Bi2Te3/Si异质结中的侧向光伏效应

王淑芳，乔双，马继奎

(河北大学 物理科学与技术学院，河北省光电信息材料重点实验室，新能源光电器件国家地方联合工程实验室，河北 保定 071002)

侧向光伏效应(lateral photovoltaic effect, LPE)是指在点光源照射下，p-n结、金属半导体结和半导体异质结内激发的光生载流子被界面处内建电场上下分离，而后在材料表面横向扩散的物理过程．当在材料表面制备一定距离的两电极后，由于2个电极距离光照位置的不同会造成收集载流子数量的差异，从而在两电极间产生电势差，被称为侧向光电压(lateral photovoltage, LPV)．根据LPE的工作原理可知，电势差大小与点光源照射位置间呈现良好的线性关系．因此，该效应可用于开发光位敏探测器(position-sensitive detectors, PSDs)． 1930年Schottky最早在Cu/Cu2O中发现LPE效应，之后Wallmark[1]在Ge p-n结也发现相同的效应，并首次提出PSD方面的应用．由于PSD具有能耗低、操作简单、灵敏度高、响应速度快等特点，在空间探测、环境监控以及光学工程等领域均表现出巨大的应用潜力，因此，受到了广泛关注和研究．

拓扑绝缘体(TI)是近年来兴起的一种全新材料[2]，兼具体内绝缘和拓扑表面态，因此，表现出许多优异的性能．碲化铋(Bi2Te3)为典型的二代Ⅴ-Ⅵ族化合物TI，于2009年由张首晟、方忠和戴希教授等分别从理论上预测并由沈志勋教授等利用ARPES观测到表面态狄拉克点[3]．Bi2Te3属于三角晶系的层状晶体结构，单分子层由5个原子层构成，沿c轴方向按Te-Bi-Te-Bi-Te的次序排列，层内成键为共价键和离子键混合形式，层间为范德瓦尔斯键，层间距约为1.0 nm[4]．与其他二维材料相比，Bi2Te3在一些方面存在特有的优势，如可以通过多种生长工艺得到大面积高质量的层状薄膜；而且其体能隙相对较小，室温下约为0.2 eV，能够吸收紫外到近红外波段的光，从而实现超宽波段的光电响应[5]；同时Bi2Te3还具有高的电导率和低的热导率，是一种优良的热电材料，可以利用温度梯度产生的热电势有效调控界面或结区载流子的输运性能．凭借这些优异的性能，Bi2Te3在光电器件和新型微纳器件等领域展现出非常光明的应用前景，从而吸引了众多研究者的关注[2, 6-7]，如苏州大学的鲍桥梁教授等[8]将Bi2Te3与石墨烯结合，由于Bi2Te3的窄带隙宽度和界面处光生载流子的有效产生和快速分离，该异质结不仅使探测波长进一步扩展到红外(980 nm)和通讯波段(1 550 nm)，同时使光电流得到明显增强(光电导增益提高83倍)，极大地拓宽了Bi2Te3/石墨烯异质结的应用范围；而中山大学杨国伟教授课题组[9]在Bi2Te3/Si异质结中更是实现了118 μm的超长响应波段，并且在不同环境下工作的稳定性均非常良好．可以看出，基于Bi2Te3材料确实能够构筑出性能优异的光电子学器件．然而，从过去报道来看，对于Bi2Te3光探测器的研究，人们更多的是关注其光生载流子纵向的传输和分离机制，但对于其横向扩散性能的研究却甚少，特别是该材料具有高的载流子迁移率和表面传导特性，应该具有较好的横向扩散性能，而且最近本课题组[10]已经初步设计了Bi2Te2.7Se0.3/Si异质结光位敏探测器，并观察到较好的侧向光伏特性和较宽的波长响应范围．目前，关于该结构材料中侧向光伏效应的研究还非常欠缺，亟需进一步研究和完善．因此，本文利用脉冲激光沉积技术制备了系列不同厚度的Bi2Te3/Si异质结，通过改变激光波长和功率，系统研究了Bi2Te3层厚度、激光功率和波长分别对Bi2Te3/Si异质结侧向光伏响应的影响作用．

