钛铌酸锶膜光敏传感元件的制备与特性分析*

廖 荣, 刘慧君, 柯嘉聪, 李涌春, 廖鸿韬, 罗志勇

(华南理工大学 电子与信息学院,广东 广州 510640)

0 引 言

光敏传感器是传感器中的一个重要分支,光信号在传播的过程中具有许多电信号所无法比拟的优势,如频率高、频带宽、抗干扰性强、信息量大等,用于光电转换的光电传感器研究越来越受重视,应用十分广泛[1]。钙钛矿是地球上最多的矿物,许多具有钙钛矿结构的晶体具有自发极化和相变的特性,这些晶体在不同条件下可以成为半导体,钛铌酸锶(SrNbxTi1-xO3)是其中的一种广泛应用的钙钛矿型化合物。纯净的钛酸锶禁带宽度为3.25 V,常温下为绝缘体,对可见光不敏感,但可以在其多晶陶瓷中掺入杂质,使其半导体化,室温下将大大提高它的电导率[2]。

本文以二氧化硅/硅(SiO2/Si)为衬底,利用钛铌酸锶(SrNbxTi1-xO3)作敏感膜,制成MIS电容器和平面型薄膜电阻器的复合结构[3]。将信号的处理、显示电路以及微处理器安装在一块电路板上,制成智能传感器。光敏传感器的物理基础是光电效应,通过入射光子引起器件材料内部产生或感应出电子和空穴等载流子,由这些载流子引起的材料电性质的改变。本文正是应用光电导效应制作成薄膜结构的传感器,该光敏元件对可见光区(3 805～7 605 nm)敏感,可使用于自动控制系统和测量系统等[4]。

1 样品的制备与测试

采用晶向为〈111〉的n/n+型硅外延片,电阻率为0.3～0.6 Ω·cm,厚度为400;靶材为纯度99 %的钛铌酸锶靶。硅外延片在850 ℃的氧化炉中用干氧氧化30 min,氧气流量为800 mL/min,得到SiO2膜厚25 nm;采用JGP—560B型高真空溅射镀膜机镀钛铌酸锶膜,真空度5×10-4Pa,衬底温度300 ℃,溅射功率80 W,工作气体为氩气(纯度为99.999 %),工作气压为1.3 Pa,镀膜后样品退火温度为420 ℃,用高纯氮(纯度为99.99 %)保护,流量为500 mL/min,时间15 min。然后蒸铝50 s,真空度2×10-3Pa,得到铝膜厚度为0.5;经铝反刻后,俯视图1(b)所示,曝光时间为20 s;硅片背面蒸金,时间80 s,金层厚度0.8;再放到合金炉内微合金,炉温400 ℃,合金20 min。制成的Al/SrNbxTi1-xO3/SiO2/Si结构,其平面型电阻器的电极间距为L=50,其结构剖面图1(a)所示。

在稳定光照的情形下,样品的光电流测量电路可采用稳压电源和限流电阻、电流表、样品组成的简单串联电路。测试设备采用Lx—101型数字照度计、WYJJ型晶体管直流稳压电源、DT9103A型数字万用表等,限流电阻为6 Ω,测试条件为白光,环境温度Tc为30 ℃,相对湿度为50 %RH,直流电压为5～10 V[5]。为了获得光脉冲信号,采用如图2所示的光源调制电路。主要设备是钨丝灯泡,用220 V可变接触式变压器控制XFD-8A超低频信号发生器、固态继电器等。

图2 光源调制电路

2 结果与讨论

2.1 钛铌酸锶膜的光学分析

先测出一洁净玻璃的透光强度,然后在玻璃上镀一层钛铌酸锶膜,测出其透光强度,2次测得值相减后的差值就是薄膜的吸收强度,把吸收强度归一化后则得到相对吸收强度曲线,如图3所示。可见,钛铌酸锶本征吸收发生在蓝紫光区,本征吸收峰的波长约为420 nm,通常以吸收峰值下降50 %的波长为本征吸收长波限λ0,可看出λ0为460 nm。在本征吸收峰外的长波部分,存在一系列连续的杂质吸收等非本征吸收峰和吸收线,本材料对可见光有较好的吸收作用[6]。

图3 钛铌酸锶膜的光谱

2.2 电流—照度特性

在不同直流电压下测量样品,得到光照度与电流的关系如图4所示。从图中可以看出,通过薄膜电阻器的电流随照度的增加而增加,具有良好的光敏特性,如在3 V时,当光照度从0变化到1 000 Lx时,电流相对变化2 000 %。可以把电流—照度曲线分为2部分,在光照度较小时(小于100 Lx),电流增加较快,呈线性曲线,是单分子过程的体现。随着光照度的增大,电流的变化趋向平缓,曲线的斜率变小,这是亚线性曲线,属于双分子过程[8]。在大部分的光照强度范围内,元件的电流—照度特性曲线具有较好的线性。

