趙一默 黃志偉 彭仁苗 徐鵬鵬 吳強(qiáng) 毛亦琛余春雨 黃巍 汪建元 陳松巖 李成?

1) (廈門(mén)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廈門(mén) 361005)

2) (閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院, 漳州 363000)

3) (廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廈門(mén) 361005)

本文通過(guò)在氧化銦錫(indium tin oxide, ITO)透明電極和鍺(germanium, Ge)之間引入超薄氧化物介質(zhì)層以調(diào)節(jié)其接觸勢(shì)壘高度, 制備出低暗電流、高響應(yīng)度的鍺肖特基光電探測(cè)器.比較研究了采用不同種類(lèi)介質(zhì)Al2O3和MoO3, 以及不同摻雜濃度的鍺和硅襯底上外延鍺材料制作的ITO/Ge肖特基二極管特性.發(fā)現(xiàn)2 nm厚的Al2O3插層可有效提高ITO與n-Ge和i-Ge的接觸勢(shì)壘高度, 而MoO3插層對(duì)ITO與不同Ge材料的接觸勢(shì)壘高度影響不明顯.ITO/Al2O3/i-Ge探測(cè)器由于其增大的勢(shì)壘高度表現(xiàn)出性能最佳, 暗電流(–4 V)密度低至5.91 mA/cm2, 1310 nm波長(zhǎng)處光響應(yīng)度高達(dá)4.11 A/W.而基于硅基外延鍺(500 nm)材料制作的ITO/Al2O3/Ge-epi光電探測(cè)器的暗電流(–4 V)密度為226.70 mA/cm2, 1310 nm處光響應(yīng)度為0.38 A/W.最后, 使用二維位移平臺(tái)對(duì)ITO/Al2O3/i-Ge光電探測(cè)器進(jìn)行了單點(diǎn)成像實(shí)驗(yàn), 在1310 nm, 1550 nm兩個(gè)波段得到了清晰可辨的二維成像圖.

1 引 言

信息時(shí)代對(duì)于信息傳輸、可視化信息處理的要求越來(lái)越高, 而硅基光電子芯片以其極具潛能的緊湊型結(jié)構(gòu), 將光子和電子器件集成于同一芯片上,從而大大提高集成回路性能[1,2].鍺與硅同屬于IV族材料, 其直接帶隙寬度約0.8 eV, 響應(yīng)波長(zhǎng)剛好對(duì)應(yīng)于1550 nm光通信波段.且具備較易外延于硅襯底上, 與標(biāo)準(zhǔn)硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)兼容性好等優(yōu)點(diǎn), 使其成為硅基光電子集成回路重要的候選材料之一[3,4].而且鍺材料以其高載流子遷移率和在光通信波段較大的光學(xué)吸收系數(shù), 一直被視為高靈敏度近紅外探測(cè)器的優(yōu)質(zhì)材料[5?7], 鍺材料在光通信、紅外夜視儀, 醫(yī)療傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)等化學(xué)、生物、軍事多跨度領(lǐng)域都可以得到廣泛的應(yīng)用[3,8,9].

