廖 榮, 劉慧君, 柯嘉聰, 李涌春, 廖鴻韜, 羅志勇

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院,廣東 廣州 510640)

0 引 言

光敏傳感器是傳感器中的一個(gè)重要分支,光信號(hào)在傳播的過程中具有許多電信號(hào)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),如頻率高、頻帶寬、抗干擾性強(qiáng)、信息量大等,用于光電轉(zhuǎn)換的光電傳感器研究越來(lái)越受重視,應(yīng)用十分廣泛[1]。鈣鈦礦是地球上最多的礦物,許多具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體具有自發(fā)極化和相變的特性,這些晶體在不同條件下可以成為半導(dǎo)體,鈦鈮酸鍶(SrNbxTi1-xO3)是其中的一種廣泛應(yīng)用的鈣鈦礦型化合物。純凈的鈦酸鍶禁帶寬度為3.25 V,常溫下為絕緣體,對(duì)可見光不敏感,但可以在其多晶陶瓷中摻入雜質(zhì),使其半導(dǎo)體化,室溫下將大大提高它的電導(dǎo)率[2]。

本文以二氧化硅/硅(SiO2/Si)為襯底,利用鈦鈮酸鍶(SrNbxTi1-xO3)作敏感膜,制成MIS電容器和平面型薄膜電阻器的復(fù)合結(jié)構(gòu)[3]。將信號(hào)的處理、顯示電路以及微處理器安裝在一塊電路板上,制成智能傳感器。光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng),通過入射光子引起器件材料內(nèi)部產(chǎn)生或感應(yīng)出電子和空穴等載流子,由這些載流子引起的材料電性質(zhì)的改變。本文正是應(yīng)用光電導(dǎo)效應(yīng)制作成薄膜結(jié)構(gòu)的傳感器,該光敏元件對(duì)可見光區(qū)(3 805～7 605 nm)敏感,可使用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)等[4]。

1 樣品的制備與測(cè)試

采用晶向?yàn)椤?11〉的n/n+型硅外延片,電阻率為0.3～0.6 Ω·cm,厚度為400;靶材為純度99 %的鈦鈮酸鍶靶。硅外延片在850 ℃的氧化爐中用干氧氧化30 min,氧氣流量為800 mL/min,得到SiO2膜厚25 nm;采用JGP—560B型高真空濺射鍍膜機(jī)鍍鈦鈮酸鍶膜,真空度5×10-4Pa,襯底溫度300 ℃,濺射功率80 W,工作氣體為氬氣(純度為99.999 %),工作氣壓為1.3 Pa,鍍膜后樣品退火溫度為420 ℃,用高純氮(純度為99.99 %)保護(hù),流量為500 mL/min,時(shí)間15 min。然后蒸鋁50 s,真空度2×10-3Pa,得到鋁膜厚度為0.5;經(jīng)鋁反刻后,俯視圖1(b)所示,曝光時(shí)間為20 s;硅片背面蒸金,時(shí)間80 s,金層厚度0.8;再放到合金爐內(nèi)微合金,爐溫400 ℃,合金20 min。制成的Al/SrNbxTi1-xO3/SiO2/Si結(jié)構(gòu),其平面型電阻器的電極間距為L(zhǎng)=50,其結(jié)構(gòu)剖面圖1(a)所示。

在穩(wěn)定光照的情形下,樣品的光電流測(cè)量電路可采用穩(wěn)壓電源和限流電阻、電流表、樣品組成的簡(jiǎn)單串聯(lián)電路。測(cè)試設(shè)備采用Lx—101型數(shù)字照度計(jì)、WYJJ型晶體管直流穩(wěn)壓電源、DT9103A型數(shù)字萬(wàn)用表等,限流電阻為6 Ω,測(cè)試條件為白光,環(huán)境溫度Tc為30 ℃,相對(duì)濕度為50 %RH,直流電壓為5～10 V[5]。為了獲得光脈沖信號(hào),采用如圖2所示的光源調(diào)制電路。主要設(shè)備是鎢絲燈泡,用220 V可變接觸式變壓器控制XFD-8A超低頻信號(hào)發(fā)生器、固態(tài)繼電器等。

