基于硫化铅薄膜的宽光谱光电探测器

王悦

（合肥工业大学 微电子学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

光电探测器能够准确地将入射光信号转换为电信号，在多个光谱范围内都具有广泛的应用，近年来吸引了科研工作者的研究兴趣。如紫外探测器广泛用于导弹追踪、火灾预警等；可见光和近红外光电探测器广泛用于光通信、成像、测距和消费产品等。因此，一个光电性能优越，制造成本低的宽光谱光电探测器将会有着巨大的应用前景。块体硫化铅作为传统的IV-VI族半导体，在室温下有0.41 eV的直接窄带隙，并在商业上被用于短波红外光的探测。而纳米结构的硫化铅有着从可见到近红外区域的宽光谱吸收，是制备宽光谱光电探测器潜在的候选材料。在本研究中，通过化学浴沉积（CBD）方法合成了质量较高，表面连续的硫化铅纳米薄膜，并制备了基于厚度约为500 nm硫化铅薄膜的光电探测器。光电测试表明硫化铅薄膜具有宽光谱响应，尤其在1 050 nm的近红外光表现出良好的光电特性。

1 实验部分

1.1 材料合成及表征

硫化铅薄膜是通过CBD方法沉积在玻璃衬底上的。在沉积之前，玻璃衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗15 min，然后在室温下晾干。前驱体溶液的制备方法是将5 mL 1 mol/L硝酸铅 [(Pb(NO)）]溶液放入100 mL的烧杯中，依次加入20 mL 1 mol/L的氢氧化钠（NaOH）溶液，6 mL 1 mol/L的硫脲[(HN)CS]溶液，4 mL 1mol/L的三乙醇胺[(HOCHCH)N，TEA]溶液，然后通过加入去离子水使混合溶液的总体积达到100 mL。玻璃衬底斜靠放置在玻璃烧杯内。通过控制沉积时间（1.5 h，5.5 h，22 h）可以合成不同厚度的PbS薄膜。之后，将表面附有PbS薄膜的玻璃衬底从反应溶液中取出。每次取出后，用去离子水反复冲洗，以去除残余溶液和未附着在薄膜表面的沉积物。

采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）对薄膜的形貌进行了表征，能量色散X射线谱（EDS）研究了薄膜的化学元素分布，原子力显微镜（AFM）对薄膜的厚度和均匀性进行了表征。

1.2 器件制备及表征

为了制造基于PbS薄膜的光电探测器，将带有PbS薄膜的玻璃基片切成小块并转移到电子束蒸发的真空室中。通过使用实验室自制的金属掩模，将金电极（50 nm）沉积在PbS薄膜层上。使用半导体参数测试系统（Keithley 4200-SCS）在室温环境下对器件的光电特性进行表征。

2 实验结果与讨论

图1描述了化学浴沉积（CBD）方法合成PbS薄膜及器件制备的流程图。详细的过程已在实验部分进行了介绍。高质量的薄膜对于器件的性能起着至关重要的作用，因此我们对PbS薄膜进行了一系列表征分析。图2a所示分别为沉积时间为1.5 h、5.5 h和22 h所获得PbS薄膜的场发射扫描电子显微镜图。从图中可以看出，许多纳米团簇分布在PbS薄膜的整个表面，没有明显的空洞。此外，随着薄膜厚度的增加，薄膜表面也变得更加均匀和连续。这说明即便是在室温且非真空环境的条件下，采用简易的CBD法获得的PbS薄膜仍具有较高的质量。在这里，我们选择沉积时间为22 h所得的PbS薄膜进行后续的实验。图2b为PbS薄膜的能量色散X射线光谱元素映射图。可以清楚地发现，PbS薄膜的元素均匀分布。

图1 基于PbS薄膜的光电探测器的制造示意图

图2 FESEM图与能谱元素映射图

为了研究22 h合成的PbS薄膜厚度及表面质量，测试了薄膜的原子力显微镜（AFM），如图3所示。从图3a插图中可以看见，PbS薄膜表面比较平整，通过扫描基底与薄膜的台阶可以得出PbS薄膜的厚度约为500 nm，从图3（b）的薄膜表面的三维原子力显微镜图像进一步表明该薄膜表面比较均匀。

