Fe3O4-Si侧向光伏特性的研究

王先杰 宋炳乾 张 宇

(哈尔滨工业大学物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)

Fe3O4-Si侧向光伏特性的研究

王先杰 宋炳乾 张 宇

(哈尔滨工业大学物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)

文章介绍利用脉冲激光沉积技术在单晶(100)Si衬底上生长出高质量的Fe3O4择优取向(111)薄膜，并对其侧向光伏特性作了详细研究，尤其是侧向光伏电压的位置关系及其与薄膜厚度、激光的功率的关系.实验结果表明，Fe3O4(20nm)-Si结构的侧向光伏电压值最大，其位置灵敏度高达26.32mV·mm-1，而且出现垂直位移的情况下，其位置灵敏度在减小，对应着非线性度也增大；Fe3O4薄膜厚度的增大不利于提高其位置灵敏度，但激光功率的增大有助于增大其位置灵敏度.

Fe3O4;侧向光伏;半导体

光电效应的发现和高纯半导体工艺的实现，为太阳能的合理利用作足了准备.光电效应是指在某些材料内部的电子会由于吸收光的能量而被激发出来形成电流，即光产生电.光生伏特效应是指光照射在不均匀半导体或者半导体异质结产生电位差的现象.光电器件不仅可以把源源不断的太阳能转换为电能，也在信号探测领域有重要的应用.Schottky在1930年发现了侧向光伏(lateral photovoltage,LPV)现象，1957年Wallmark在Ge P+-N结中首次发现了侧向光伏大小与光照位置间的线性依赖关系并作出了物理解释[1，2].研究发现侧向光伏效应来源于光生载流子从光照处向未光照处的横向扩散.侧向光伏效应不仅与光照位置具有非常好的线性关系，而且具有很高的位置灵敏度，这就使得侧向光伏效应成为多种灵敏光学传感器，尤其是位置灵敏器(position-sensitive detectors, PSD)中最核心的部分.

此后，侧向光伏效应在多种PN结以及金属-半导体(MS)结构中被陆续观测到[2].MS结构的侧向光伏效应不仅与光照位置具有非常好的线性关系，而且具有很高的位置灵敏度(从700μV·mm-1～30mV·mm-1)[3].Wang Hui课题组分别在Cr-Si、Ti-Si和Co-Si结构中发现了侧向光伏效应，他们进一步的研究表明通过增加金属薄膜的电阻可以显著提高MOS结构的侧向光伏效应，比如通过制备不连续的金属或Cu2O纳米薄膜、在金属薄膜上增加高电阻的氧化层等方式来提高结构的侧向光伏效应，从而在TiO2(1.2nm)/Ti(6.2nm)/Si结构中获得了灵敏度高达97mV·mm-1的光伏效应[4-6].但是由于纳米金属薄膜易氧化特性限制了这些基于金属薄膜-Si器件的实际应用.此后，在ZnO-Si结构中也发现了侧向光伏效应，其灵敏度达到了41.85mV·mm-1，研究表明由于这些金属氧化物薄膜具有半导体特性，可以在与半导体接触时形成类似于内建电场，用于分离光生电子-空穴对[7].最近，我们在实验中也发现了Fe3O4薄膜在与Si半导体接触时也能产生侧向光伏效应[8].

1 实验

1.1 侧向光伏效应的原理

侧向光伏效应是由于光生载流子横向运动而产生的一种物理现象.当点光源照射在PN结、金属半导体结或者半导体异质结的表面时，光子的能量大于材料禁带宽度会在照射位置下方的半导体中产生大量电子-空穴对，这些光生载流子被内建电场分离后会在同一侧表面上进行横向扩散，从而可测量到光生电压，这就称为侧向光伏效应.对于PN结而言，由于PN结本身在结区存在内建电场，且方向为N区指向P区，由光照产生的电子-空穴对就会在内建电场的作用下向两边运动，其中空穴向着P区运动，电子则向着N区运动.这样，P区的电势升高，N区的电势降低，PN结的两端产生了电动势，这就是所谓的纵向光伏效应(结光电效应).由于采用的是点光源(其光斑很小)，照射到PN结表面时，只在光斑的附近产生电子-空穴对，在内建电场的作用下分别向N区和P区运动.注入的过剩载流子造成电荷的不平衡分布，在P区的过剩空穴和N区的过剩电子就会向两边扩散，于是在光照处和非光照处就形成了电荷梯度.类似的，在金属/半导体结中，由于金属/半导体界面附近的肖特基“内建电场”的作用，使得光生电子从半导体跃迁至金属薄膜层.由于载流子数密度与周围存在明显差异，会发生载流子的横向扩散(包括金属薄膜一侧和半导体一侧)，从而在辐照点两侧的非对称位置产生侧向光伏电压[1，2, 9].在金属或半金属-半导体结中侧向光伏可以理解为两个电极(A和B)收集的光生电荷浓度或数量不同所导致的电势差.实验表明，在理想情况下，PN结或金属/半导体结的侧向光伏与光照点的位置呈高度的线性关系[1-5].

