硫化鉛（PbS）探測器具有短波紅外高靈敏度、低俄歇噪聲等優(yōu)點(diǎn)，其中化學(xué)水浴法（chemical bath deposition，CBD）合成的硫化鉛薄膜可與CMOS半導(dǎo)體工藝兼容，有利于實(shí)現(xiàn)低成本高性能的面陣探測器。然而，目前對化學(xué)水浴法合成硫化鉛探測器的研究主要集中在較大尺寸的單元探測器。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“化學(xué)水浴法合成硫化鉛探測器的紅外響應(yīng)研究”為主題的文章。該文章第一作者為楊冬，通訊作者為張之勝。

本文基于化學(xué)水浴法合成硫化鉛薄膜，利用離子束刻蝕工藝，制備了10~200 μm尺寸的硫化鉛光電探測器，研究了器件光電性能隨電阻、長寬比、線寬等參數(shù)的變化。結(jié)果表明，隨著尺寸的減小，硫化鉛光電探測器的響應(yīng)度逐漸增加，在1550 nm短波紅外光的照射下，10 μm級器件的響應(yīng)度達(dá)到了51.68 A/W，約為200 μm級器件的123倍，且在可見光和2.7 μm紅外波長下也具有良好的寬波段光電響應(yīng)。本文研究的微米尺寸探測器件可為硫化鉛探測器研究提供一定的支撐。

器件的原理與制備

PbS光電探測器的三維結(jié)構(gòu)示意圖和詳細(xì)的制備工藝流程如圖1所示。器件使用具有300 nm厚度的SiO2的硅片作為襯底，利用光刻定義電極的位置及圖案，并利用濺射鍍膜機(jī)在基片表面濺射一層300 nm的Cr和50 nm的Au作為電極材料，然后將樣品浸泡在丙酮中進(jìn)行剝離使電極圖形化；通過CBD法制備PbS薄膜，將Pb(CH3COO)2、NaOH、Na3C6H5O7、SC(NH2)2四種物質(zhì)按照一定比例來配置沉積溶液，并將鍍有電極的基片放入攪拌均勻的溶液中，在40℃的水浴鍋中加熱2 h得到PbS薄膜；最后通過光刻和等離子體刻蝕的方式形成接受紅外輻射的PbS光敏面。

圖1PbS光電探測器三維結(jié)構(gòu)示意圖與工作原理圖及制備過程

器件性能表征

通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對樣品的微觀形貌和晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖2所示。圖2（a）顯示了100 μm×10 μm尺寸的樣品在光學(xué)顯微鏡下的微觀形貌，可以看出條帶結(jié)構(gòu)完整清晰，位于電極上方，器件整體屬于底電極的結(jié)構(gòu)，并且器件表面沒有明顯的雜質(zhì)殘留。圖2（b）為該尺寸樣品的SEM圖，可以看出條帶表面較為平整潔凈，沒有大的團(tuán)聚顆粒，這些特征說明利用CBD方法生長的PbS薄膜的成膜質(zhì)量良好，這對于器件的質(zhì)量以及電學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用；由插圖可以看出PbS薄膜是由光滑的立方形晶體結(jié)構(gòu)堆疊而成且晶格條紋清晰，說明PbS的結(jié)晶性能良好且能級缺陷較少，有利于載流子的傳輸。圖2（c）和2（d）顯示了分別經(jīng)過等離子體刻蝕10 min和20 min后的器件的截面圖，可以看出刻蝕時間為10 min的器件，其SiO2層上面的PbS薄膜并沒有完全刻蝕干凈。而當(dāng)刻蝕時間調(diào)整為20 min時，器件上的PbS薄膜基本刻蝕完，但刻蝕過深導(dǎo)致SiO2層也被刻蝕掉了。因此，為了保證獲得良好的器件性能，通常將刻蝕時間設(shè)定在10~20 min之間。

圖2 PbS光電探測器的微觀形貌圖

為了研究PbS光電探測器對不同波長的入射光的探測性能，分別以450 nm、635 nm、980 nm、1550 nm、2.7 μm等5種波長的激光器作為光源，利用Keithley 4200 SCS半導(dǎo)體光電性能測試系統(tǒng)測試了不同尺寸探測器在偏壓VDS＝2.5 V的條件下的光電性能，結(jié)果如圖3所示。從圖3（a）可以看出，200 μm×200 μm器件的光電流要比100 μm×10 μm和10 μm×10 μm器件的光電流大很多，且3種器件均在1550 nm處出現(xiàn)光電流峰值，這說明PbS光敏面對1550 nm的激光更加敏感。而為了排除不同激光器的功率可能不同這一影響因素，研究人員又進(jìn)一步計(jì)算了器件的響應(yīng)度，結(jié)果如圖3（b）所示。

