文 |许晨渊的书房

编辑 | 许晨渊的书房

目前半导体薄膜的发展在光电子器件中引起了广泛的关注。在光电器件中，光电探测器是在通信和自动化领域有着广泛应用的重要器件之一。II–VI族化合物半导体在光电探测器制造方面显示出巨大的潜力。

II–VI族半导体如ZnS和ZnSe在光电探测器应用中具有优势。ZnS和ZnSe是无毒的宽带隙半导体，具有可见光吸收等特点。

薄膜带隙的调节可以通过组分变化来实现。在我们以前的工作中，沉积了ZnSx硒1 x用于光电探测器的使用，也就是二元源材料ZnS和ZnSe的玻璃衬底上的薄膜。薄膜的结构和光学特性受组成参数“x”的影响很大。

当组成从x = 0.0改变到1.0时，带隙从2.5 eV调谐到3.5 eV。在XRD峰的位置中观察到系统偏移。薄膜的载流子浓度和电阻率受组成的影响很大。

此外，对于组合物x = 0.4，膜的光响应显示出优异的性能。ZnSx硒1 x从结构、电学和光响应研究中观察到，x = 0.4的膜可以用作光电探测器。

在器件应用中，硅基薄膜异质结有几个优点。硅基异质结是低成本系统，并且它们可以容易地集成到光学器件中。

具有II–VI族半导体薄膜的硅以其可靠性和优越的特性得到了极大的发展。ZnSx硒1 x/Si异质结在紫外线可见光区表现出良好的量子效率和光响应。

经过实验，我们也发现了金属-半导体-金属(MSM)基ZnS–PS(多孔硅):p–Si杂化异质结构在365和400 nm的响应和恢复时间下的单个和增强紫外到可见光传感特性。

在物理制备技术中，热共蒸发技术具有优越的特性。在所采用的技术中，可以容易地控制膜的组成“x”。在这种方法中，膜在真空下生长，这减少了膜中的氧化和缺陷。

此外，可以通过热共蒸发技术以低成本制造半导体异质结构.尽管ZnSSe是一种不含镉的硫属化物，但是p–Si/ZnS的制备和表征x硒1 x还没有详细分析异质结构，异质结构的性质和它的光电探测器行为还有待研究。

在目前的项目中，ZnSx硒1 x用热共蒸发技术在硅衬底(p-Si)上合成了薄膜。研究了不同组分下薄膜的结构、光学和电学性质。分析了用于光电探测器的优化的Si/ZnSSe异质结构。

掠入射X射线衍射(GIXRD)研究已经被用来研究硫化锌的结构特性x硒1 x在p-Si(100)衬底上生长的(0.0 ≤ x ≤ 1.0)薄膜。数字1a代表p–Si/ZnS的GIXRD图样x硒1 x掠入射角为2°的(0.0 ≤ x ≤ 1.0)异质结构。

所有的膜都显示出多晶性质，并且高强度峰的布拉格角移动到更低的角度，即从28.57到27.22，这证实了当组成“x”从1.0变化到0.0时，se原子替代S原子。使用以下公式计算结构性质，如晶面间距(D)、晶格参数(a)、微晶尺寸(D)、应变(ε)和位错密度(δ)

结构参数的随机变化可能是由于ZnSSe(ZnS和ZnSe晶格常数的差异)个体组成中晶格应变比例的不一致性，这发展了原子随机运动的可能性。由于薄膜中存在的成分和应变的变化，微晶尺寸随着“x”而变化。

应变是由于硅和ZnS之间的晶格失配而形成的x硒1 x(0 ≤ x ≤ 1)。此外，薄膜中存在的晶体缺陷也可能导致这种现象。薄膜中的应变是不可否认的，这可能是因为薄膜和基底之间的热系数不匹配而出现的。

位错密度表征为晶体单位体积中存在的分离线的长度，给出了化学计量变化的细节，其影响膜的体积发展。

光致发光分析

数字1b描绘了p–Si/ZnS的高斯解卷积光致发光谱x硒1 x用325 nm (3.82 eV)的激发波长记录的薄膜。二元ZnS (x = 1.0)的PL谱在405和503 nm附近有两个峰；这些发射峰小于ZnS薄膜的带边，对应于缺陷能级发射(DLE)。

这些缺陷仅涉及称为点缺陷的小部分原子，包括空隙、空位、堆垛层错和纳米结构表面上丰富的表面态。

在两个二元体(x = 0和x = 1)中503 nm附近的峰对应于与膜中锌间隙相关的缺陷[21].硫化锌的光谱x硒1 xx从0.2到0.8的薄膜是ZnS和ZnSe基缺陷态的复合。在此范围内(x = 0.2至0.8)，约400 nm和约500 nm附近的峰分别是由沉积膜中的硫空位和锌间隙原子引起的。

锌间隙峰和硫空位峰在p–Si/ZnS的所有异质结构中都是常见的x硒1 x(x = 0到1)，即样品富含锌，硫和硒的浓度低于预期。这在PVD生长的II–VI族硫属化合物中很常见，这可能归因于组成元素的蒸汽压差异。Zn含量较高的薄膜表现出n型导电性4].因此，ZnSSe中的费米能级接近导带。

p–Si/ZnS的拉曼光谱x硒1 x具有洛伦兹拟合的(0.0 ≤ x ≤ 1.0)异质结构在532 nm激发下被记录在图中，对应于所有异质结构中的Si振动模式。

如果生长的ZnS的话，有可能观察到沉积衬底的声子模式x硒1 x薄膜很薄(厚度约250 nm ),在激发源辐射下透明23].激发波长和光密度是相关的，较长的激发辐射扩散到膜的更深处。对于具有高透明度的材料，穿透深度更高；

