基于AFORS-HET软件模拟分析p-CuSCN/n-ZnO透明异质结的J-V特性曲线

熊超 顾翼凌 曹婕 肖进 陆肖苏 陈磊 常州工学院新能源工程系

基于AFORS-HET软件模拟分析p-CuSCN/n-ZnO透明异质结的J-V特性曲线

熊超 顾翼凌 曹婕 肖进 陆肖苏 陈磊 常州工学院新能源工程系

利用AFORS-HET软件模拟得出p-CuSCN/n-ZnO异质结在不同光区的J-V特性曲线各不相同，无光照、普通日光、可见光区、红外光区的J-V特性曲线走势大体相同并都为负值。然后与n-CuSCN/p-CuSCN和n-ZnO/ p-ZnO的J-V特性曲线相互比较，可知这种现象是p-CuSCN/n-ZnO异质结所独有的。紫外光区［1］的J-V特性曲线与其余光区大不相同，并且为正值。造成正负差异的原因是由于p-CuSCN/n-ZnO异质结中少数载流子的漂移运动［2-3］为主体运动。最终得出结论，利用p-CuSCN/n-ZnO透明异质结来制备紫外探测器在理论上是可行的。

硫氰酸亚铜；氧化锌；紫外光；AFORS-HET软件

1 引言

近年来，采用碳化硅（SiC）［4］、氧化锌（ZnO）、氮化镓（GaN）［5］等为原材料来制备的紫外探测器的报道较多［6］。其中，碳化硅（SiC）［4］与氮化镓（GaN）［5］的研究起步较早，氧化锌（ZnO）则是当下最为热门的半导体材料之一。ZnO是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料［7］，且具备较大的激子束缚能（60meV）［8］、较大的禁带宽度（3.37eV）［9］、较高的透明性等特性，能够广泛应用于诸多电学与光学领域。

本文利用查阅文献所得数据和AFORS-HET软件，模拟出实验中理想状态下的p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V特性曲线。在此基础上对p-CuSCN/ n-ZnO异质结的J-V特性进行更深一步的分析，然后探讨p-CuSCN/n-ZnO异质结是否适用于制备紫外探测器，最后对于得出的p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V特性曲线的特殊走势进行定性分析。

表1　ZnO、CuSCN半导体材料模拟中选用的各项参数

图1　AFORS-HET软件模拟得出的p-CuSCN/n-ZnO能带图

2 实验模拟

AFORS-HET软件采用了现实实验中使用的热电子发射机制和缺陷隧穿机制［10］来对异质结的载流子运输进行模拟分析。

图2　无光照时的p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V曲线

图3　普通日光照射下p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V曲线

表1［11］为本文中AFORS-HET软件在进行模拟计算时所用到的ZnO与CuSCN的各项参数。从表中数据可以清晰的看出ZnO与CuSCN的禁带宽度相差不大，且有效导带密度与有效价带密度相差数量级在10倍以内。

图1是利用AFORS-HET软件模拟在理想状态下p型与n型都为200nm厚的p-CuSCN/n-ZnO能带图，与图9相比较同样可以看出导带带阶与价带带阶都较大这直接对载流子的扩散运动［12］造成了阻碍，由此导致了所测的的电流密度较小。

由于两者的多数载流子浓度相差不大，所以能带的弯曲较小，在软件模拟时难以显示出来，但可以看出在p-CuSCN与ZnO接触处的能带发生了不同方向的倾斜。这是该异质结微型能带弯曲在可视状态下的体现。

根据AFO R S-H E T模拟所得到p-CuS CN/ n-ZnO异质结对不同波段光波的响应。

图4　单色600nm可见光波段光照射下p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V曲线

利用AFORS-HET软件模拟时选取了大量不同波长的单色光来照射p-CuSCN/n-ZnO异质结，由于紫外区域、可见光区域、红外区域所得数据较为相似，所以各区域中分别选取了特定波长的光波。分别为紫外光区300nm单色光、可见光区600nm单色光、红外光区1200nm单色光，在这些特定的光波照射下得到了图2、3、4、5所示的不同光波段中的特定典型波长或光照条件下所测出的J-V特性曲线。利用这些特殊的J-V特性曲线来对p-CuSCN/n-ZnO异质结的特性进行分析，并判断是否可以用于制备紫外探测器。

