2016, Vol. 38
Issue (5): 412-415,422
随着微电子学的发展,半导体光电器件如太阳能电池、LED、光探测器在军事、安检、民生等方面的应用越来越受到重视。这些器件有多种不同的结构,而p-i-n结对于半导体整流和光电探测来说是一种十分有效的结构,因其具有抑制暗电流的优势[1]。作为窗口层,宽禁带的透明薄膜十分重要[2]。
作为一种透明氧化物的材料,氧化锌是一种热稳定、化学稳定的n型材料并且具有六角形晶格的晶态。在室温环境下,它具有3.37 eV的带宽和60 meV的激发能。它的电导率范围也比较大,可以达到10-4 ~1010 Ω-1cm-1 [3]。因此,氧化锌是适合用于制作短波光电器件的材料,如在紫外波段范围下的场发射管、太阳能电池、紫外探测器、气体传感器等[4]。氧化锌还可以通过掺杂Sn、Al、Sb和In[5-8]来提高其光电特性,使得氧化锌有更好的光透射性能。
为了抑制在异质结高势垒情况下的多数载流子的隧穿效应,需要插入一个中间层。许多介质材料都可以作为中间层如TiO2、MgO、SiOx和 LaAlO3,这些报道都可以在文献[9-11]中找到。作为一个常见的、无毒的材料,氧化铝完全可以作为中间层的介质材料来提升器件特性,它具有高达9的介电常数和8 eV的带宽。
在p-i-n结构中,我们用硅作为p型材料,氧化铝作为中间层,掺铝氧化锌(AZO)作为n型材料。其中,中间层氧化铝和n型层AZO一般都可以用许多方法来沉积,如磁控溅射、脉冲激光沉淀、化学气相沉积、喷射高温分解法和溶胶凝胶法。在这次实验中,我们使用原子层沉积法来制作这结构,因为它具有较大的面积和容量来沉积,操作和控制简单,沉积薄膜具有较好的保型性,其沉积的厚度具有高的精准性,并且还能在低温中生长。我们还通过沉积不同厚度的氧化铝来观测其对器件的各方面特性影响。
1 实验制备实验中,选用电阻率为1~10 Ω·cm的p型硅作为p型材料。在沉积之前,先通过超声法来清洗硅片。将硅片浸泡在丙酮溶液中并在超声仪中超声3 min来去除其表面上的附着有机物。之后把硅片浸泡在乙醇溶液中同样在超声中超声3 min来去除其表面上的丙酮残留物。最后用去离子水冲洗,并且用氮气枪吹干。使用BENEQ公司的ALD系统来沉积薄膜,在沉积氧化铝中,使用三甲基铝作为金属前驱源,水作为反应物。在生长过程中,三甲基铝和水分别通入腔室中,每通好一次金属源或水之后都会有一个氮气脉冲来去除残余物和副产物。一圈的氧化铝生长过程是0.2 s三甲基铝脉冲/2 s氮气脉冲/0.2 s水脉冲/2 s氮气脉冲,沉积温度为200 ℃,沉积速率为0.1 nm/圈。同样的,沉积掺铝氧化锌使用二乙基锌,三甲基铝作为金属前驱源,水作为反应物。一圈氧化锌的沉积过程是0.2 s二乙基锌脉冲/2 s氮气脉冲/0.2 s水脉冲/2 s氮气脉冲,一圈的氧化铝生长过程是0.2 s三甲基铝脉冲/2 s氮气脉冲/0.2 s水脉冲/2 s氮气脉冲。AZO的沉积温度为100 ℃,沉积速率为0.15 nm/圈。在此低温生长是因为如果温度太高,AZO的电阻率会比较小而不能成为半导体。在实验中,中间层的氧化铝分别沉积0,20,40,60,80,100圈来测试其对器件的性能影响。AZO的掺杂比为10圈ZnO∶1圈Al2O3作为一个大循环圈,这是为了得到电阻更加合适的AZO。因为如果掺杂比为15∶1时,AZO的电阻同样也会过小而不能成为半导体。所以这里一共生长50大圈的AZO,每一个大圈的AZO为10圈ZnO和1圈Al2O3。在制备完毕后,通过PVD方法镀上150 nm厚的Ti/Au电极。图 1显示了器件的剖面图。
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图 1 器件剖面图 Figure 1 Profile figure of the device |
测试时用椭偏仪来测试薄膜的厚度,用Agilent B1500A型半导体器件分析仪测试其伏安电学特性以及紫外光电探测特性。
