全无机钙钛矿微米线/IGZO薄膜光电探测器的研究

李 瑶

(哈尔滨师范大学)

0 引言

与此同时在绝大多数情况下，光电探测器信号都非常微弱，只有探测器本身拥有较强的自放大能力，才能保证探测器系统在后续的信号处理具有较高的信噪比[10-28].所以将高迁移率无机半导体与全无机钙钛矿相结合，能为提高光敏性提供一种新的选择途径.对的半导体不仅可以抑制暗电流，还可以有效地吸收光，从而达到最佳的光响应性能.IGZO半导体材料具有较高的迁移率、较宽的带隙，可见光透明，稳定的化学性质和简单的制作工艺.将IGZO与CsPbCl3结合对钙钛矿起到增加光的吸收利用率，可增加CsPbCl3的光电性质.这将为提高紫外光电探测器性能的进一步研制和开发提供重要实验依据和材料基础.

1 实验部分

1.1 制备

实验采用管式炉一步化学气相沉积法合成CsPbCl3微米线.采用蓝宝石作为衬底, 前驱体使用物质的量比率3∶1的CsCl和PbCl2粉末的混合物, 以纯氩为载体气体反应压力维持在180 T，加热管式炉的保持580 ℃的生长温度3 h，之后自然降温，取出蓝宝石衬底.然后使用了脉冲激光沉积(PLD)来制备IGZO薄膜.最后用掩膜版尺寸为50 μm的电桥利用热蒸发方法将Ag沉积在CsPbI3/IGZO上，制成器件.

1.2 特征描述

利用扫描电镜(FESEM)表征样品形貌.利用X射线衍射仪(D/max-2600/pc)和紫外可见漫反射表征样品结构特性.利用氙灯，单色仪，斩波器，锁相放大器，安捷伦半导体测试系统表征器件的光电特性和光谱响应特性.

2 结果与讨论

图1(a)显示了合成的CsPbCl3微米线的SEM图像.从图像中可以看出一些CsPbCl3微米线在蓝宝石表面水平定向，通过单线相互连接形成网络.通常,这些线的宽度是1.5μm及其长度是几十微米.需要说明的是，在钙钛矿生长之前并没有人为的润湿层沉积，因此CsPbCl3微米线的生长应该从CsPbCl3纳米晶在云母表面的非均相成核开始.另一个观察是，许多CsPbCl3微米线彼此平行，在微米线的连接处形成角度，大多数互连线为60°或120°.同时，由于云母衬底解理边缘的应力和成核作用，也存在许多未对准的微米线.如图1(b)所示为沉积在蓝宝石衬底上的IGZO薄膜的表面的SEM图像.从表面图像可以看出，制备的IGZO薄膜是由平均尺寸约为50 nm纳米颗粒致密且均匀的排列堆积而成,不难看出薄膜结晶性很好.

图1 CsPbCl3和IGZO的扫描电镜图

图2 CsPbCl3和IGZO的XRD图

通过XRD对合成的CsPbCl3微米线和IGZO的晶体性质进行了研究，值得注意的是，如图2(a)所示，该样品最强衍射峰在41.86°，此峰来自底层蓝宝石衬底，其余该衍射峰可以归属于CsPbCl3晶体的平面，没有其他衍射，说明形成了立方钙钛矿结构.上述结果表明，CsPbCl3微米线的外延生长与晶格平面平行于衬底表面.如图2(b)所示是在常温、生长压强为8 Pa的氧压环境下IGZO薄膜的XRD图谱.从图2(b)可以看出样品除了在41.86°取向的衍射峰外并无其他衍射峰，而这条衍射峰对应于蓝宝石衬底，因此所制备的IGZO薄膜为非晶相，这与文献中的测试结果一致[29].