圖2 光源調(diào)制電路

2 結(jié)果與討論

2.1 鈦鈮酸鍶膜的光學(xué)分析

先測(cè)出一潔凈玻璃的透光強(qiáng)度,然后在玻璃上鍍一層鈦鈮酸鍶膜,測(cè)出其透光強(qiáng)度,2次測(cè)得值相減后的差值就是薄膜的吸收強(qiáng)度,把吸收強(qiáng)度歸一化后則得到相對(duì)吸收強(qiáng)度曲線,如圖3所示?？梢?鈦鈮酸鍶本征吸收發(fā)生在藍(lán)紫光區(qū),本征吸收峰的波長(zhǎng)約為420 nm,通常以吸收峰值下降50 %的波長(zhǎng)為本征吸收長(zhǎng)波限λ0,可看出λ0為460 nm。在本征吸收峰外的長(zhǎng)波部分,存在一系列連續(xù)的雜質(zhì)吸收等非本征吸收峰和吸收線,本材料對(duì)可見光有較好的吸收作用[6]。

圖3 鈦鈮酸鍶膜的光譜

2.2 電流—照度特性

在不同直流電壓下測(cè)量樣品,得到光照度與電流的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出,通過薄膜電阻器的電流隨照度的增加而增加,具有良好的光敏特性,如在3 V時(shí),當(dāng)光照度從0變化到1 000 Lx時(shí),電流相對(duì)變化2 000 %?？梢园央娏鳌斩惹€分為2部分,在光照度較小時(shí)(小于100 Lx),電流增加較快,呈線性曲線,是單分子過程的體現(xiàn)。隨著光照度的增大,電流的變化趨向平緩,曲線的斜率變小,這是亞線性曲線,屬于雙分子過程[8]。在大部分的光照強(qiáng)度范圍內(nèi),元件的電流—照度特性曲線具有較好的線性。

圖4 鈦鈮酸鍶器件的電流—照度特性

2.3 伏—安特性

隨著加在光敏電阻器上的光照度和電壓的提高,光敏電阻將會(huì)由兩種效應(yīng)產(chǎn)生,一個(gè)是空間電荷效應(yīng),另一個(gè)是注入電流效應(yīng)。當(dāng)外加電場(chǎng)使電子和空穴分別向相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí),由于它們的遷移率不同,如空穴的遷移率較小,則在陰極附近就會(huì)出現(xiàn)空穴過剩(積累)。在光的連續(xù)激發(fā)下,這種過剩增加,最后會(huì)形成很強(qiáng)的空間電荷,使電場(chǎng)集中在陰極附近。光強(qiáng)越強(qiáng),外加電壓越低,材料內(nèi)的電場(chǎng)越強(qiáng),空間電荷效應(yīng)越明顯。隨著電壓的升高,當(dāng)渡越時(shí)間Tr等于介質(zhì)馳豫時(shí)間τrel時(shí),電壓—電流關(guān)系將由歐姆流變成空間電荷限制流,在光強(qiáng)不強(qiáng)時(shí),空間電荷效應(yīng)不會(huì)很明顯。如果要在空間電荷效應(yīng)比較明顯的材料中得到較大的光電流,就要使用注入接觸,注入接觸的特性是低電壓下其為歐姆接觸,而當(dāng)電壓充分高時(shí),由連續(xù)方程可得:Ln(E)=Eμnτ,Ln,Ln是電子在電場(chǎng)的作用下,在電子壽命τ時(shí)間內(nèi)所漂移的距離,稱為牽引長(zhǎng)度[9]。通常光敏電阻器電極與半導(dǎo)體可以是注入接觸,注入接觸向光電導(dǎo)體內(nèi)注入電子,同時(shí)利用接觸區(qū)電場(chǎng)的作用,可以把空穴從材料內(nèi)拉出來(lái),從而減少空間電荷的積累,使弱場(chǎng)區(qū)變小,有效光照區(qū)增大,光電流增加。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),畫出幾種照度下元件的I-V特性曲線,如圖5所示。

