王悅

（合肥工業(yè)大學 微電子學院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

光電探測器能夠準確地將入射光信號轉換為電信號，在多個光譜范圍內都具有廣泛的應用，近年來吸引了科研工作者的研究興趣。如紫外探測器廣泛用于導彈追蹤、火災預警等；可見光和近紅外光電探測器廣泛用于光通信、成像、測距和消費產品等。因此，一個光電性能優(yōu)越，制造成本低的寬光譜光電探測器將會有著巨大的應用前景。塊體硫化鉛作為傳統(tǒng)的IV-VI族半導體，在室溫下有0.41 eV的直接窄帶隙，并在商業(yè)上被用于短波紅外光的探測。而納米結構的硫化鉛有著從可見到近紅外區(qū)域的寬光譜吸收，是制備寬光譜光電探測器潛在的候選材料。在本研究中，通過化學浴沉積（CBD）方法合成了質量較高，表面連續(xù)的硫化鉛納米薄膜，并制備了基于厚度約為500 nm硫化鉛薄膜的光電探測器。光電測試表明硫化鉛薄膜具有寬光譜響應，尤其在1 050 nm的近紅外光表現(xiàn)出良好的光電特性。

1 實驗部分

1.1 材料合成及表征

硫化鉛薄膜是通過CBD方法沉積在玻璃襯底上的。在沉積之前，玻璃襯底分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗15 min，然后在室溫下晾干。前驅體溶液的制備方法是將5 mL 1 mol/L硝酸鉛 [(Pb(NO)）]溶液放入100 mL的燒杯中，依次加入20 mL 1 mol/L的氫氧化鈉（NaOH）溶液，6 mL 1 mol/L的硫脲[(HN)CS]溶液，4 mL 1mol/L的三乙醇胺[(HOCHCH)N，TEA]溶液，然后通過加入去離子水使混合溶液的總體積達到100 mL。玻璃襯底斜靠放置在玻璃燒杯內。通過控制沉積時間（1.5 h，5.5 h，22 h）可以合成不同厚度的PbS薄膜。之后，將表面附有PbS薄膜的玻璃襯底從反應溶液中取出。每次取出后，用去離子水反復沖洗，以去除殘余溶液和未附著在薄膜表面的沉積物。

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對薄膜的形貌進行了表征，能量色散X射線譜（EDS）研究了薄膜的化學元素分布，原子力顯微鏡（AFM）對薄膜的厚度和均勻性進行了表征。

1.2 器件制備及表征

為了制造基于PbS薄膜的光電探測器，將帶有PbS薄膜的玻璃基片切成小塊并轉移到電子束蒸發(fā)的真空室中。通過使用實驗室自制的金屬掩模，將金電極（50 nm）沉積在PbS薄膜層上。使用半導體參數(shù)測試系統(tǒng)（Keithley 4200-SCS）在室溫環(huán)境下對器件的光電特性進行表征。

2 實驗結果與討論

圖1描述了化學浴沉積（CBD）方法合成PbS薄膜及器件制備的流程圖。詳細的過程已在實驗部分進行了介紹。高質量的薄膜對于器件的性能起著至關重要的作用，因此我們對PbS薄膜進行了一系列表征分析。圖2a所示分別為沉積時間為1.5 h、5.5 h和22 h所獲得PbS薄膜的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖。從圖中可以看出，許多納米團簇分布在PbS薄膜的整個表面，沒有明顯的空洞。此外，隨著薄膜厚度的增加，薄膜表面也變得更加均勻和連續(xù)。這說明即便是在室溫且非真空環(huán)境的條件下，采用簡易的CBD法獲得的PbS薄膜仍具有較高的質量。在這里，我們選擇沉積時間為22 h所得的PbS薄膜進行后續(xù)的實驗。圖2b為PbS薄膜的能量色散X射線光譜元素映射圖。可以清楚地發(fā)現(xiàn)，PbS薄膜的元素均勻分布。

圖1 基于PbS薄膜的光電探測器的制造示意圖

圖2 FESEM圖與能譜元素映射圖

為了研究22 h合成的PbS薄膜厚度及表面質量，測試了薄膜的原子力顯微鏡（AFM），如圖3所示。從圖3a插圖中可以看見，PbS薄膜表面比較平整，通過掃描基底與薄膜的臺階可以得出PbS薄膜的厚度約為500 nm，從圖3（b）的薄膜表面的三維原子力顯微鏡圖像進一步表明該薄膜表面比較均勻。