雖然鍺和硅基鍺光電探測(cè)器經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展, 已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展[10].然而由于鍺材料高的表面態(tài)密度和較窄的禁帶寬度, 鍺光電探測(cè)器往往有著較高的暗電流, 探測(cè)率等性能受到一定影響[11].報(bào)道較多的P-本征-N(P-intrinsic-N, PIN)型 和 金 屬-半 導(dǎo) 體-金 屬 (metal-semiconductormetal, MSM)型鍺光電探測(cè)器暗電流密度一般在10—102mA/cm2范圍內(nèi)[12?17].鍺雪崩型光電探測(cè)器雖然由于其具有內(nèi)部增益而具有高的響應(yīng)度, 但制作工藝復(fù)雜, 且需要在高偏壓下工作[18].因此,尋求簡(jiǎn)單又有效的方法減小鍺探測(cè)器暗電流、提高其探測(cè)率仍具重要的意義.金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之前已經(jīng)被證實(shí)可以提升探測(cè)器性能, 其使用較厚(60 nm)的MgO作為介質(zhì)插層, 增益表現(xiàn)為絕緣層中碰撞離化導(dǎo)致的載流子倍增[19,20].而近期,筆者課題組提出采用極薄(1—3 nm)金屬氧化物介質(zhì)層調(diào)制ITO與鍺接觸勢(shì)壘高度的方法, 研制出具有較低暗電流和高響應(yīng)度的鍺肖特基結(jié)光電探測(cè)器[21].本文工作是前期工作的延續(xù)和拓展,使用兩種不同摻雜濃度的鍺, 以及硅基外延鍺材料制作肖特基結(jié)光電探測(cè)器, 分別比較了2 nm厚Al2O3和MoO3介質(zhì)層作為插入層對(duì)鍺肖特基光電探測(cè)器性能的影響, 并討論了其作用機(jī)理.

2 實(shí)驗(yàn)與表征方法

實(shí)驗(yàn)中采用了3種不同的鍺材料, 分別是摻雜濃度為2 × 1016cm–3的n型Ge(100), 本征Ge(100)(i-Ge, 弱n型, 摻雜濃度約1 × 1014cm–3)以及硅襯底上外延的500 nm厚的鍺薄膜.使用型號(hào)為Picosun R200的原子層沉積設(shè)備生長(zhǎng)超薄介質(zhì)材料, 如2 nm厚的Al2O3和MoO3.其中沉積Al2O3的生長(zhǎng)溫度為200 ℃, 采用Al(CH3)3為前驅(qū)體,H2O為其氧源.沉積MoO3的生長(zhǎng)溫度為155 ℃,采用Mo(CO)6前驅(qū)體, 等離子體氧為其氧源.ITO電極以及Al背電極則是使用磁控濺射系統(tǒng)進(jìn)行生長(zhǎng)的, 其中100 nm厚的ITO薄膜電極的濺射功率為33 W, 生長(zhǎng)速率為0.08 nm/s, 濺射時(shí)間為21 min, 生長(zhǎng)時(shí)表面覆蓋孔徑為300 μm的金屬掩膜版.300 nm厚的Al背電極的濺射功率則為112 W, 生長(zhǎng)速率為0.17 nm/s, 濺射時(shí)間為30 min.

采用原子力顯微鏡測(cè)試樣品的表面形貌和粗糙度.圖1分別給出了i-Ge襯底及在其上沉積了2 nm厚的Al2O3, MoO3的原子力顯微鏡圖以及肖特基光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖.介質(zhì)層厚度選取2 nm是考慮其對(duì)勢(shì)壘高度調(diào)制作用和引入串聯(lián)電阻等因素后優(yōu)化的結(jié)果[19].圖1(a)—(c)分別為本征鍺及其上沉積2 nm厚MoO3和Al2O3原子力顯微鏡圖, 表面粗糙度分別為0.27, 0.25和0.28 nm,表明制備的氧化層表面平整光滑.圖1(d)為ITO/Al2O3(或MoO3)/Ge肖特基光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖.采用透明導(dǎo)電電極ITO是為了避免使用金屬電極對(duì)入射光的反射和吸收損失, 提高器件的響應(yīng)度.ITO作為一種透明導(dǎo)電薄膜, 擁有很高的可見(jiàn)光和近紅外光透光率, 且其透光率與生長(zhǎng)條件和厚度有關(guān)[22], 本實(shí)驗(yàn)室利用磁控濺射生長(zhǎng)的110 nm的ITO薄膜在1310 nm及1550 nm波段透光率達(dá)到80%以上[23].為了對(duì)比超薄介質(zhì)層對(duì)器件的影響, 還制備了未生長(zhǎng)介質(zhì)插層的ITO/Ge光電探測(cè)器.

