MoS_2_GaAs异质结光电探测器的制备及性能研究_李俊.pdf

第 卷第 期功能材料与器件学报.，.年 月 ，文章编号：（）：收稿日期：；修订日期：作者简介：李 俊（），男，河南工业大学理学院（：）通信作者：马兴科（），男，博士，教授，河南工业大学理学院（：）异质结光电探测器的制备及性能研究李 俊，马兴科（河南工业大学理学院，）摘要：使用磁控溅射法在 衬底上制备 薄膜，形成 异质结，通过控制磁控溅射的时间来控制薄膜厚度，并对 异质结的光电性能进行了研究。结果表明：在溅射时间为 薄膜厚度为 时器件的性能最佳，光电探测器的响应度和比探测率分别为 和，器件对 到 波长的光都有良好的响应，所制备的器件适合用于近红外光探测。关键词：薄膜；磁控溅射法；异质结；光电探测器中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；引言二硫化钼（）作为常见过渡金属硫族化合物，其层内通过紧密的化学键结合，层间通过范德华力结合，因此十分容易被剥离成单层或少层。具有良好的化学稳定性和润滑性能，作为窄带系 型半导体，其带隙由单层的 过渡到厚层的，对应着可见光和近红外光的能量。因此，在光电探测器、太阳能电池、场效应晶体管等器件方面有着广阔的应用前景。砷化镓（）作为直接带隙半导体材料，带隙为，相比与 有更大的电子迁移率，且表面不容易被氧化，因此常用于制备集成电路衬底，光电探测器等器件。制备 的方法主要有机械剥离法、磁控溅射法、化学气相沉积法、分子束外延法等。磁控溅射法相对于其他方法有成膜速率快，薄膜均匀、操作简单等优点。目前，基于 的光电探测器已有许多报道，但是关于 与 异质结光电探测器的研究却很少见，特别是薄膜的厚度对光电探测器的影响需要深入而系统的研究。本文利用磁控溅射的方法在 衬底上制备了 薄膜，通过控制溅射时间得到不同厚度的薄膜，研究薄膜厚度对晶体结构和表面形貌的影响。制备成成光电探测器后，探讨了薄膜厚度对光电探测器的影响，测试了器件在不同功率和不同波长下的响应情况，计算了器件在不同光功率下的响应度和比探测率。实验选用射频磁控溅射作为制备二硫化钼的装置，靶材选纯度为 的二硫化钼靶材，选用 作为衬底原位生长。将 衬底放入无水乙醇和去离子水中分别超声 次，然后将衬底放入真空室中，将真空室压强抽至，然后升高温度至，功率设定为，通入氩气的流量为，预溅射 分钟，然后打开挡板，选择不同的溅射时间（、）制备出二硫化钼薄膜。利用 射线衍射仪和拉曼光谱仪测定薄膜的晶体结构。利用扫扫描电子显微镜来观察异质结的表面形貌和截面形貌。利用材料和半导体参数分析仪测试所制备器件的光电性能。实验结果与分析 薄膜的结构与形貌表 溅射时间与薄膜厚度的关系 时间（）膜厚（）图（）为不同厚度 薄膜的 图。可图 （）不同溅射时间下的 图（）不同溅射时间下的 图（）溅射 表面 图（）溅射 截面 图 （）（）（）（）以看出，当溅射时间小于 时。仅出现衬底 的衍射峰，无其他明显的衍射峰，这是由于与 晶格常数不匹配所造成的，随着溅射时间的增加，在 出现了明显的衍射峰，对应于的（）晶面，当薄膜厚度继续增加，在 出现了衍射峰，对应于 的（）晶面。图（）为不同厚度 薄膜的 图。可以看出所有样品在 和 附近有两个明显的衍射峰，对应于 的面内振动模式 和面外振动模式，两个振动模式的峰位差约为，随着溅射时间的增加，两个衍射峰有一定程度的蓝移，这是因为薄膜在高温环境中不断的释放应力所导致的。图（）为沉积 所得样品的表面 图，表面是由大量的纳米针状 堆叠而成，表面平整且没有明显的缺陷，说明所制备的薄膜均匀性较好。