图3 高度分布图与三维原子力显微镜图像

为了探究PbS薄膜的光电特性，构建了基于厚度约为500 nm PbS薄膜的光电探测器，并对其性能参数进行了详细的测试和计算。PbS薄膜的器件结构如图4a所示，从上到下依次是Au、PbS薄膜、玻璃基底。接下来用半导体测试仪对器件进行了电学测试，图4b显示了器件在黑暗和1050 nm照明下的电流-电压（I-V）曲线。从图中可以看出，在偏置电压为-2 V时，该器件的暗电流为～-4.245 μA，而在1050 nm光照下，光电流显著提升到～8.5 μA，表明PbS薄膜对1 050 nm近红外光具有较灵敏的响应。值得注意的是，图中黑暗和光照条件下观察到的经过原点的且对称的电流-电压线性曲线表明金电极与PbS纳米薄膜之间形成良好的欧姆接触，这也说明了制备的器件实际上是典型的光电导型器件。

图4 PbS薄膜的光电特性

作为传统的窄禁带半导体红外探测材料，PbS基光电探测器对近红外的光具有明显的光响应特性，这是合理的。然而正如在前文提到的纳米结构的硫化铅有着宽光谱的响应范围，因此在接下来的工作中，还通过测试探究了器件对紫外光和可见光的敏感性。如图 5a 所示。器件在365 nm-1650 nm光照下均显示出明显的光响应特性，这意味件器件对紫外光-可见光-近红外光表现出宽光谱响应。图5b给出了器件的光谱响应，可以发现，器件从紫外到近红外区域都具有良好的光响应。在所有光照下（偏置电压为-2 V，光强度1mW cm时），响应度均大于1 A/W，远优于其他的一些宽光谱光电探测器。此外。在1050 nm的响应峰值处，响应度可以达4.25 A/W。

图5 不同波长下光电探测器的光电特性

器件的光响应也强烈依赖与入射光功率。图6a和图6b所示为光电探测器在不同光强的1 050 nm光照下的I-V和-曲线，很明显，可以看到光电流随光强度的增加而单调增加。具体来讲，当光强度从18.6上升到1 968 μW cm时，光电流从4.37单调增加到9.77 μA。这是合理的，因为在强度更高的光照下会产生更多的电子-空穴对，从而产生更高的光电流。光电流对光强度的依赖性通过使用一般的幂定律（∝P）进一步拟合，其中被定义为净光电流（=-），是反映载流子复合的经验值。如图6c所示，的拟合值为0.61，与理想值（=1）有着较大偏差，表明器件中存在较大的复合损耗，这可能是由于PbS薄膜中晶界和表面陷阱状态发生的载流子复合造成的。

图6 光电探测器在1050 nm光照下不同光强下的光电特性

为了定量评估基于PbS薄膜的光电探测器的性能，通过以下公式计算并绘制在图6d中的两个关键参数，即器件在1 050 nm照明下的响应度（）和光电导增益（）：

其中是入射光功率，是器件的有效照明面积（定义为两个电极之间的薄膜有效受光面积，约1.0×10cm），是普朗克常数，是光速，是电子电荷，是入射波长，是内部量子效率。假设100%的内部量子效率，在18.6 μW cm的强度下，和在-2 V偏压下分别达到9.56 A/W和11.3（如图6d所示）。此外，这两个参数都随着光强的增加而减小，这是合理的。因为在更高的强度下会产生更多的载流子，从而导致更高的复合损耗。

3 结 论

通过化学浴沉积（CBD）法实现了对PbS薄膜的可控生长，并探究不同沉积时间下PbS薄膜的质量，选择约500 nm的PbS薄膜制备了光电探测器。进一步的器件分析表明，基于PbS薄膜的光电探测器有着从紫外到红外区域的宽光谱响应，响应峰值在1 050 nm。在-2 V偏压、光强为18.6 μW cm的1050 nm光照的条件下，器件的响应度和增益分别达到9.56 A/W和11.3。这项工作表明了PbS这种材料在宽光谱光电探测领域的巨大潜力，也进一步丰富了光电子器件制造的基础。