圖1 10 μm × 10 μm原子力顯微鏡圖 (a) 本征鍺表面; (b) MoO3(2 nm)/i-Ge; (c) Al2O3(2 nm)/i-Ge; (d) ITO/介質(zhì)層/Ge光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.AFM images with a scanned area of 10 μm × 10 μm: (a) Bare i-Ge; (b) MoO3 (2 nm)/i-Ge; (c) Al2O3(2 nm)/i-Ge;(d) schematic illustration of the ITO/dielectric-layer/Ge photodetector.

采用Keithley 2635B作為源表測(cè)試了探測(cè)器的伏安(I-V)特性.光電測(cè)試則是采用了波長(zhǎng)分別為1310 nm和1550 nm的兩種功率可調(diào)激光器作為光源.光源經(jīng)光纖耦合引入顯微鏡, 再聚焦到器件的電極表面.同時(shí), 使用261標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器對(duì)所用到的激光光源都進(jìn)行了功率校準(zhǔn).在單點(diǎn)成像方面, 利用水平方向的xy軸平移平臺(tái), 以一個(gè)器件直徑(金相顯微鏡下測(cè)量器件直徑約為350 μm)為步長(zhǎng)做機(jī)械移動(dòng), 進(jìn)行了共計(jì)25個(gè)像素點(diǎn)的光電測(cè)試.

3 測(cè)試結(jié)果與討論

圖2 給出室溫條件下所測(cè)試的ITO/Al2O3/Ge、ITO/MoO3/Ge及ITO/Ge三類(lèi)結(jié)構(gòu)肖特基結(jié)光電探測(cè)器的I-V特性曲線和1310 nm激光照射情況下的光電流響應(yīng), 電壓測(cè)試范圍從–4 V到4 V, 入射光功率從3.8 mW到10.2 mW.從圖2可以看出, ITO與鍺直接接觸均表現(xiàn)出整流特性,整流比對(duì)不同的n-Ge, i-Ge和外延Ge材料略有不同.ITO/n-Ge整流比最大, 約為102.對(duì)于不同類(lèi)型的鍺材料, 插入2 nm厚度的Al2O3后, 與沒(méi)有介質(zhì)插層的探測(cè)器比較時(shí), ITO/Al2O3/Ge探測(cè)器反向暗電流均急驟下降, 最大降幅達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí),整流比顯著提高.對(duì)于用n-Ge材料制備的探測(cè)器,整流比達(dá)到105.ITO/Al2O3/i-Ge的暗電流最小,達(dá)到5.68 × 10–6A (即暗電流密度5.91 mA/cm2).探測(cè)器正向最大電流則隨摻雜濃度而不同, n-Ge探測(cè)器的正向電流最大, 而i-Ge和外延Ge探測(cè)器正向電流比n-Ge探測(cè)器約小1個(gè)數(shù)量級(jí), 同時(shí)由于本征光電導(dǎo)效應(yīng), ITO/Al2O3/i-Ge的正向電流有1個(gè)數(shù)量級(jí)上升, 而ITO/i-Ge的正向電流也有小幅度的上升.對(duì)于用硅襯底上外延鍺材料制備的光電探測(cè)器, 暗電流相對(duì)較大, 但是在引入Al2O3插層后, 暗電流仍降低近1個(gè)數(shù)量級(jí).對(duì)所有類(lèi)型的Ge材料而言, 在ITO/Ge中插入MoO3介質(zhì)層的探測(cè)器, 與沒(méi)有插層的器件相比, 其伏安特性變化不大, 特別是反向暗電流對(duì)不同的材料略有下降或上升.對(duì)比插入MoO3和Al2O3探測(cè)器的伏安特性表明插入超薄介質(zhì)層引入的串聯(lián)電阻效應(yīng)可忽略, 而對(duì)ITO/Ge接觸勢(shì)壘高度的調(diào)制主導(dǎo)其伏安特性.