圖3 不同尺寸的器件的光電流和響應(yīng)度與波長之間的關(guān)系

無論使用哪種激光器，10 μm×10 μm器件的響應(yīng)度明顯要比100 μm×10 μm和200 μm×200 μm的器件高出很多。這可能是因?yàn)槠骷叽缱冃。@著減少了載流子的渡越時間，這使得入射光可以有效地轉(zhuǎn)化為電流，從而增強(qiáng)了光響應(yīng)性。通過上述結(jié)果可以看出，PbS探測器不僅對紅外光有響應(yīng)，而且對可見光也有響應(yīng)，并且小尺寸的器件能夠獲得更大的響應(yīng)度，即小尺寸器件的探測準(zhǔn)確率更高。

由于PbS探測器多用于對紅外光的探測，因此為了著重研究不同尺寸PbS光電探測器對短波紅外的探測性能，研究人員首先以1550 nm的激光器作為光源進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖4所示。可以看出，不論是大尺寸的器件還是小尺寸的器件均表現(xiàn)出微安量級的光電流，并且具有良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性；其中10 μm×10 μm器件在功率為63 mW，偏壓VDS＝2.5 V的條件下的光電流達(dá)到了約為8.64 μA。該圖還顯示隨著器件尺寸不斷縮小，器件的響應(yīng)速度也越來越快。

圖4 1550 nm光源下的光電流響應(yīng)曲線

探測器件的電阻是影響其導(dǎo)電性能的重要因素之一，通過改變器件光敏區(qū)的長寬比和線寬來改變器件的尺寸，進(jìn)而使器件的電阻發(fā)生變化，結(jié)果如圖5所示。圖5（a）顯示，長寬比為1:1的器件隨著尺寸不斷增大，電阻在逐漸變小。圖5（b）顯示，當(dāng)器件溝道長度固定不變時，電阻隨著器件線寬的增加而變小。這一規(guī)律可能與使用公式ρ=l/s計(jì)算的理論值不符，這是因?yàn)槌骷叽鐣绊懫潆娮柰猓琍bS在制備過程中產(chǎn)生的缺陷、與SiO2襯底的接觸作用以及PbS薄膜的邊緣效應(yīng)等也會影響器件的導(dǎo)電性能。

圖5 探測器件電阻與尺寸的關(guān)系

探測器件電阻的不同也會影響器件的光電性能。研究人員在1550 nm的光源下對電阻不同的PbS探測器件的光電性能進(jìn)行測試，如圖6所示。結(jié)果表明，雖然光電流隨著電阻增加而變小，但其響應(yīng)度隨著電阻的增加而變大。

圖6 響應(yīng)度和光電流與電阻的關(guān)系

由于探測器需要在不同光強(qiáng)下工作，了解入射光功率探測器光響應(yīng)的影響以及確定探測器的工作范圍，是評價探測器性能的一個重要指標(biāo)。為此，研究人員又通過調(diào)節(jié)不同入射光功率來研究對PbS探測器件性能的影響，如圖7所示。結(jié)果表明，在1550 nm的短波紅外光源下，不同尺寸器件的光電流與入射光功率近似呈線性關(guān)系，不過響應(yīng)度與光功率的變化關(guān)系恰恰相反，即隨著光功率減小，響應(yīng)度在逐漸變大，10 μm×10 μm的器件響應(yīng)度由23.80 A/W增加到41.15 A/W，其響應(yīng)度比200 μm×200 μm的器件的響應(yīng)度高出2個數(shù)量級。

這是因?yàn)镻bS光電探測器的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其本質(zhì)為光敏電阻，在其兩端的金屬電極加上電壓，便有電流通過，受光照射時，入射光子在半導(dǎo)體的價帶和導(dǎo)帶中激發(fā)出光生電子空穴對，將改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，光照越強(qiáng)，入射光子數(shù)就越多，激發(fā)出的電子空穴對也就越多，從而光電流也會變大。而探測器的響應(yīng)度隨著光功率的增加而降低，這是由于光激活的敏化中心（陷阱態(tài)）所占的比例變化的結(jié)果。隨著入射光功率增加，那些在低光強(qiáng)下提供高的光導(dǎo)增益的較深的陷阱態(tài)被填充，取而代之的是壽命較短的較淺陷阱態(tài)。

