一種pin結(jié)構(gòu)光電器件的研究

袁曉賢+隋國榮

摘要： pin器件在整流和探測領(lǐng)域都有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。為了提高器件伏安和光電探測性能，提出了一種新型的p-硅/i-氧化鋁/n-摻鋁氧化鋅（AZO）結(jié)構(gòu)器件，并利用原子層沉積技術(shù)（ALD）在低溫下實(shí)現(xiàn)了器件制備。分析了器件的伏安特性，結(jié)果顯示相比傳統(tǒng)的pn結(jié)構(gòu)器件，新結(jié)構(gòu)在無光條件下實(shí)現(xiàn)了152的整流比。通過增加i層的沉積厚度，可以有效抑制遂穿效應(yīng)，減小暗電流，提高光電檢測的靈敏度，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)材料更高的光生電流靈敏度。

關(guān)鍵詞： pin結(jié)構(gòu)； 原子層沉積（ALD）； 整流比； 遂穿效應(yīng)；

中圖分類號(hào)： TN 2； TN 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.007

文章編號(hào)： 1005-5630（2016）05-0412-04

引 言

隨著微電子學(xué)的發(fā)展，半導(dǎo)體光電器件如太陽能電池、LED、光探測器在軍事、安檢、民生等方面的應(yīng)用越來越受到重視。這些器件有多種不同的結(jié)構(gòu)，而p-i-n結(jié)對(duì)于半導(dǎo)體整流和光電探測來說是一種十分有效的結(jié)構(gòu)，因其具有抑制暗電流的優(yōu)勢[1]。作為窗口層，寬禁帶的透明薄膜十分重要[2]。

作為一種透明氧化物的材料，氧化鋅是一種熱穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定的n型材料并且具有六角形晶格的晶態(tài)。在室溫環(huán)境下，它具有3.37 eV的帶寬和60 meV的激發(fā)能。它的電導(dǎo)率范圍也比較大，可以達(dá)到10-4 ～1010 Ω-1cm-1 [3]。因此，氧化鋅是適合用于制作短波光電器件的材料，如在紫外波段范圍下的場發(fā)射管、太陽能電池、紫外探測器、氣體傳感器等[4]。氧化鋅還可以通過摻雜Sn、Al、Sb和In[5-8]來提高其光電特性，使得氧化鋅有更好的光透射性能。

為了抑制在異質(zhì)結(jié)高勢壘情況下的多數(shù)載流子的隧穿效應(yīng)，需要插入一個(gè)中間層。許多介質(zhì)材料都可以作為中間層如TiO2、MgO、SiOx和 LaAlO3，這些報(bào)道都可以在文獻(xiàn)[9-11]中找到。作為一個(gè)常見的、無毒的材料，氧化鋁完全可以作為中間層的介質(zhì)材料來提升器件特性，它具有高達(dá)9的介電常數(shù)和8 eV的帶寬。

在p-i-n結(jié)構(gòu)中，我們用硅作為p型材料，氧化鋁作為中間層，摻鋁氧化鋅（AZO）作為n型材料。其中，中間層氧化鋁和n型層AZO一般都可以用許多方法來沉積，如磁控濺射、脈沖激光沉淀、化學(xué)氣相沉積、噴射高溫分解法和溶膠凝膠法。在這次實(shí)驗(yàn)中，我們使用原子層沉積法來制作這結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗哂休^大的面積和容量來沉積，操作和控制簡單，沉積薄膜具有較好的保型性，其沉積的厚度具有高的精準(zhǔn)性，并且還能在低溫中生長。我們還通過沉積不同厚度的氧化鋁來觀測其對(duì)器件的各方面特性影響。

1 實(shí)驗(yàn)制備

實(shí)驗(yàn)中，選用電阻率為1～10 Ω·cm的p型硅作為p型材料。在沉積之前，先通過超聲法來清洗硅片。將硅片浸泡在丙酮溶液中并在超聲儀中超聲3 min來去除其表面上的附著有機(jī)物。之后把硅片浸泡在乙醇溶液中同樣在超聲中超聲3 min來去除其表面上的丙酮?dú)埩粑?。最后用去離子水沖洗，并且用氮?dú)鈽尨蹈?。使用BENEQ公司的ALD系統(tǒng)來沉積薄膜，在沉積氧化鋁中，使用三甲基鋁作為金屬前驅(qū)源，水作為反應(yīng)物。在生長過程中，三甲基鋁和水分別通入腔室中，每通好一次金屬源或水之后都會(huì)有一個(gè)氮?dú)饷}沖來去除殘余物和副產(chǎn)物。一圈的氧化鋁生長過程是0.2 s三甲基鋁脈沖/2 s氮?dú)饷}沖/0.2 s水脈沖/2 s氮?dú)饷}沖，沉積溫度為200 ℃，沉積速率為0.1 nm/圈。同樣的，沉積摻鋁氧化鋅使用二乙基鋅，三甲基鋁作為金屬前驅(qū)源，水作為反應(yīng)物。一圈氧化鋅的沉積過程是0.2 s二乙基鋅脈沖/2 s氮?dú)饷}沖/0.2 s水脈沖/2 s氮?dú)饷}沖，一圈的氧化鋁生長過程是0.2 s三甲基鋁脈沖/2 s氮?dú)饷}沖/0.2 s水脈沖/2 s氮?dú)饷}沖。AZO的沉積溫度為100 ℃，沉積速率為0.15 nm/圈。在此低溫生長是因?yàn)槿绻麥囟忍?，AZO的電阻率會(huì)比較小而不能成為半導(dǎo)體。在實(shí)驗(yàn)中，中間層的氧化鋁分別沉積0，20，40，60，80，100圈來測試其對(duì)器件的性能影響。AZO的摻雜比為10圈ZnO∶1圈Al2O3作為一個(gè)大循環(huán)圈，這是為了得到電阻更加合適的AZO。因?yàn)槿绻麚诫s比為15∶1時(shí)，AZO的電阻同樣也會(huì)過小而不能成為半導(dǎo)體。所以這里一共生長50大圈的AZO，每一個(gè)大圈的AZO為10圈ZnO和1圈Al2O3。在制備完畢后，通過PVD方法鍍上150 nm厚的Ti/Au電極。圖1顯示了器件的剖面圖。