图（）为所制备的样品的截面 图，可以看出薄膜与衬底结合良好，且界面清晰，利用扫描电镜测得薄膜的厚度约为，表 为不同溅射时间的薄膜厚度，初始时薄膜的生长速率较快，约为，主要是初始阶段薄膜是以“岛加层”的模式生长，随着溅射时间的增加，薄膜的生长速率减慢约为，这时薄膜主要以层状生长为主。功能材料与器件学报 卷图 （）不同器件的 图（）器件在不同功率下的 图（）器件在不同功率下的 图（）器件在不同功率下的响应度和比探测率（）器件的响应时间（）器件在不同光照波长下的 图 （）（）（）（）（）（）光电探测器性能测试在 表面涂抹银胶作为电极，并在 底部涂抹铟镓共晶作为电极，基于此方法，将 个不同厚度的样品制备成光电探测器分别记做、。图（）为不同器件在波长为、功率为 光照下的 特性曲线，器件有着较低的光电流（）和暗电流（）。器件在光照下有明显的响应电流，、器件的响应电流相对于 器件有明显的下降，主要是因为薄膜厚度逐渐增加，耗尽层过宽导致暗电流过大，影响器件的灵敏度。所以我们选用 器件进行下一步的测试，首先测试器件在不同功率下的光响应情况，图（）展示了器件在不同光功率下的 图，器件的暗电流约为，而光电流可以达到，即使器件在 的低功率下，仍能保持 的光暗电流之比。图（）展示了器件随着光照强度的增加，响应电流也随之增加，这说明器件对信号有着良好的辨识能力。响应度 是衡量光电探测器的一个指标，它衡量了器件将光信号转换为电信号的能力。其中 是光电流，是暗电流，是入射光功率，为接受光照的面积，本文中为。比探测率表示光电探测器能够探测最小光信号的能力，通常用符号 表示 其中 为响应度，为单位电荷，为器件面积，本文中约为，图（）展示了器件在不同光功率下的响应度，在功率为 的光照下，器件的响应度和比探测率分别为 和（），随着光照功率的继续增加，响应度和比探测率会随着光照功率的增加而下降，这是因为光照强度增加导致载流子复合剧烈，导致响应度降低。图（）展示了器件的上升时间和下降时间分别为 和。图（）展示了器件在 的波长下的光响应情况，在不同波长的光照下，器件都展示出了良好的重复性和稳定性，显示出优异的近红外光探测能力。当入射光的波长小于 时，器件的光响应由 和 共同提供，当入射光的波长大于，此时已经超过了 的吸收范围，光响应由 提供。器件优秀的能力主要取决于两个原因：、成功构筑了大面积的垂直异质结，它能有效的缩短载流子的运输路径。、制备的异质结为型异质结，能够有效的分离载流子，延长非平衡载流子的寿命，能够有效的提升器件的性能。结论与展望本文利用射频磁控溅射技术在 衬底上制备了 薄膜，随着薄膜厚度的增加，薄膜的结晶质量逐渐提高，在制备成器件后，对器件的光电性能进行测试，当溅射时间为 薄膜厚度为 时器件的光响应情况最好，器件的开关比达到了，其响应度和比探测率分别为 和 ，上升时间和下降时间分别为 和。同时器件对 波长 期李 俊，等：异质结光电探测器的制备及性能研究范围的光都有良好的响应。用本文的方法所制备的光电探测器具有良好的响应度和探测率，可用于制备高性能的近红外光探测器。针对目前的研究现状，提升光电探测器的性能可以从以下几个方面进行：、继续对制备 薄膜的方法进行优化。、在异质结界面增加绝缘层或钝化层以降低暗电流。、采用性能更优异的电极材料以降低材料的阻值。参考文献：，：，（）：，（），（），（），（），（）：，：，（）：，（），（），：，（）：（），（）：，：，（）：，（）：，（）李秀华，张敏，杨佳等 薄膜厚度对射频磁控溅射 薄膜光电性能的影响物理学报，（）：功能材料与器件学报 卷