫酸钠，促进PS小球在空气-水界面进行自组装。1 min后，通过提拉法将紧密排列的PS小球阵列转移到经过亲水处理的硅片上，并对硅片在60 ℃进行退火处理，提高PS小球同硅片的粘附性。将硅片放入等离子体刻蚀机中，进行氧离子刻蚀160 s，控制PS小球间的距离。接着利用热释胶带保护电极区域，利用磁控溅射技术在硅片上沉积50 nm的Ti膜。将硅片放入甲苯溶液中，震荡5min去除PS小球，并用去离子水清洗。按照NaOH、异丙醇和去离子水的质量比为1：1：3配置NaOH溶液，将已去除PS小球的硅片放入NaOH溶液在60 ℃加热8 min，刻蚀倒金字塔微结构阵列。然后再将硅片放入60 ℃的HF酸溶液（体积比20%）里2 min去除硅片上的Ti。并剥离热释胶带后，采用去离子水将硅片清洗干净。采用高真空电子束技术在倒金字塔微结构阵列附近以及下沉台阶上匀速均匀沉积20 nm厚Pd薄膜。然后将硅片放入化学气相沉积管式炉里，在氧气氛围中（50 mTorr）700 ℃保温6 h，进行氧化反应。待CVD炉自然冷却到室温即可获得PdO薄膜，完成PdO/n-Si/PdO异质结光电探测器的制备。图1为器件制备过程。

图1 PdO/n-Si/PdO异质结光电探测器制备工艺示意图

1.2 器件的测试

采用半导体工艺以及器件模拟（TCAD）软件对器件的光场分布以及光电性能曲线进行了仿真。其中硅片厚度设置为200 μm，晶向为（100），掺杂浓度为5×10cm。器件中的PdO薄膜的长度分别设置为1 μm和1 μm，掺杂浓度设置为1×10cm。倒金字塔阵列深度0.7 μm，长度1 μm，间距0.3 μm。模拟计算中光的入射角设为90°，器件结构所包含的网格数约为30 650。

由于PdO为本征p型半导体，因此PdO/n-Si/PdO异质结中包含两个背靠背PN结。理论模拟显示当硅片表面没有台阶和微结构的时候，PdO/n-Si/PdO异质结中两个PN结附近的光场分布完全相同（如图2（a）所示）。倒金字塔微结构会导致照射在其上的光向水平方向偏转（如图2（b）所示），由于长波长的光不管是在气体中还是在硅中的衰减系数都小于短波长的光，因此可以从倒金字塔处折射到下沉台阶处，增强该部分的光场强度。图2（c）为正向偏压下PdO/n-Si/PdO异质结的能带图，从图中可以看到这两个PN结的内建电场方向相反，电流方向相反，PdO/n-Si/PdO异质结的总电流受到两个PN结的共同作用。施加正向偏压，结1内建电场减弱，结2内建电场增强。当无台阶时，在正偏压下PdO/n-Si/PdO异质结的光谱响应由结2决定。而当有了台阶后，器件在短波长光照射下，结1的光电流占主导地位，而在长波长光的照射下，器件的总电流由结2决定。因此通过改变两个PN结的高度差以及源漏偏压等手段，可以有效调制PdO/n-Si/PdO异质结的光谱响应。

图2 两种结构PdO/n-si/PdO光电探测器的TCAD仿真及原理分析

图2（d）中仿真结果证实了以上观点。在0.001 V偏压下硅片表面无台阶无微结构的PdO/n-Si/PdO异质结光电探测器在0.2～1 μm均具有明显的响应，探测峰值位于800 nm。而当两个PdO/n-Si的PN结分别位于硅上表面和下沉台阶上时，器件为双光谱响应。

图3（a）为制备的PdO薄膜和Si接触界面的原子力显微镜照片，从图中可以看到PdO薄膜均匀致密，粗糙度小，厚度约为45 nm。高分辨透射电镜结果显示薄膜是由纳米晶粒组成的，这些晶粒多为（101）晶向（如图3（b）所示）。薄膜的选区衍射图案为清晰的环状结构，这是典型的多晶薄膜特征（图3（b）中的插图）。从图3（c）中可以看到PdO薄膜在33.53°、33.83°、41.92°和45.12°存在明显的衍射峰，分别对应PdO的（002）（101）（110）和（102）晶相（JCPDS no.41-1107）。在XRD曲线中并未观察到其他物质的杂峰，这说明所制备的PdO薄膜的纯度较高。进一步的光学测试结果显示该PdO纳米薄膜在550 nm～1 200 nm均具有较高的透射率（图3d）。特别是当波长大于800 nm后，PdO薄膜的透射率高于80%。

图3 PdO薄膜表征结果

图4（a）为在硅片上刻蚀得到的倒金字塔微结构阵列扫描电镜照片。从图中可以看到，金字塔排列整齐规律，其边长约为0.71 μm，间距约为0.32 μm，深度约为0.5 μm（图4（a）中的插图）。器件在暗场条件下的电流-电压（I-V）曲线（如图4（b）所示）表明位于硅片表面和下沉台阶上的两个PbO薄膜均同n-Si片形成良好的PN结，并且器件对光具有明显的响应。是衡量光电探测器光电转换能力的重要参数，其可以根据下面的公式进行计算：

图4 PdO/n-si/PdO光电探测器的光电性能测试

其中为光电流，为暗电流，为入射光功率，为有效照明面积。图4（c）为下沉台阶深度分别为5 μm、7 μm、9 μm及 11 μm时，器件的响应度随波长变化曲线。随着下沉台阶的高度增加，器件在紫外-可见光区的探测峰从455 nm红移到560 nm，近红外区的探测峰从890移动到940 nm。且近红外区的探测峰半高宽具有明显的缩小趋势，说明探测器在该区域的波长选择性增强了。此外图4（d）为当下沉台阶高度为11 μm时，在-0.01 V、0 V和0.01 V偏压下的器件电流绝对值随偏压变化曲线。随着偏压由负值变为正值，器件的探测峰也会呈现红移现象。图4（e）为下沉台阶高度为11μm，工作偏压为0.01 V时器件的电流-时间（I-T）曲线，从图中可以看出器件的响应具有高的重复性和稳定性。

2 结 论

本文基于PdO/n-Si/PdO异质结成功构建了双波段峰值可调光电探测器。采用氧化Pd法制备的PdO薄膜均匀致密，同n-Si构成了良好的PN结。实验和理论模拟结果显示通过改变PdO/n-Si/PdO异质结中两个背靠背PN结所处位置的高度差以及工作偏压，可以有效地调整PdO/n-Si/PdO异质结光电探测器的探测峰值；并且器件显示出了良好的重复性和稳定性。另外该器件结构简单，制备工艺简单易行，其在光电子器件领域具有潜在的应用前景。