图4 钛铌酸锶器件的电流—照度特性

2.3 伏—安特性

随着加在光敏电阻器上的光照度和电压的提高,光敏电阻将会由两种效应产生,一个是空间电荷效应,另一个是注入电流效应。当外加电场使电子和空穴分别向相反方向运动时,由于它们的迁移率不同,如空穴的迁移率较小,则在阴极附近就会出现空穴过剩(积累)。在光的连续激发下,这种过剩增加,最后会形成很强的空间电荷,使电场集中在阴极附近。光强越强,外加电压越低,材料内的电场越强,空间电荷效应越明显。随着电压的升高,当渡越时间Tr等于介质驰豫时间τrel时,电压—电流关系将由欧姆流变成空间电荷限制流,在光强不强时,空间电荷效应不会很明显。如果要在空间电荷效应比较明显的材料中得到较大的光电流,就要使用注入接触,注入接触的特性是低电压下其为欧姆接触,而当电压充分高时,由连续方程可得:Ln(E)=Eμnτ,Ln,Ln是电子在电场的作用下,在电子寿命τ时间内所漂移的距离,称为牵引长度[9]。通常光敏电阻器电极与半导体可以是注入接触,注入接触向光电导体内注入电子,同时利用接触区电场的作用,可以把空穴从材料内拉出来,从而减少空间电荷的积累,使弱场区变小,有效光照区增大,光电流增加。根据实验数据,画出几种照度下元件的I-V特性曲线,如图5所示。

图5 钛铌酸锶器件的伏—安特性

1)在光照度一定时,所加电压越高,光电流越大。对大多数半导体,电场强度超过104V/cm时载流子速度达到饱和,电压和电流的关系不再遵守欧姆定律,如此计算的话,50μm电极间距的元件的饱和电压是50 V。此时,电压对注入效应的影响显然比对空间电荷效应的影响大。2)在中等光照度(200Lx左右)的情况下,亮电流随外加电压的增加而增加,有较好的线性特性。但在照度比较高时,在某一电压范围内,伏—安特性曲线的变化趣势发生了变化。光照强度的增大(大于200 Lx),会引起空间电荷效应的增强,空间电荷效应将产生自建电场,起到降低电压降的作用,此时,空间电荷效应较注入效应明显,因此,光电流不再与电压成线性关系,而具有类似阻挡接触的电压和电流关系。光照度越强,空间电荷效应越强。但随着电压的加大,使注入效应明显增强,且占主导,电流—电压特性类似注入接触时的情形。3)在适当的光照时,注入效应和空间电荷效应的作用互相抵消,使元件具有良好的线性。

2.4 频率特性

当样品在调制光照射下,随着光调制频率的增大,光电流会随之下降,并且逐渐地趋向饱和,这主要是由于载流子的复合与产生、运动与被陷均有一个时间过程,这个时间过程在不同程度上影响着器件对光的响应程度。钛铌酸锶器件的频率特性如图6所示,当光电流下降到稳定光照下电流的70 %时,此时的调制频率的倒数就是载流子寿命τ乘以2π。

图6 钛铌酸锶器件的频率特性

从图中可以得到,当IL(f)/IL(0)=70%时(IL即光电流,是由光电效应所产生的电流;IL(f)指某一频率下的光照产生的光电流,IL(0)指稳定光照下的光电流);截止频率f0约为8 Hz,计算得知钛铌酸锶薄膜的载流子寿命值约为19.9 ms,而一些大增益的单晶光敏元件的载流子寿命可达1 s,但与一些快速响应光敏电阻(响应时间至ps数量级)相比,本样品的载流子寿命较长,使响应时间也延长,样品对光信号的反应较慢[10]。为了得到增益与响应时间都较好的元件,应尽量采取小电极间距结构以缩短电子的渡越时间。相对光电流是随着调制频率的增大而变小的,在光调制频率为300 Hz左右时,光电流已约等于零。

2.5 温度特性

光敏电阻器与其它半导体器件一样,它的电学性质和光学性质受温度影响较大。光敏电阻器在低温时元件的灵敏度会有较大的提高,这可以归因于温度下降,使平衡载流子浓度下降,引起暗电阻上升所致。平衡载流子浓度的下降,又可以引起非平衡载流子寿命的上升,使光电流增加。载流子寿命与温度的关系比较复杂,因此光电导与温度的关系是很复杂的。

3 结 论

采用镀膜技术在SiO2/Si衬底上制备的钛铌酸锶膜在可见光范围内有良好的光敏特性,其灵敏度和光电导增益较高。利用空间电荷效应和注入效应能较好地解释钛铌酸锶膜的光敏特性,结果表明:光照强度对空间电荷效应的影响较大,而电压对空间电荷效应的影响较小,对注入电流效应影响较大。该光敏元件可以和外加处理电路全部集成在一起,实现集成化和智能化的传感器,能达到成为实用器件的目标。