圖3 高度分布圖與三維原子力顯微鏡圖像

為了探究PbS薄膜的光電特性，構建了基于厚度約為500 nm PbS薄膜的光電探測器，并對其性能參數(shù)進行了詳細的測試和計算。PbS薄膜的器件結構如圖4a所示，從上到下依次是Au、PbS薄膜、玻璃基底。接下來用半導體測試儀對器件進行了電學測試，圖4b顯示了器件在黑暗和1050 nm照明下的電流-電壓（I-V）曲線。從圖中可以看出，在偏置電壓為-2 V時，該器件的暗電流為～-4.245 μA，而在1050 nm光照下，光電流顯著提升到～8.5 μA，表明PbS薄膜對1 050 nm近紅外光具有較靈敏的響應。值得注意的是，圖中黑暗和光照條件下觀察到的經過原點的且對稱的電流-電壓線性曲線表明金電極與PbS納米薄膜之間形成良好的歐姆接觸，這也說明了制備的器件實際上是典型的光電導型器件。

圖4 PbS薄膜的光電特性

作為傳統(tǒng)的窄禁帶半導體紅外探測材料，PbS基光電探測器對近紅外的光具有明顯的光響應特性，這是合理的。然而正如在前文提到的納米結構的硫化鉛有著寬光譜的響應范圍，因此在接下來的工作中，還通過測試探究了器件對紫外光和可見光的敏感性。如圖 5a 所示。器件在365 nm-1650 nm光照下均顯示出明顯的光響應特性，這意味件器件對紫外光-可見光-近紅外光表現(xiàn)出寬光譜響應。圖5b給出了器件的光譜響應，可以發(fā)現(xiàn)，器件從紫外到近紅外區(qū)域都具有良好的光響應。在所有光照下（偏置電壓為-2 V，光強度1mW cm時），響應度均大于1 A/W，遠優(yōu)于其他的一些寬光譜光電探測器。此外。在1050 nm的響應峰值處，響應度可以達4.25 A/W。

圖5 不同波長下光電探測器的光電特性

器件的光響應也強烈依賴與入射光功率。圖6a和圖6b所示為光電探測器在不同光強的1 050 nm光照下的I-V和-曲線，很明顯，可以看到光電流隨光強度的增加而單調增加。具體來講，當光強度從18.6上升到1 968 μW cm時，光電流從4.37單調增加到9.77 μA。這是合理的，因為在強度更高的光照下會產生更多的電子-空穴對，從而產生更高的光電流。光電流對光強度的依賴性通過使用一般的冪定律（∝P）進一步擬合，其中被定義為凈光電流（=-），是反映載流子復合的經驗值。如圖6c所示，的擬合值為0.61，與理想值（=1）有著較大偏差，表明器件中存在較大的復合損耗，這可能是由于PbS薄膜中晶界和表面陷阱狀態(tài)發(fā)生的載流子復合造成的。

圖6 光電探測器在1050 nm光照下不同光強下的光電特性

為了定量評估基于PbS薄膜的光電探測器的性能，通過以下公式計算并繪制在圖6d中的兩個關鍵參數(shù)，即器件在1 050 nm照明下的響應度（）和光電導增益（）：

其中是入射光功率，是器件的有效照明面積（定義為兩個電極之間的薄膜有效受光面積，約1.0×10cm），是普朗克常數(shù)，是光速，是電子電荷，是入射波長，是內部量子效率。假設100%的內部量子效率，在18.6 μW cm的強度下，和在-2 V偏壓下分別達到9.56 A/W和11.3（如圖6d所示）。此外，這兩個參數(shù)都隨著光強的增加而減小，這是合理的。因為在更高的強度下會產生更多的載流子，從而導致更高的復合損耗。

3 結 論

通過化學浴沉積（CBD）法實現(xiàn)了對PbS薄膜的可控生長，并探究不同沉積時間下PbS薄膜的質量，選擇約500 nm的PbS薄膜制備了光電探測器。進一步的器件分析表明，基于PbS薄膜的光電探測器有著從紫外到紅外區(qū)域的寬光譜響應，響應峰值在1 050 nm。在-2 V偏壓、光強為18.6 μW cm的1050 nm光照的條件下，器件的響應度和增益分別達到9.56 A/W和11.3。這項工作表明了PbS這種材料在寬光譜光電探測領域的巨大潛力，也進一步豐富了光電子器件制造的基礎。