圖2 探測(cè)器在不同激光功率(1310 nm)照射下的I-V曲線與暗電流曲線對(duì)比 (a) ITO/Al2O3/n-Ge; (b) ITO/MoO3/n-Ge; (c) ITO/n-Ge; (d) ITO/Al2O3/i-Ge; (e) ITO/MoO3/i-Ge; (f) ITO/i-Ge; (g) ITO/Al2O3/Ge-epi; (h) ITO/MoO3/Ge-epi; (i) ITO/Ge-epiFig.2.Photocurrent and darkcurrent of the detectors measured under illumination by a 1310 nm laser at different powers:(a) ITO/Al2O3/n-Ge; (b) ITO/MoO3/n-Ge; (c) ITO/n-Ge; (d) ITO/Al2O3/i-Ge; (e) ITO/MoO3/i-Ge; (f) ITO/i-Ge; (g) ITO/Al2O3/Ge-epi; (h) ITO/MoO3/Ge-epi; (i) ITO/Ge-epi.

使用波長(zhǎng)1310 nm的可變功率激光器對(duì)探測(cè)器進(jìn)行了光電流測(cè)試, 在不同激光功率照射下, 各類(lèi)探測(cè)器的光電流均隨著光功率的增強(qiáng)而增大.對(duì)比每一組不同類(lèi)型鍺光電探測(cè)器光電流的大小, 可以看到, 雖然插入Al2O3介質(zhì)層后暗電流有顯著降低, 但是其光電流沒(méi)有任何的減小, 反而有顯著的增大.而插入MoO3介質(zhì)層的探測(cè)器光電流與沒(méi)有插層的器件相比較沒(méi)有明顯的變化.這再次證明插入超薄介質(zhì)層并未以增大器件串聯(lián)電阻為代價(jià)而降低暗電流.

圖3給出所有器件在波長(zhǎng)1310 nm激光垂直光照下的響應(yīng)度隨入射光功率的變化關(guān)系.可以看出, 所有光電探測(cè)器的響應(yīng)度隨著外加偏壓的增大均有不同程度的增大, 其中i-Ge組肖特基光電探測(cè)器及ITO/Al2O3/n-Ge肖特基光電探測(cè)器的在高光功率下響應(yīng)度隨偏壓的增大呈現(xiàn)出明顯的線性增大的趨勢(shì), 其他類(lèi)型的光電探測(cè)器在繼續(xù)增大偏壓后, 器件的光響應(yīng)度增速則減緩或稍有降低.但是不同結(jié)構(gòu)和不同類(lèi)型鍺材料制備的光電探測(cè)器響應(yīng)度隨入射光功率的變化規(guī)律并不完全一致.從圖3明顯看到, 具有2 nm厚Al2O3插層的所有類(lèi)型Ge光電探測(cè)器響應(yīng)度最大.而同一種Ge材料響應(yīng)度最大的分別為: ITO/Al2O3/i-Ge探測(cè)器在–4 V偏壓, 功率3.82 mW的激光照射下, 光響應(yīng)度高達(dá)4.11 A/W; ITO/Al2O3/n-Ge探測(cè)器在–4 V偏壓, 功率10.2 mW的激光照射下, 光響應(yīng)度達(dá)到了2.21 A/W; ITO/Al2O3/Ge-epi探測(cè)器則能夠在–3 V偏壓, 功率10.2 mW的激光照射下,光響應(yīng)度達(dá)到了0.38 A/W.相較而言, i-Ge組光電探測(cè)器響應(yīng)度在不同偏壓下均與入射光功率相關(guān)性并不明顯.ITO/Al2O3/i-Ge探測(cè)器的響應(yīng)度在低功率下幾乎不變, 并在功率達(dá)到6.6 mW后略有下降, 說(shuō)明此組光電探測(cè)器性能更加穩(wěn)定.而引入MoO3插層的三種光電探測(cè)器, 其光電響應(yīng)度略低于沒(méi)有插層的ITO/Ge光電探測(cè)器.同時(shí), 還使用1550 nm激光器對(duì)加入了Al2O3插層的器件進(jìn)行了相同的光電測(cè)試, ITO/Al2O3/i-Ge探測(cè)器在–4 V偏壓, 光響應(yīng)度為0.46 A/W; ITO/Al2O3/n-Ge探測(cè)器的光響應(yīng)度為0.26 A/W; 而ITO/Al2O3/Ge-epi探測(cè)器在1550 nm波長(zhǎng)處的光響應(yīng)則比較微弱.