1 实验

采用脉冲激光沉积技术(PLD)在厚度为500 μm、电阻率为10 Ω·cm的n型单晶Si(111)衬底上，制备了一系列不同厚度的Bi2Te3薄膜．溅射靶材为高纯Bi(质量分数99.999%)和Te(质量分数99.999%)粉末混合压制而成的复合靶．在沉积之前，Si基片分别浸入丙酮和酒精中，用超声波进行清洗．待清洗干净后将Si片送入真空室，然后在1.0×10-5Pa背底真空、0.1 Pa 氩气氛下，使用XeCl(λ=308 nm)准分子激光器在能量密度为1.2 J/cm2、频率为1 Hz的激光烧蚀靶材，溅射出的Bi2Te3分子会沉积到Si基底表面并逐渐形成薄膜．溅射时Si基底温度保持在300 ℃，薄膜生长速率约为5 nm/min，通过控制沉积时间，分别得到厚度为4、6、8、10、15、20、30 nm的Bi2Te3薄膜，溅射完成后在真空氛围中自然冷却至室温．

薄膜的晶体结构使用X线衍射仪(Bruker，D8 Advance)进行表征，薄膜表面的形貌则通过扫描电子显微镜(SEM，FEI，Nova NanoSE M450)进行测试．在电学性质测试前，使用压铟法在薄膜表面压制直径约为1 mm的A、B 2个铟电极，其中电极间距为0.8 mm，电极引线连接Keithley表(2400 Source Meter)，对样品进行I-U特性测试，判断电极接触情况．在侧向光伏效应测试时，将样品固定在平移台上，使用波长分别为405、532、671、808 nm的激光聚焦后垂直照射在样品表面，光斑直径约为100 μm，通过电动马达控制样品平移台，实现激光在两电极之间匀速扫描，在扫描过程中实时记录下光斑位置和侧向光电压，得到侧向光电压随激光光斑位置的变化曲线．

2 结果与讨论

图1a为Bi2Te3/Si异质结XRDθ～2θ的衍射图谱，从图1a中可以看出除Bi2Te3(00l)(l=9、15、18、21)的衍射峰以及在28.6°和59.2°的Si(111)和(110)基底峰外，没有发现其他任何杂相峰．通过图1b放大谱线可清晰看到，随着薄膜厚度的增加，Bi2Te3的衍射峰强度逐渐增强，但峰位没有发生移动，该结果表明Bi2Te3薄膜在Si基底上呈现c轴取向的层状生长．图1c为50 nm厚薄膜表面形貌图，从图1c中可以看出薄膜表面致密平整，并且存在清晰可见的六角结构Bi2Te3纳米片．

图1 a.不同厚度Bi2Te3薄膜的XRD图谱；b.XRD结果局部放大图；c.50 nm厚Bi2Te3薄膜的SEM表面形貌Fig.1 a.XRD patterns of Bi2Te3 film with different thicknesses; b.Enlarge patterns of Bi2Te3 films; c.SEM surface morphology of Bi2Te3 film with 50 nm

图2a为Bi2Te3/Si异质结中LPE的测试示意，当激光束垂直照射在薄膜表面时，在局部光照区域的Bi2Te3与Si界面处会激发电子-空穴对，这些电子-空穴对在界面内建电场作用下发生分离，其中Bi2Te3表面积累的空穴由于浓度梯度会进一步向周围扩散，最终被两电极收集．图2b为Bi2Te3/Si异质结表面横向I-U特性曲线，电压为-1 000～1 000 mV扫描时，不同厚度的薄膜样品电流输出均表现出线性响应特征，表明铟电极与Bi2Te3形成良好的欧姆接触，且薄膜电阻随厚度增加逐渐减小．使用功率为25 mW、波长为532 nm的激光照射10 nm厚度的薄膜样品，并在两电极之间进行扫描，绘制的侧向光电压随激光光斑位置的变化曲线如图2c所示，其中最高点和最低点分别对应两电极位置处．可以看出在两电极之间，侧向光电压与激光位置间呈现极好的线性关系，并且该依赖关系可以通过如下理论公式进行表达[11]：