表 1是通过椭偏仪所测的氧化铝薄膜和AZO薄膜的厚度[12],其中椭偏的入射角是75°,扫描范围在190~800 nm,步长为5 nm,每组数据都进行了3次测试。如表 1所示,其中R2代表拟合精度,每个样品的拟合精度都高达0.999,说明了实验所得的曲线高度符合拟合曲线。说明其在100 ℃温度下沉积速率为0.154 nm/圈,这和预期的沉积速率0.15 nm/圈非常一致。另一方面,氧化铝薄膜的厚度分别为0,2.09,4.23,6.34,8.37和10.36 nm。得出在200 ℃温度下其沉积速率为0.104 nm/圈也和预期值0.1 nm/圈非常相近。说明用ALD方法沉积的薄膜厚度具有非常高的精准性。
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表 1 沉积实验结果 Table 1 Results of deposited experiment |
图 2是p-Si/i-Al2O3/n-AZO结构不同样品的伏安特性曲线。基本上除了Si/100 圈 Al2O3/AZO的样品外,其他样品都具有较好的整流特性。样品的开启电压分别为1.5,1.8,2.2,3.0,3.5和4.5 V,饱和电流分别为3.01,2.33,0.59,0.58,0.57 和0.25 μA。可以看出,开启电压随着氧化铝厚度的增加而增加,输出电流随着氧化铝厚度的增加而减小。说明中间层氧化铝的插入有明显的抑制隧穿电流特性。
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图 2 器件伏安特性图 Figure 2 Volt-ampere chart of the devices |
图 3是在4V与-4V偏压下不同样品的整流比图,样品的整流比分别为52.0,85.2,151.5,34.6,11.7和1.5。随着氧化铝厚度增加,整流比是先增大到151.5后减小到1.5,这是因为氧化铝抑制隧穿效应不仅会抑制正向电流也会抑制反向电流。当氧化铝厚度到达一定程度时,反向电流会被抑制到极限,而正向电流由于其较高的电阻率会继续减小。所以40圈的样品具有最好的整流特性。
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图 3 器件整流比图 Figure 3 Rectification chart of the devices |
为了测试器件的光电探测特性,我们测试了不同器件在325 nm激光下和暗环境条件下的的光生电流测试。图 4是不同器件在325 nm激光下和暗环境条件下的光生电流测试图。在相同的反向偏置电压情况下,分别比较各样品暗电流和光生电流的大小,发现样品在紫外光入射下,电流明显提高了,而且不同样品电流提升的程度不同。为了能具体化不同样品的电流提升程度,引用光生电流灵敏度来度量其增大强度,光生电流灵敏度可以通过下列公式计算:
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(1) |
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图 4 光电探测特性 Figure 4 Detection characteristics of the devices |
式中:Ip是光生电流大小;Id是暗电流大小。通过上述公式计算得出在-4 V的偏置电压下,各样品的光生电流灵敏度分别为0.041,0.072,0.856,2.538,3.375,5.688。此组数据可以看出,随着中间层氧化铝厚度的增大,光生电流灵敏度逐步提升。和不加氧化铝的器件相比,探测灵敏度大幅度提升,这一点证明了氧化铝对器件光生电流灵敏度的提高有相当重要的影响。
3 结 论通过ALD方法,使得p-Si/i-Al2O3/n-AZO结构可以在低温环境中实现,而且氧化铝的薄膜和AZO薄膜的厚度也精确可控。对于器件整流特性,通过伏安特性测试发现此结构都具有较好的整流特性,最好的样品是p-Si/i-Al2O3(40圈沉积)/n-AZO,在-4 V到4 V的偏置电压下其整流比为152。在紫外光探测性能方面,分别在暗条件和325 nm激光照射下发现加了氧化铝中间层的器件有明显的光生电流特性,且光生电流灵敏度相对比传统器件得到大幅度提高,其提高程度随着氧化铝中间层的增大而增大。通过上述结论,我们可以得出ALD方法制备的p-Si/i-Al2O3/n-AZO结构的器件不论在薄膜的质量上还是在其光电特性上都有非常不错的表现。
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