3 分析与讨论

图5　单色1200红外波段光照射下p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V曲线

图6　单色300nm紫外波段光照射下p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V曲线

由图2、3、4、5可以看出在无光照、普通日光、单色600nm光波照射下的p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V特性曲线大体走势相同。但是仍可以看出各图中的纵坐标值各不相同，也就是说电流密度大小的绝对值是变化的，且普通日光、可见光区、红外光区相较于无光照时其绝对值都是变小的。但这三者的变小幅度并不相同。由图3、4、5可以看出，在AM1.5普通日光照射下的电流密度大小的绝对值最小，其次为红外光区，最后为可见光区。这也可以在一定程度上体现光波中能量的分布。

图6为单色300nm紫外波段光照射下p-CuSCN/ n-ZnO异质结的J-V曲线图，由图中曲线可以看出在300nm紫外光照射下所得的电流密度为正，并且随着正向电压的增大而减小。从0V到0.4V，电流密度的减小速度随着正向电压的增大而增大，当正向电压大于0.4V时，电流密度的减小速度随电压的增大而减小。

图7　不同波段光照射下p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V曲线

图8 p-CuSCN/n-ZnO异质结与p-ZnO/n-ZnO、p-CuSCN/n-CuSCN同质结的J-V曲线对比

图2、3、4、5、6有着明显不同的J-V曲线，即在不同波段的光照条件下p-CuSCN/n-ZnO异质结的响应不同。由图2、3、4、5可以看出当无光照、普通光照、可见光照、红外光照条件下的J-V曲线较为相似，而紫外区的J-V曲线与其余区域的J-V曲线大不相同。

为了方便进行比较，便将所有的J-V曲线组合进图7，从图7中可以清晰的看到普通光照、1200nm单色红外光、600nm单色可见光照射下的J-V曲线几乎重合，即p-CuSCN/n-ZnO异质结对于普通日光（复合光）、可见光区、红外光区都无响应，且其电流密度大小都为负值。

无光照条件下的J-V曲线位于最下方，即其负值电流密度最大。其余非紫外光区的电流密度大小也都为负值且十分接近横轴。换言之，其电流密度大小的绝对值很小。除此之外我们还可以清晰的看到300nm单色紫外光照射（紫外光区）下的J-V曲线位于最上方，且其值也大于无光照时的负值电流密度的绝对值大小，即其电流密度大小为正且最大。此时的J-V曲线的走势与其余条件下的J-V曲线完全不同。

图9　p-CuSNC/n-ZnO异质结的能带图

图10　AFORS-HET软件模拟所得的p-CuSCN/n-ZnO异质结的I-V曲线

通过对上述的不同光波区的J-V特性曲线的分析，可以得出的结论便是，利用p-CuSCN/n-ZnO异质结制备出紫外探测器在理论上是可行的。

下面对于p-CuSCN/n-ZnO异质结的特殊J-V曲线走势进行分析与推测。

在利用AFORS-HET软件模拟p-CuSNC/ n-ZnO异质结的J-V特性曲线时，为了进行比较又增加了p-ZnO/n-ZnO型与p-CuSCN/n-CuSCN型同质结进行比较。由图8可以看出p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V特性曲线与其余两种同质结不同，即这一特殊的J-V特性曲线是p-CuSCN/n-ZnO异质结所独有的。

由于AFORS-HET软件在对p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V特性进行模拟时数据大小数值并不稳定，但总体走势相同，所以在对p-CuSCN/n-ZnO异质结的J-V特性进行分析时并不采用定量分析而是选用定性分析。

由图8与图9可以看出，当外加电压V小于内建势垒VD时（此时的VD大小约为0.4V），随着外加电压的增大电流密度大小的绝对值也在增大，当外加电压等于内建势垒时出现转折，当外加电压继续增大时电流密度大小的绝对值却反而减小。再结合p-CuSCN/n-ZnO异质结能带图（图9）作出以下分析：