(1)

式(1)中Km为比例系数，N0代表每秒钟分离至Bi2Te3层中的空穴数密度，L为两电极之间距离的一半，λm为空穴的扩散长度，x为激光光斑与两电极中间位置的距离．基于上式对LPV进行拟合可以发现，拟合曲线与实验结果比较吻合，如图2c所示．然而，对于研究者而言，通常关注两电极之间的变化曲线．通过对公式(1)中指数项进行展开并化简得到

(2)

从式(2)可以看出，LPV与激光位置间存在理论的线性依赖关系．

由于侧向光伏效应是光生载流子在薄膜表面横向传输，薄膜厚度对侧向光电压信号的输出至关重要，因此，研究了薄膜厚度对侧向光伏响应特性的影响，如图2d所示．不同厚度薄膜样品中侧向光电压均表现出良好的位置依赖关系，通过提取最大LPV值(电极处)随薄膜厚度的变化关系得到，随着薄膜厚度由4 nm增加到30 nm时，侧向光电压信号先增大后又逐渐减小，当Bi2Te3薄膜厚度为10 nm时得到的侧向光电压信号最大，达到15 mV，如图2d插图所示．产生该现象的主要原因是：当光照在Bi2Te3/Si异质结上时，光照区产生的光生载流子会首先在内建电场作用下发生分离，因此，内建电场大小非常重要．随薄膜厚度增加时，内建电场先逐渐提升，加快了载流子分离速率，导致侧向光伏响应会逐渐增强．当Bi2Te3层达到某一临界厚度时，耗尽层宽度达到最大，此时再增加薄膜厚度时，耗尽层宽度几乎保持不变，反而增加了载流子纵向传输距离，电子-空穴对的复合几率会增大[10]，因此，侧向光伏响应又开始逐渐减小．选定10 nm厚度Bi2Te3薄膜的样品，在671 nm激光照射下，研究了激光功率对侧向光伏效应的影响．采用光学衰减片对激光功率进行连续调节，得到了不同光照功率下的侧向光电压曲线，如图3a所示．激光功率从0.3 mW到25 mW逐渐增加时，侧向光电压也随之逐渐增大，并最终趋于饱和，如图3a插图所示．通过拟合处理得到位置灵敏度随激光功率的变化曲线，如图3b所示．在低辐照功率范围内灵敏度随激光功率增加而迅速增大，这是由于此时激发产生的电子-空穴对数量较少，碰撞复合几率较小，载流子寿命较长，因此，内建电场可以很容易地将其分离，光电转换效率较高；而当激光功率继续增加时，灵敏度增长速度开始减慢并逐渐趋于饱和，在25 mW时达到34 mV/mm，说明在产生较多光生载流子的同时，其碰撞复合几率也迅速增加[12-13]，两者之间会相互竞争，因此，侧向光伏响应提升会出现减缓并最终达到饱和．

图2 a.Bi2Te3/Si异质结侧向光伏效应示意；b.不同薄膜厚度Bi2Te3/Si异质结的横向I-U曲线；c.典型的 LPV与激光光斑位置的依赖关系；d.不同薄膜厚度Bi2Te3/Si异质结LPV响应，插图为提取最大LPV与薄膜厚度的关系Fig.2 a.Schematic illustration of the LPE in the Bi2Te3/Si heterojunction; b.Transverse I-U curves of the Bi2Te3/Si heterojunctions with different film thicknesses; c.Typical laser position-dependent LPV curve; d.LPV curves of the Bi2Te3/Si heterojunction with different film thicknesses under 5 mW illumination of a 532 nm laser with inset the extracted maximal LPV