圖3 探測(cè)器在偏壓為–1, –2, –3, –4 V、不同激光功率(1310 nm)照射下的響應(yīng)度變化曲線 (a) ITO/Al2O3/n-Ge; (b) ITO/MoO3/n-Ge; (c) ITO/n-Ge; (d) ITO/Al2O3/i-Ge; (e) ITO/MoO3/i-Ge; (f) ITO/i-Ge; (g) ITO/Al2O3/Ge-epi; (h) ITO/MoO3/Ge-epi; (i) ITO/Ge-epiFig.3.Responsivities of the photodetectors measured at –1, –2, –3 and –4 V reverse bias under illumination by a 1310 nm laser at various powers: (a) ITO/Al2O3/n-Ge; (b)ITO/MoO3/n-Ge; (c) ITO/n-Ge; (d) ITO/Al2O3/i-Ge; (e) ITO/MoO3/i-Ge; (f) ITO/i-Ge;(g) ITO/Al2O3/Ge-epi; (h) ITO/MoO3/Ge-epi; (i) ITO/Ge-epi.

將制備得到的ITO/Al2O3/i-Ge肖特基光電探測(cè)器與文獻(xiàn)報(bào)道的Ge光電探測(cè)器性能進(jìn)行了對(duì)比, 如表1所示.

表1 超薄介質(zhì)插層調(diào)制的ITO/Ge肖特基光電探測(cè)器與文獻(xiàn)報(bào)道的器件性能對(duì)比Table 1.A comparison of the performance of our works with those from other groups.

為了定量理解Al2O3和MoO3插層對(duì)勢(shì)壘高度的調(diào)制作用, 對(duì)所有的器件進(jìn)行變溫伏安特性測(cè)試, 以提取其有效接觸勢(shì)壘高度.圖4給出典型的ITO/Al2O3/i-Ge探測(cè) 器 在293—373 K(間隔為20 K)下的無(wú)光照變溫I-V特性曲線及所有9種光電探測(cè)器根據(jù)變溫I-V特性畫(huà)出的 l n(J/T2) 與1/(kT)的關(guān)系圖.相對(duì)應(yīng)的肖特基勢(shì)壘高度從變溫I-V特性曲線中提取, 根據(jù)熱電子發(fā)射模型[30]:

圖4 (a) ITO/Al2O3/i-Ge變溫I-V曲線; (b) i-Ge組器件ln(J/T 2)與1/(kT)擬合結(jié)果; (c) n-Ge組器件ln(J/T 2)與1/(kT)擬合結(jié)果; (d) Ge-epi組器件ln(J/T 2)與1/(kT)擬合結(jié)果Fig.4.(a) Temperature dependent I-V characteristics of ITO/Al2O3/i-Ge detector; (b) ln(J/T 2) versus 1/(kT) for i-Ge detectors;(c) ln(J/T 2) versus 1/(kT) for n-Ge detectors; (d) ln(J/T 2) versus 1/(kT) for Ge-epi detectors.