图3 (a)为CsPbCl3光学吸收光谱和光致发光图；(b)为IGZO的光学吸收光谱图

为了进一步研究CsPbCl3和IGZO结构特性. 图3(a)研究了CsPbCl3纳米复合材料的稳态光致发光光谱和紫外可见吸收光谱.在图3(a)中可以看到在415 nm处观察到明显的吸收峰.CsPbCl3微米线的PL谱在415 nm处具有高度对称的发射峰，对应的半峰全宽最大值约为15.2 nm.值得注意的是，在PL光谱中没有观察到亚带隙发射，这通常与钙钛矿的缺陷有关，从而证明获得了高质量的钙钛矿产品.如图3(b)所示为IGZO薄膜的光学吸收光谱，其对曲线线性部分做的切线与坐标轴的交点为IGZO薄膜的光学带隙.由图可见，IGZO薄膜对可见光无明显吸收，而在紫外波的段200～375 nm范围内呈现较强吸收，可见IGZO薄膜在紫外区域有较强的吸收，这对制备高性能紫外光探测器是必要的性质.

系统地描述了探测器的光响应特性.图4所示绘制了I-V特性曲线.说明CsPbCl3/IGZO与电极之间具有良好的欧姆接触，在10 V偏压下器件暗电流仅为5.4 nA,这也意味着所制备的CsPbCl3/IGZO非常有利于制备高探测度的光电探测器.

图4 CsPbCl3/IGZO I-V特性曲线，插图为器件图片

图5 (a)-(c)分别为CsPbCl3，IGZO和 CsPbCl3/IGZO的2～10 V光响应率曲线;(d)三者10V下光响应率曲线

为了更好地理解CsPbCl3光电探测器的感光行为，响应度 (Photoresponsivity,R) 表示探测器对入射光信号的灵敏性.主要与探测器的量子产率相关，实验计算中由式(1)给出：

R=Ilight-Idark/PinA

(1)

Ilight、Idark、Pin以及A分别为光电流、暗电流、入射光密度及有效面积.

外部电压决定了光子产生的载流子数量，不同偏置电压对光电探测器产生影响不同.图5(a)显示了CsPbCl3器件在2～10 V不同偏置电压下的响应谱，显示了其在200～415 nm范围内的峰值响应率.对应10 V计算的响应率为0.042 mA/W.可以看到响应度随着电压的升高而升高.上述情况与光子产生的载流子的获取效率与外部偏置成正比的事实刚好吻合.为了研究IGZO紫外光电探测器的光谱响应特性，进行了光电探测实验.图5(b)显示探测器在不同偏压下的光谱响应度曲线，在10 V偏压下305 nm处探测器的光谱响应度为0.24 mA/W.随外加偏压的增强，器件的光谱响应度也随之增强，由于外加偏压的提高会使IGZO薄膜的耗尽区域变宽，器件收集光生载流子的能力也相应变强.外加电场的增强，又同时增加了电子-空穴对的分离能力.这说明器件良好的灵敏度.图5(c)所示为外接偏压下CsPbCl3/IGZO的光谱响应度测试.在外接偏压时，不同偏压下的光谱响应度曲线趋势基本一致，说明器件具有良好的光电性能，在外接偏压的放大作用下，探测器的光谱响应度被锁相放大器再次放大并由数据接收器接收.图5(d)分别为CsPbCl3，IGZO和 CsPbCl3/IGZO的10V光响应率曲线.可以观察到305 nm的响应率主要来自于IGZO，415 nm的响应率主要来自于CsPbCl3，并别合成后的器件性质都在原有性质上有所提高.合成后器件对比CsPbCl3其光响应度在415 nm提高了250%，在305 nm光响应度提高了600%.这为提高钙钛矿光电性质提供了新的思路.

3 结论

采用气相外延法在蓝宝石衬底上生长CsPbCl3的全无机钙钛矿微米线.通过对其光电性质的测试，证明了CsPbCl3纳米线具有良好的晶体质量和较低的缺陷密度.将IGZO和钙钛矿组装在一起后，获得了更高的性能，贮存后，性能稳定性好.这一工作表明，全无机钙钛矿的微米线/IGZO器件是为未来高性能光电探测器提供了一个很好的选择.