除位置灵敏度外，非线性度是衡量光位敏探测器性能的另一个重要参数．虽然理论上侧向光电压与激光位置间呈现完全的线性关系，但是在实际过程中，由于较小的扩散长度[14]、薄膜层厚度不均匀[15]以及外部场调制不对称[16]等因素，LPV与激光位置间的线性关系会或多或少存在偏差．侧向光电压曲线的非线性度可以通过如下公式进行计算[1, 17]：

(3)

根据式(3)得到不同激光功率下非线性度的结果如图3b所示．随激光功率增加，非线性度逐渐增大，最大值为4.8%．该最大非线性度远小于合格器件非线性度标准(<15%)的限制，说明该异质结具有较好的侧向光伏特性，应该在光位敏探测器上具有重要潜在应用．

图3 a.不同功率下侧向光电压随激光光斑位置的依赖关系，插图为最大LPV值变化图；b.位置灵敏度和非线性度随激光功率的变化Fig.3 a.LPV as a function of laser position with different laser power with the inset the extracted maximal LPV; b.the position sensitivity and nonlinearity as a function of laser power

通常一个实用的光位敏探测器还需要具有较宽的光谱响应范围，即在不同波长激光照射下都表现出较高的灵敏度和良好的非线性度．为了判断Bi2Te3/Si异质结中侧向光伏效应的波长响应范围及波长依赖规律，选取了可见到近红外的4个激光波长(405、532、671、808 nm)分别对其侧向光电压曲线进行测量．图4a为10 nm厚度薄膜样品在25 mW恒定激光功率、不同波长激光照射下侧向光电压随激光位置的依赖关系．从图4a中可以看出Bi2Te3/Si异质结在4个波长光照射下均表现出明显的侧向光电压响应，且线性关系良好，其中激光波长为671 nm时侧向光电压信号最强，这可能是由于异质结在该波长下光吸收较强所引起．随后，又对不同厚度样品在各个波长激光照射下的侧向光电压曲线进行了测量，不同波长时得到位置灵敏度随薄膜厚度的依赖关系如图4b所示．对于所有激光照射波长，其位置灵敏度表现出相同的厚度依赖关系，当Bi2Te3薄膜厚度为10 nm时，器件的位置灵敏度均为最高，而且对于相同薄膜厚度的样品，其随波长变化的依赖关系也始终保持不变，671 nm时器件的侧向光伏响应最好，该结果肯定了该结构器件中薄膜厚度和波长依赖关系的本征特性．

图4 a.不同波长激光照射下侧向光电压与激光位置的依赖关系；b.不同薄膜厚度对各波段光的灵敏度变化Fig.4 a.LPV as a function of laser spot under different laser wavelength; b.Sensitivity as a function of film thickness under different wavelength

3 结论

本文在Si衬底上制备了系列不同厚度c轴取向的高质量Bi2Te3薄膜，并对Bi2Te3/Si异质结中的侧向光伏效应进行了研究．实验发现其侧向光伏响应与激光功率、波长以及薄膜厚度存在密切依赖关系．在低辐照功率范围时，灵敏度随激光功率增大急剧上升，但当激光功率继续增大时，灵敏度随功率增长逐渐减缓并最终趋于饱和；通过对比不同厚度薄膜样品的测量结果发现，10 nm薄膜厚度时Bi2Te3/Si异质结灵敏度最高，且该器件具有405～808 nm的宽波段响应范围，其中671 nm波长下侧向光响应特性最好．另外，侧向光电压曲线始终保持极好的线性特性，最大非线性度为4.8%，远低于合格器件15%非线性度极限的要求．该研究结果表明Bi2Te3/Si异质结在宽波段高灵敏光位敏探测器上具有大的应用潜力，并且改变Bi2Te3层厚度能够作为调控其侧向光伏性能的一种有效方法．