（1） 由能带图我们可以看出，p-CuSCN/n-ZnO异质结的空间电荷区的高度与宽度都较小，这是由于p-CuSCN与n-ZnO的导带有效态密度与价带有效态密度大小较为接近即p-n结两端的多子浓度较为接近导致。相差较小的p-CuSCN与n-ZnO的导带有效态密度与价带有效态密度导致了p-CuSCN/n-ZnO异质结中的多子的扩散运动较为微弱，而两者少子的浓度差则较为巨大。所以，在外加电压小于内建电势时，在p-CuSCN/n-ZnO异质结内的电流是由少数载流子的漂移造成的。此时空间电荷区在p-CuSCN端为电子堆积，n-ZnO端为空穴堆积，电场方向为n-ZnO指向p-CuSCN。这也就是为何所测得的电流密度为负值的原因。

（2） 由图2可以看出当外加正向偏压小于内建电势时电流密度大小的绝对值随着外加正向偏压的增大而增大。这是由于外加正向电压的增大促进了p-CuSCN/n-ZnO异质结的多数载流子的扩散运动，继而有助于内建电势的变大。而内建电势的增加又导致了少数载流子的漂移运动的加剧，最后引起电流密度大小的绝对值的增加。体现在J-V图上则是曲线走势向下伸展。

（3） 图2中，当外加正向偏压大于内建电势时电流密度大小的绝对值反而减小。这是由于当外加正向偏压大于内建势垒时，多数载流子由耗尽变为堆积，此时空间电荷区在p-CuSCN端为空穴堆积，n-ZnO端为电子堆积，电场方向为p-CuSCN指向n-ZnO。外加正向偏压的进一步增大阻碍了少数载流子的漂移运动。最终造成了J-V图上的曲线走势向上伸展。

（4） 对于图2、3、4、5中均出现的偏离曲线的一点，可由图10看出在接近内建势垒大小时异质结的电流密度大小绝对值先减小后增大。从上文我们得知在p-CuSCN/n-ZnO异质结中是以少数载流子的漂移运动为主体的。

当外加电压增加至接近内建势垒大小时，多数载流子的扩散即将达到极致。此时其数量足以对总体的电流密度大小产生影响。所以，在外加电压非常接近内建势垒大小时，电流密度大小的绝对值减小。而当外加电压等于内建势垒高度时，多数载流子由扩散运动变为堆积运动。但这一转变还较为微弱，不足以改变电流密度大小，此时的异质结内部的载流子运动回到原始状态。即少数载流子的漂移运动依旧占据主体并增大，所以电流密度大小的绝对值继续增大。这便是图2、3、4、5中均出现的偏离曲线的一点。

4 结论

利用AFORS-HET软件进行模拟后得出结论：

（1） p-CuSCN/n-ZnO异质结在不同光波区域的响应不同；紫外光波区域与其余光波区域的响应截然不同，即p-CuSCN/n-ZnO异质结可以用于制备紫外探测器。

（2） p-CuSCN/n-ZnO异质结的无光照条件下的J-V特性曲线的走势是十分特殊且是该异质结独有的。

（3） p-CuSCN/n-ZnO异质结的理想状态下无光照的电流密度大小为负值。这是由于此时p-CuSCN/n-ZnO异质结中少数载流子的漂移运动为主体，同时p-CuSCN/n-ZnO异质结中少数载流子的漂移运动也导致了p-CuSCN/n-ZnO异质结的特殊J-V特性曲线。

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国家自然科学基金“基于微观缺陷与核外电子行为研究异质结界面特性对CZTS薄膜太阳能电池光电特性的影响”（课题批准号61540071）的阶段成果；江苏省自然科学项目“三维极薄吸收层TiO2/ Cu2ZnSn（S，Se）4太阳能电池的制备及其性能研究（）”（项目号BK20141167）阶段成果。】