侧向光伏的大小随着光照位置的变化，满足[8]：

(1)

其中，K0是相应比例系数;L为两电极间的距离;d为对于金属材料的电子散射长度;x是光斑的辐照位置;y代表垂直位移.

1.2 实验设计

本研究我们采用在单晶Si衬底上生长Fe3O4半金属氧化物，制备出Fe3O4-Si结构，以研究其侧向光伏特性.Fe3O4的功函数是5.3eV，而Si的功函数为4.8eV，表明这两种材料分离时Fe3O4的Fermi能级比Si低[10,11].而当Fe3O4与Si相接触时，其化学势的不对等就造成了在接触面的能带弯曲，从而形成了类似于肖特基结的“内建电场”，可以用来分离光生电子-空穴对.

图1 Fe3O4-Si结构的XRD数据

图2 侧向光伏实验测试装置简图

Fe3O4薄膜的制备使用脉冲激光沉积技术.靶材使用Fe2O3粉末经高压压制、高温烧结后使用.通过控制样品的沉积时间制备出不同厚度的薄膜，以备后续实验.图1是利用脉冲激光沉积制备出的单相Fe3O4薄膜的XRD图，图中看出：在单晶(100)Si片上的Fe3O4薄膜是择优取向的，沿着(111)面取向生长.这表明我们得到了结晶度很好的Fe3O4薄膜.

图2是本实验中测量侧向光伏的实验装置结构示意图.图中实验元件的参数如下：

He-Ne激光器—波长为632nm，光源稳定功率为1～15mW可调；

聚焦双凸透镜—焦距为2cm；

电压表—Keithley 2000数字万用表.

2 结果与讨论

2.1 侧向光伏随激光点照射位置的变化关系

图3 LPV信号随光斑位置的变化

实验中，我们采用固定激光器，采用电控二维位移平台移动薄膜的方法来测试侧向光伏电压值.实验中，两电极之间的距离约为3.8mm，其LPV值随着光斑的位置的变化如图3所示.选择Fe3O4(20nm)-Si结构，作为测试对象.可以看出：在两电极之间，侧向光伏电压值与光照位置几乎成直线，这表明二者之间高度的线性相关；而且可以看出，当光斑位于两电极中心x=0时，LPV=0；当激光光斑在两电极端点处时产生的侧向光电压值最高，约有58mV，这是由于激光照射的端点(电极位置)处光生电子密度最大，而另一端点处电子数目最少，因此二者之间的电势差最大.在两电极的外侧，电压信号迅速减小.我们按照式(1)对实验结果进行拟合，发现实验结果与理论结果拟合得非常好，进一步证明了这是光生载流子的侧向扩散所致.其灵敏度是26.32mV·mm-1，其非线性度是5.39%.这意味着光电压信号与位置有着很好的线性度关系.其计算公式可由式(1)推导而来：

这可以用光生电子-空穴对的扩散理论来解释.在前面的分析中我们知道，半金属氧化物Fe3O4功函数大于Si的功函数，将Fe3O4生长在Si基片，形成一个肖特基结，在Fe3O4与Si间就存在向上的能带弯曲，Si表面与内部间也由于能带的弯曲建立起内建电场.当激光光斑辐照在薄膜面上，如果入射光子能量大于该结的禁带宽度，就会在光斑下方的Si衬底内部产生电子-空穴对.在内建电场的作用下，就会造成电子-空穴对的分离，Si中的电子流向Fe3O4薄膜，空穴流向Si衬底的底部.这样电子就会在Fe3O4表面重新排布.而且，电子的数目随着与光斑点的距离的增加呈e指数式衰减.如此就在光照点和非光照区域形成电荷梯度，从而表现为图3所示的侧向光伏效应[8].