圖5 鈦鈮酸鍶器件的伏—安特性

1)在光照度一定時(shí),所加電壓越高,光電流越大。對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體,電場(chǎng)強(qiáng)度超過104V/cm時(shí)載流子速度達(dá)到飽和,電壓和電流的關(guān)系不再遵守歐姆定律,如此計(jì)算的話,50μm電極間距的元件的飽和電壓是50 V。此時(shí),電壓對(duì)注入效應(yīng)的影響顯然比對(duì)空間電荷效應(yīng)的影響大。2)在中等光照度(200Lx左右)的情況下,亮電流隨外加電壓的增加而增加,有較好的線性特性。但在照度比較高時(shí),在某一電壓范圍內(nèi),伏—安特性曲線的變化趣勢(shì)發(fā)生了變化。光照強(qiáng)度的增大(大于200 Lx),會(huì)引起空間電荷效應(yīng)的增強(qiáng),空間電荷效應(yīng)將產(chǎn)生自建電場(chǎng),起到降低電壓降的作用,此時(shí),空間電荷效應(yīng)較注入效應(yīng)明顯,因此,光電流不再與電壓成線性關(guān)系,而具有類似阻擋接觸的電壓和電流關(guān)系。光照度越強(qiáng),空間電荷效應(yīng)越強(qiáng)。但隨著電壓的加大,使注入效應(yīng)明顯增強(qiáng),且占主導(dǎo),電流—電壓特性類似注入接觸時(shí)的情形。3)在適當(dāng)?shù)墓庹諘r(shí),注入效應(yīng)和空間電荷效應(yīng)的作用互相抵消,使元件具有良好的線性。

2.4 頻率特性

當(dāng)樣品在調(diào)制光照射下,隨著光調(diào)制頻率的增大,光電流會(huì)隨之下降,并且逐漸地趨向飽和,這主要是由于載流子的復(fù)合與產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)與被陷均有一個(gè)時(shí)間過程,這個(gè)時(shí)間過程在不同程度上影響著器件對(duì)光的響應(yīng)程度。鈦鈮酸鍶器件的頻率特性如圖6所示,當(dāng)光電流下降到穩(wěn)定光照下電流的70 %時(shí),此時(shí)的調(diào)制頻率的倒數(shù)就是載流子壽命τ乘以2π。

圖6 鈦鈮酸鍶器件的頻率特性

從圖中可以得到,當(dāng)IL(f)/IL(0)=70%時(shí)(IL即光電流,是由光電效應(yīng)所產(chǎn)生的電流;IL(f)指某一頻率下的光照產(chǎn)生的光電流,IL(0)指穩(wěn)定光照下的光電流);截止頻率f0約為8 Hz,計(jì)算得知鈦鈮酸鍶薄膜的載流子壽命值約為19.9 ms,而一些大增益的單晶光敏元件的載流子壽命可達(dá)1 s,但與一些快速響應(yīng)光敏電阻(響應(yīng)時(shí)間至ps數(shù)量級(jí))相比,本樣品的載流子壽命較長(zhǎng),使響應(yīng)時(shí)間也延長(zhǎng),樣品對(duì)光信號(hào)的反應(yīng)較慢[10]。為了得到增益與響應(yīng)時(shí)間都較好的元件,應(yīng)盡量采取小電極間距結(jié)構(gòu)以縮短電子的渡越時(shí)間。相對(duì)光電流是隨著調(diào)制頻率的增大而變小的,在光調(diào)制頻率為300 Hz左右時(shí),光電流已約等于零。

2.5 溫度特性

光敏電阻器與其它半導(dǎo)體器件一樣,它的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)受溫度影響較大。光敏電阻器在低溫時(shí)元件的靈敏度會(huì)有較大的提高,這可以歸因于溫度下降,使平衡載流子濃度下降,引起暗電阻上升所致。平衡載流子濃度的下降,又可以引起非平衡載流子壽命的上升,使光電流增加。載流子壽命與溫度的關(guān)系比較復(fù)雜,因此光電導(dǎo)與溫度的關(guān)系是很復(fù)雜的。

3 結(jié) 論

采用鍍膜技術(shù)在SiO2/Si襯底上制備的鈦鈮酸鍶膜在可見光范圍內(nèi)有良好的光敏特性,其靈敏度和光電導(dǎo)增益較高。利用空間電荷效應(yīng)和注入效應(yīng)能較好地解釋鈦鈮酸鍶膜的光敏特性,結(jié)果表明:光照強(qiáng)度對(duì)空間電荷效應(yīng)的影響較大,而電壓對(duì)空間電荷效應(yīng)的影響較小,對(duì)注入電流效應(yīng)影響較大。該光敏元件可以和外加處理電路全部集成在一起,實(shí)現(xiàn)集成化和智能化的傳感器,能達(dá)到成為實(shí)用器件的目標(biāo)。