所有薄膜的厚度都在250 nm左右，这可能是观察到Si衬底拉曼模式的原因。对于x = 0(即ZnSe)，拉曼模式在250 cm处− 1被分配为ZnSe的LO模式。

对于二元硫化锌，峰值在269厘米左右− 1与立方硫化锌的模式有关25]，应变观察到ZnS和ZnSe中的拉曼模式从体声子模式移动。在三元样品中，随着“x”从0.0增加到1.0，拉曼模式从250 cm偏移− 1至269厘米− 1类似于纯ZnS和ZnSe。

304厘米左右的模式− 1在所有三元ZnSxSe中1 x对应于ZnSe [的(LO + TA)模式26]，离ZnS很近(LA+TA )。三元硫化锌的拉曼模式x硒1 x是ZnS和ZnSe声子模的组合，它证实了三元合金成分的调制。

拉曼模式的存在和位置也取决于激发源波长，晶格参数对环境温度高度敏感。声子模的红移和蓝移主要是由于薄膜中的张应力和压应力引起的。随着温度从300 K降低到120 K，由于拉伸应力，TO (ZnS)拉曼模式向低波数侧移动。

多晶硅/硫化锌x硒1 x(0.0 ≤ x ≤ 1.0)异质结表现出良好的整流行为。p–Si/ZnS随温度变化的I–V曲线0.8硒0.2正向偏压下的异质结构。

为了计算二极管参数和分析结上的主要载流子传导机制，实现了与温度相关的I–V测量。随着温度的升高，所有异质结构中的正向电流值都会增加，这是因为不均匀的陷阱分布和位于交叉点的陷阱能级的影响。根据TE模型，电流(I)和电压(V)可以表示为：

I=IS[经历(qVηkT)],I=IS[经历⁡(qVηkT)],

在其中，IS=AA∗T2经历(−qBkT)IS=AA∗T2经历⁡(−qBkT)，q，k，A*A和T分别是通过结的反向饱和电流、电子电荷、玻尔兹曼常数、理查森常数、器件的有源区和温度。可以表示为lnI=qVηkT+lnISlnI=qVηkT+lnIS

理想因子(η)通过异质结的I–V曲线的斜率进行估算和屏障高度(φB)是由

ϕB=kTqln(AA∗T2IS)ϕB=kTqln⁡(AA∗T2IS)

获得的参数。由于界面态和串联电阻的存在，我们可以在偏置电压为0.5 V后的半对数I–V观察到与线性度的偏差。

温度的升高导致电荷载流子获得足够的能量越过高势垒高度。理想二极管的η应为1；与该值的偏差(大于1)意味着结的性能不理想且不均匀。

较高的理想因子可能是因为漏电流、耗尽区中的自由载流子复合以及晶格失配30].势垒高度的变化强烈地依赖于温度，表明跨界面移动的载流子受到温度的刺激。

研究p–Si/ZnS的光敏性、I–V特性x硒1 x在黑暗和光照条件下研究了异质结。与所有异质结相比，x = 0.8的薄膜在恒定偏压下表现出最大的光响应。

数字6a评估不同波长照明条件下x = 0.8异质结构的I-V测量值。暗电流的起源可能是由于载流子的产生-复合、隧穿、泄漏和扩散电流。在光照条件下，整流行为保持不变，并且由于电子-空穴对的产生和自由电荷载流子迁移率的上升，光电流提高。

如果入射光子波长等于膜的吸收边或膜中的缺陷态，则自由电荷载流子的迁移率增加，导致在波长λ的区域中的高光电流14].x = 0.8的样品显示较大的晶粒尺寸和较少的晶体结构缺陷，这是显示非常高的光敏性的基本因素。

p–Si/ZnS的二极管参数0.8硒0.2使用TE模型进行计算。数字6c表示p–Si/ZnS在黑暗和光照条件下的半对数I–V曲线0.8硒0.2异质结。η和φB在表中显示了它们在波长照射下的相反关系。

η= 1到2，η= 2，并且η> 2是已知的隧道效应、产生-复合和漏电流机制。异质结构暴露在光照下，然后被晶界包围的光激发电荷载流子导致φ减小B；从而有助于运输装置在最小阻力环境下移动，并且随着照明功率的增加，屏障高度降低。

在目前的实验中，ZnSx硒1 x以ZnS和ZnSe为源材料，采用热共蒸发技术在p-Si (100)上生长了(0.0 ≤ x ≤ 1.0)薄膜。硫化锌的GIXRD研究x硒1 x(0 ≤ x ≤ 1)薄膜显示出具有显著取向的立方相。

发现x = 0.8时结晶度较高，PL测量证实了薄膜中锌间隙和硫空位的存在。使用非简谐模型分析了x = 0.8的样品的低温拉曼光谱。在与温度相关的I-V测量中，随着温度从室温上升到320 K，理想因子从4.22下降到2.13。

此外，势垒高度也随着温度的升高而增加。多晶硅/硫化锌x硒1 xx = 0.8的异质结在635 nm表现出显著的光响应。