2 實(shí)驗(yàn)測試

測試時(shí)用橢偏儀來測試薄膜的厚度，用Agilent B1500A型半導(dǎo)體器件分析儀測試其伏安電學(xué)特性以及紫外光電探測特性。

表1是通過橢偏儀所測的氧化鋁薄膜和AZO薄膜的厚度[12]，其中橢偏的入射角是75°，掃描范圍在190～800 nm，步長為5 nm，每組數(shù)據(jù)都進(jìn)行了3次測試。如表1所示，其中R2代表擬合精度，每個(gè)樣品的擬合精度都高達(dá)0.999，說明了實(shí)驗(yàn)所得的曲線高度符合擬合曲線。說明其在100 ℃溫度下沉積速率為0.154 nm/圈，這和預(yù)期的沉積速率0.15 nm/圈非常一致。另一方面，氧化鋁薄膜的厚度分別為0，2.09，4.23，6.34，8.37和10.36 nm。得出在200 ℃溫度下其沉積速率為0.104 nm/圈也和預(yù)期值0.1 nm/圈非常相近。說明用ALD方法沉積的薄膜厚度具有非常高的精準(zhǔn)性。

圖2是p-Si/i-Al2O3/n-AZO結(jié)構(gòu)不同樣品的伏安特性曲線?；旧铣薙i/100 圈 Al2O3/AZO的樣品外，其他樣品都具有較好的整流特性。樣品的開啟電壓分別為1.5，1.8，2.2，3.0，3.5和4.5 V，飽和電流分別為3.01，2.33，0.59，0.58，0.57 和0.25 μA?？梢钥闯?，開啟電壓隨著氧化鋁厚度的增加而增加，輸出電流隨著氧化鋁厚度的增加而減小。說明中間層氧化鋁的插入有明顯的抑制隧穿電流特性。

圖3是在4V與-4V偏壓下不同樣品的整流比圖，樣品的整流比分別為52.0，85.2，151.5，34.6，11.7和1.5。隨著氧化鋁厚度增加，整流比是先增大到151.5后減小到1.5，這是因?yàn)檠趸X抑制隧穿效應(yīng)不僅會(huì)抑制正向電流也會(huì)抑制反向電流。當(dāng)氧化鋁厚度到達(dá)一定程度時(shí)，反向電流會(huì)被抑制到極限，而正向電流由于其較高的電阻率會(huì)繼續(xù)減小。所以40圈的樣品具有最好的整流特性。

為了測試器件的光電探測特性，我們測試了不同器件在325 nm激光下和暗環(huán)境條件下的的光生電流測試。圖4是不同器件在325 nm激光下和暗環(huán)境條件下的光生電流測試圖。在相同的反向偏置電壓情況下，分別比較各樣品暗電流和光生電流的大小，發(fā)現(xiàn)樣品在紫外光入射下，電流明顯提高了，而且不同樣品電流提升的程度不同。為了能具體化不同樣品的電流提升程度，引用光生電流靈敏度來度量其增大強(qiáng)度，光生電流靈敏度可以通過下列公式計(jì)算：

PDCR=（Ip-Id）/Id（1）

式中：Ip是光生電流大??；Id是暗電流大小。通過上述公式計(jì)算得出在-4 V的偏置電壓下，各樣品的光生電流靈敏度分別為0.041，0.072，0.856，2.538，3.375，5.688。此組數(shù)據(jù)可以看出，隨著中間層氧化鋁厚度的增大，光生電流靈敏度逐步提升。和不加氧化鋁的器件相比，探測靈敏度大幅度提升，這一點(diǎn)證明了氧化鋁對(duì)器件光生電流靈敏度的提高有相當(dāng)重要的影響。

3 結(jié) 論

通過ALD方法，使得p-Si/i-Al2O3/n-AZO結(jié)構(gòu)可以在低溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，而且氧化鋁的薄膜和AZO薄膜的厚度也精確可控。對(duì)于器件整流特性，通過伏安特性測試發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)都具有較好的整流特性，最好的樣品是p-Si/i-Al2O3（40圈沉積）/n-AZO，在-4 V到4 V的偏置電壓下其整流比為152。在紫外光探測性能方面，分別在暗條件和325 nm激光照射下發(fā)現(xiàn)加了氧化鋁中間層的器件有明顯的光生電流特性，且光生電流靈敏度相對(duì)比傳統(tǒng)器件得到大幅度提高，其提高程度隨著氧化鋁中間層的增大而增大。通過上述結(jié)論，我們可以得出ALD方法制備的p-Si/i-Al2O3/n-AZO結(jié)構(gòu)的器件不論在薄膜的質(zhì)量上還是在其光電特性上都有非常不錯(cuò)的表現(xiàn)。

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