2.2 激光点沿y轴直线移动时侧向光伏随激光点x值的变化

图4 不同厚度的薄膜对侧向光伏电压的影响

上述研究是在两电极之间的光生电压信号随位置的线性变化.而图4是在不同垂直位移下的LPV随位置的变化.测试中，我们选择一固定的垂直位移y，而后沿着x方向测试LPV随光斑位置的变化.与图4相对比，可以看出：在两电极之间的光生电压值是随着垂直位移的增大而减小；同时，在两电极附近的电压值与光斑位置并不存在明显的线性关系.这对应于随着垂直位移的增大，侧向光伏效应的非线性度也在不断增大.

2.3 薄膜的厚度对侧向光伏效应的影响

为了研究Fe3O4薄膜的厚度对侧向光伏电压的影响，我们制备了4组不同厚度的薄膜结构：Fe3O4(20nm)-Si、Fe3O4(30nm)-Si、Fe3O4(40nm)-Si和Fe3O4(50nm)-Si.对于不同厚度的薄膜结构，其共同特点是在两电极之间的光生电压信号随着光斑位置的移动而线性变化；但是，不同厚度的Fe3O4薄膜对应着变化的光电压幅值.图5是不同厚度的薄膜结构的位置灵敏度随薄膜厚度的变化，可以看出：随着Fe3O4薄膜厚度的增加，该结构的灵敏度明显减小.据此，我们推断，对于Metal(Metal Oxide)-Semiconductor结构的侧向光伏效应而言，其光生电压信号严重依赖于薄膜厚度，薄膜厚度的减小能明显增大其灵敏度.

图5 不同Fe3O4厚度对该结构LPV的影响

这从载流子扩散模型中也可看出：当薄膜厚度比较厚时，对应于薄膜的电阻率较小，电子的扩散能力较大，不仅在两电极之间的扩散，还包括薄膜厚度间的扩散；换言之，此时已经不是单纯的二维扩散，已经是三维扩散(还沿着z方向扩散)，故而其灵敏度明显降低.这就表明，选择厚度合适的薄膜会获得很大的灵敏度[9].

2.4 激光的功率密度对侧向光伏电压的影响

实验中，我们也研究了632nm的激光的功率密度对侧向光伏效应的影响.从He-Ne激光器出来的激光，经过滤光片的分光，我们得到了不同功率密度的激光.实验结果如图6所示.可以看出，当激光功率密度较小时，Fe3O4(20nm)-Si结构的灵敏度与光的功率接近于线性变化；随着功率密度的增大，LPV灵敏度显示迅速增大，在功率密度达到10mW左右，会逐渐达到一个饱和值.这是因为随着功率密度的增大，光生载流子的数目会成倍增加，但是由于半导体材料的能级的限制，会出现一个饱和值[9].

图6 不同功率下的Fe3O4(20nm)-Si结构的灵敏度的变化

3 结论

采用脉冲激光沉积技术在单晶Si基片上生长出高质量的Fe3O4薄膜，并详细研究了在室温下Fe3O4-Si结构中的侧向光伏效应.发现 Fe3O4-Si结构中的光伏值随着光斑位置的变化呈高度线性关系，其位置灵敏度为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对Fe3O4-Si结构的侧向光伏效应的影响，结论如下： (1)随着Fe3O4薄膜厚度的增大，其光生电压信号在不断减小； (2)当632nm激光的功率密度低于10mW时，其灵敏度随着功率的增大急剧增大，但在超过10mW后，其灵敏度趋向于饱和值； (3)在垂直位移改变的情况下，其灵敏度在减小，同时其非线性度也在增大.这表明Fe3O4-Si结构在光电传感器等元件上有着重要的潜在应用价值.

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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

教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会2014高等学校教学研究项目(DWJZW201402db)，黑龙江高等学校教改工程项目(JG2014010706).

张宇，男，教授，通讯作者，主要从事物理教学及光电探测的理论与应用技术研究工作，研究方向为“光学” .zhangyunn@hit.edu.cn

王先杰，宋炳乾，张宇. Fe3O4-Si侧向光伏特性的研究[J]. 物理与工程，2016，26(5)：57-61.