圖7 不同尺寸探測器在1550 nm入射光下的光電性能與光功率的關(guān)系

此外，又以2.7 μm的激光器作為光源，研究了不同尺寸PbS光電探測器對中紅外的探測性能。圖8（a）顯示在2.7 μm中紅外光的照射下，不同尺寸器件的光電流隨著光功率的增加而變大，并且200 μm×200 μm的器件的光電流要比10 μm級器件的光電流大得多。圖8（b）顯示出與圖 7(b)相似的規(guī)律，即入射光功率越小，響應(yīng)度越大，在10.5 mW的入射光功率下，10 μm×10 μm的器件響應(yīng)度可達(dá)到46.65 A/W，這同樣要?dú)w因于薄膜種陷阱態(tài)的變化。由圖7和圖8可以看出，10 μm級的PbS探測器在短波紅外和中紅外光下都能表現(xiàn)出良好的響應(yīng)性能，且相對于200 μm×200 μm的器件來說，響應(yīng)度提高了兩個數(shù)量級，這表明高性能的小尺寸PbS探測器是有可能實(shí)現(xiàn)的。

圖8 不同尺寸探測器在2.7 μm入射光下的光電性能與光功率的關(guān)系

為了著重比較不同尺寸探測器在紅外光下的光電性能，研究人員又對更多不同規(guī)格尺寸的PbS探測器件進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖9所示。圖9（a）和圖 9（b）顯示了長寬比為1:1的器件的光電性能與尺寸之間存在著較明顯的線性關(guān)系，其中在1550 nm的短波紅外光下，10 μm×10 μm的器件光電流為8.64 μA，對應(yīng)的響應(yīng)度為51.68 A/W，在2.7 μm的中紅外光下，10 μm×10 μm的器件光電流為5.05 μA，對應(yīng)的響應(yīng)度為28.83 A/W。并且兩種波長下，10 μm×10 μm的器件的響應(yīng)度均比200 μm×200 μm的器件高出了約2個數(shù)量級。圖9（c）和圖9（d）顯示了不同線寬的器件光電性能隨尺寸的變化規(guī)律，隨著器件線寬的增加，其光電流也在增加，雖然響應(yīng)度并沒有表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，但是仍然可以明顯的看出100 μm×10 μm器件的響應(yīng)度要大一些。這同樣歸因于PbS探測器的光電導(dǎo)效應(yīng)的工作機(jī)理，器件尺寸變小，顯著減少了載流子的渡越時間，從而增強(qiáng)了光響應(yīng)性。這些結(jié)果均說明了10 μm級的器件可以實(shí)現(xiàn)良好的響應(yīng)性能。

圖9 探測器的光電性能與尺寸之間的關(guān)系

結(jié)論

本文利用CBD法制備了PbS光電探測器，并從多個維度對探測器的紅外響應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，PbS探測器在可見光至短波紅外波段均有良好的響應(yīng)，在可見光波段其響應(yīng)度甚至達(dá)到了792 A/W；并且無論在哪種波長的入射光下，200 μm×200 μm器件的光電流都是最大的，而10 μm×10 μm器件的響應(yīng)度是最大的；此外，隨著器件尺寸的增加，器件的電阻逐漸變小，光電流逐漸變大，響應(yīng)度逐漸變小，并且隨著電阻的增大，器件的光電流在逐漸變小，響應(yīng)度在逐漸變大；在1550 nm波長的短波紅外光照射下，10 μm×10 μm器件的響應(yīng)度達(dá)到51.68 A/W，增益也是達(dá)到了2.9×10?，在2.7 μm波長的中紅外光照射下，10 μm×10 μm器件的響應(yīng)度達(dá)到46.65 A/W，并且，在兩種波長光照射下，10 μm×10 μm器件的響應(yīng)度均要比200 μm×200 μm器件的響應(yīng)度高出約2個數(shù)量級。本文的研究表明，小尺寸的PbS探測器是可以實(shí)現(xiàn)很好的響應(yīng)度和高增益的，這一結(jié)果有望為促進(jìn)高集成的PbS探測器的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

審核編輯：劉清