IR表示反向飽和電流, A表示探測(cè)器上電極(ITO)的面積, A*表示有效理查森常數(shù)(143 A/(cm2·K2)),φb表示肖特基有效勢(shì)壘, q為電子電荷, T為測(cè)試溫度.從變溫曲線中提取到每種器件的有效接觸勢(shì)壘高度列于表2中, 并畫(huà)出了勢(shì)壘高度與器件類(lèi)型的關(guān)系(圖5).從表2可以看到之前響應(yīng)度表現(xiàn)最好的3種器件正是同類(lèi)材料下有效接觸勢(shì)壘高度最大的器件, 最大的有效接觸勢(shì)壘高度為0.56 eV(ITO/Al2O3/i-Ge), 而ITO/Al2O3/n-Ge的有效接觸勢(shì)壘高度為0.55 eV.對(duì)外延Ge材料而言, 插入介質(zhì)層對(duì)有效接觸勢(shì)壘高度影響不大, 分析其原因一方面是由于硅上外延鍺材料的Si/Ge界面存在較高的位錯(cuò)密度, 在引入Al2O3插層后, 雖然可有效降低暗電流近一個(gè)數(shù)量級(jí)(圖2(g)與圖2(i)),但相比起使用體鍺材料制作的同類(lèi)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)暗電流仍然相對(duì)較大, 掩蓋了其勢(shì)壘高度的變化.另一方面則是由于外延生長(zhǎng)Ge的厚度較薄,僅500 nm, 對(duì)入射光不能充分吸收, 響應(yīng)度相對(duì)較小; 針對(duì)以上原因, 為了進(jìn)一步提高外延鍺材料的光電探測(cè)器得響應(yīng)度, 可以采取增大外延層厚度的方法或者使用絕緣體上硅(silicon-on-insulator,SOI)襯底代替硅襯底引入諧振腔增強(qiáng)光吸收的方法; 此外需提高材料外延質(zhì)量, 降低界面位錯(cuò)密度.

圖5 有效肖特基勢(shì)壘高度與器件類(lèi)型關(guān)系圖Fig.5.Diagram of effective Schottky barrier heights with device types.

表2 不同結(jié)構(gòu)的有效肖特基勢(shì)壘高度Table 2.Effective Schottky barrier heights of different structures.

而由于半導(dǎo)體Ge表面存在大量表面態(tài), 導(dǎo)致強(qiáng)烈的費(fèi)米釘扎效應(yīng)[11], ITO作為一種高摻的氧化物電極, 能夠起到解除半導(dǎo)體表面的費(fèi)米釘扎效應(yīng)的作用[31], 與Ge之間僅有很小的接觸勢(shì)壘, 且對(duì)不同類(lèi)型的Ge略有差別, 其有效接觸勢(shì)壘在0.24—0.34 eV之間.但當(dāng)ITO與Ge之間插入2 nm厚的Al2O3之后, 伏安特性中反向暗電流顯著下降, 整流比提高.相比較而言, 插入MoO3介質(zhì)層對(duì)ITO/Ge接觸勢(shì)壘高度的影響不大.

為了更好地理解不同結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器暗電流和光電特性, 圖6展示了ITO/Al2O3/Ge, ITO/MoO3/Ge和ITO/Ge能帶和載流子輸運(yùn)示意圖.在反向偏壓下, 內(nèi)建電場(chǎng)增大, 光生載流子主要發(fā)生在空間電荷層, 但由于ITO的電子填充水平較高, 光生空穴可以順利輸運(yùn)到ITO表面, 因此不存在載流子被限制的情況[7], 而在ITO和Ge之間加入了Al2O3插層后, 由于Al2O3電子親和能很小,約為1.0 eV[32], 而帶隙很大, 達(dá)到10.7 eV[33], 使得光生空穴遂穿的幾率減小, 被限制在界面以及介質(zhì)層中缺陷能級(jí)上, 產(chǎn)生光電流增益, 因此在ITO/Al2O3/Ge類(lèi)光電探測(cè)器中得到高的響應(yīng)度.對(duì)ITO/MoO3/Ge類(lèi)光電探測(cè)器, 插入MoO3介質(zhì)層, 其接觸勢(shì)壘高度變化很小, 在誤差范圍內(nèi)可以忽略不計(jì).MoO3薄膜的電子親和能較大, 約為5.22 eV, 而其帶隙約為3.19 eV[34].由于MoO3的電子親和能遠(yuǎn)大于Ge的電子親和能, MoO3插層對(duì)ITO/Ge接觸電子勢(shì)壘高度影響不大.另一方面, MoO3可以作為空穴傳輸層用于太陽(yáng)電池中[35],對(duì)光生空穴沒(méi)有明顯的的限制作用.對(duì)比Al2O3和MoO3兩種介質(zhì)插層對(duì)ITO/Ge光電探測(cè)器性能的調(diào)制, 進(jìn)一步明確了Al2O3介質(zhì)插層對(duì)ITO/Ge勢(shì)壘高度的調(diào)制以及限制空穴的作用是降低探測(cè)器暗電流和提高光電響應(yīng)度的主要原因.

