硫化鉛（PbS）探測(cè)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(cè)器。然而，目前對(duì)化學(xué)水浴法合成硫化鉛探測(cè)器的研究主要集中在較大尺寸的單元探測(cè)器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國(guó)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(cè)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(cè)器，研究了器件光電性能隨電阻、長(zhǎng)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(cè)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(jí)器件的響應(yīng)度達(dá)到了51.68 A/W，約為200 μm級(jí)器件的123倍，且在可見光和2.7 μm紅外波長(zhǎng)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(cè)器件可為硫化鉛探測(cè)器研究提供一定的支撐。

器件的原理與制備

PbS光電探測(cè)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(lái)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(cè)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(duì)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(zhǎng)的PbS薄膜的成膜質(zhì)量良好，這對(duì)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(jí)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(shí)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(shí)間調(diào)整為20 min時(shí)，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(shí)間設(shè)定在10~20 min之間。

圖2 PbS光電探測(cè)器的微觀形貌圖

為了研究PbS光電探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光的探測(cè)性能，分別以450 nm、635 nm、980 nm、1550 nm、2.7 μm等5種波長(zhǎng)的激光器作為光源，利用Keithley 4200 SCS半導(dǎo)體光電性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了不同尺寸探測(cè)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(duì)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(zhǎng)之間的關(guān)系

無(wú)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?，顯著減少了載流子的渡越時(shí)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(cè)器不僅對(duì)紅外光有響應(yīng)，而且對(duì)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(cè)準(zhǔn)確率更高。

由于PbS探測(cè)器多用于對(duì)紅外光的探測(cè)，因此為了著重研究不同尺寸PbS光電探測(cè)器對(duì)短波紅外的探測(cè)性能，研究人員首先以1550 nm的激光器作為光源進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯徽撌谴蟪叽绲钠骷€是小尺寸的器件均表現(xiàn)出微安量級(jí)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(lái)越快。

圖4 1550 nm光源下的光電流響應(yīng)曲線

探測(cè)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(zhǎng)寬比和線寬來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)度固定不變時(shí)，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?huì)影響其電阻外，PbS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(huì)影響器件的導(dǎo)電性能。

圖5 探測(cè)器件電阻與尺寸的關(guān)系

探測(cè)器件電阻的不同也會(huì)影響器件的光電性能。研究人員在1550 nm的光源下對(duì)電阻不同的PbS探測(cè)器件的光電性能進(jìn)行測(cè)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(cè)器需要在不同光強(qiáng)下工作，了解入射光功率探測(cè)器光響應(yīng)的影響以及確定探測(cè)器的工作范圍，是評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的一個(gè)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(lái)研究對(duì)PbS探測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。

這是因?yàn)镻bS光電探測(cè)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(shí)，入射光子在半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶中激發(fā)出光生電子空穴對(duì)，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(duì)也就越多，從而光電流也會(huì)變大。而探測(cè)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(cè)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(cè)器對(duì)中紅外的探測(cè)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(jí)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(jí)的PbS探測(cè)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(duì)于200 μm×200 μm的器件來(lái)說，響應(yīng)度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明高性能的小尺寸PbS探測(cè)器是有可能實(shí)現(xiàn)的。

圖8 不同尺寸探測(cè)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(cè)器在紅外光下的光電性能，研究人員又對(duì)更多不同規(guī)格尺寸的PbS探測(cè)器件進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。圖9（a）和圖 9（b）顯示了長(zhǎng)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(duì)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(duì)應(yīng)的響應(yīng)度為28.83 A/W。并且兩種波長(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(cè)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(shí)間，從而增強(qiáng)了光響應(yīng)性。這些結(jié)果均說明了10 μm級(jí)的器件可以實(shí)現(xiàn)良好的響應(yīng)性能。

圖9 探測(cè)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(cè)器，并從多個(gè)維度對(duì)探測(cè)器的紅外響應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，PbS探測(cè)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(wú)論在哪種波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)。本文的研究表明，小尺寸的PbS探測(cè)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(cè)器的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

審核編輯：劉清