圖6 光照下探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)圖以及載流子輸運(yùn)示意圖 (a) ITO/i-Ge; (b) ITO/Al2O3/i-Ge; (c) ITO/MoO3/n-GeFig.6.Energy band and carrier transport diagram of detectors under light illumination: (a) ITO/i-Ge; (b) ITO/Al2O3/i-Ge;(c) ITO/MoO3/n-Ge.

室溫工作短波紅外焦平面成像在微光夜視或霧霾氣象條件下無(wú)人駕駛等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景.使用二維位移平臺(tái)對(duì)制備的響應(yīng)度最高的肖特基光電探測(cè)器(ITO/Al2O3/i-Ge)進(jìn)行了單點(diǎn)成像實(shí)驗(yàn).分別在X方向和Y方向都移動(dòng)了5個(gè)器件直徑的距離, 即整個(gè)測(cè)試圖像面積為1750 μm ×1750 μm.使用波長(zhǎng)1310 nm和1550 nm的激光器, 激光光斑的大小約為100 μm.通過(guò)測(cè)試不同位置時(shí)光電探測(cè)器的光電流(電壓), 與對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)利用MATLAB灰度圖進(jìn)行成像, 即得到激光光斑所在位置的圖像, 如圖7所示.考慮到不同波長(zhǎng)(1310 nm, 1550 nm)激光光斑是獨(dú)立耦合所得, 在更換光纖后光斑位置會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏差, 雖然如此, 圖中可以看到最亮光斑的移動(dòng)不會(huì)超過(guò)350 μm.因此可認(rèn)為所制備的探測(cè)器及其成像系統(tǒng)仍然具有很高的保真特性, 證明了制備的紅外光電探測(cè)器可以應(yīng)用于紅外光電成像系統(tǒng)中.

圖7 ITO/Al2O3/i-Ge二維成像圖 (a) 1310 nm波長(zhǎng); (b) 1550 nm波長(zhǎng)Fig.7.Two dimensional image obtained from the ITO/Al2O3/i-Ge detector: (a) 1310 nm laser; (b) 1550 nm laser.

4 結(jié) 論

本文分別使用不同類(lèi)型的鍺材料制備了ITO/Ge肖特基光電探測(cè)器, 比較研究了在電極和鍺之間插入超薄Al2O3和MoO3介質(zhì)層, 對(duì)勢(shì)壘高度的調(diào)制作用和光電探測(cè)器性能的影響.從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)插入2 nm厚的Al2O3介質(zhì)層可有效提高ITO/Ge肖特基勢(shì)壘高度, 降低探測(cè)器暗電流, 提高光電響應(yīng)度.而插入MoO3介質(zhì)層對(duì)ITO/Ge光電探測(cè)器的性能影響不大.結(jié)果表明引入Al2O3介質(zhì)插層一方面提高ITO/Ge接觸勢(shì)壘高度, 另一方面對(duì)在鍺中產(chǎn)生的光生空穴有限制作用, 導(dǎo)致器件光電流增益的產(chǎn)生, 大幅提高探測(cè)器的響應(yīng)度.最后, 使用制備的ITO/Al2O3/i-Ge肖特基光電探測(cè)器進(jìn)行了單點(diǎn)成像實(shí)驗(yàn), 對(duì)波長(zhǎng)1310 nm和1550 nm激光光斑成像得到可分辨的圖案.表明本文提出的制備高性能Ge肖特基光電探測(cè)器的方法可應(yīng)用于低成本短波紅外成像系統(tǒng).