硫化锑光电探测器在光电技术教学实践中的应用

邓 辉，程树英，赖云锋

（福州大学物理与信息工程学院，福州 350108）

0 引言

光电技术是涉及光学、电学、材料学等多领域的综合性学科，也是高新科技的重要方向，其课程教学和人才培养具有重要意义。光电技术实践课程通过完成半导体器件的制备、测试和分析等过程，培养理论与实践相结合的复合型人才［1］。光电探测器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件，探测器的原理与制备过程是光电技术实践课程的重要内容［2］。光电探测器在实际生活中被广泛应用于医疗设备、军事领域、通信系统、成像系统等方面，其制备涉及化学试剂、真空设备、材料生长技术等方面的知识，器件的测试包括光谱响应和光电流特性的物理分析。在实践课程中，让学生掌握光电探测器的制备过程和测试分析方法，有利于实现科研项目和教学实践的紧密结合，从而增强学生自主学习能力、动手实践能力和科研创新精神［3-5］。

硫化锑（Sb2S3）材料有着十分良好的光敏特性和电学性能［6］，在自然界中稳定存在，储量丰富，对环境十分友好，而且其带隙为1.73 eV，吸光系数达1.8 ×105cm-1，其光电性能优良，成为研究的热点［7-8］。目前，硫化锑光电探测器以纳米线形式为主［9-11］，在制备和测试方面要求较高，还处于实验室研究阶段。硫化锑薄膜光电探测器结构简单，非常适合真空法和溶液法制备，有利于降低设备和制造成本，具有较大的实际应用前景［12］。因此，将硫化锑光电探测器引入教学实践课程中，探究硫化锑薄膜的制备工艺，掌握光电探测器的测试方法，分析硫化锑光电探测器的输出性能，紧密的联系前沿科学。

在硫化锑薄膜光电探测器研究工作的基础上，将部分研究成果呈现在课堂教学实践中，对学生科研创新思维与实践能力的提升有实质性的帮助，培养创新性人才［13-14］。通过实践教学，学生也可依靠课程中的内容，参加科学竞赛或发表相应专利与高水平论文，教师也可以积累更多的教学资源，形成教学相长的良性循环态势，有利于构建创新型教学平台。

1 制备与测试方法

1.1 试剂和仪器

硫化锑粉末（98%，阿拉丁），快速升温管式炉（OTF-1200X，合肥科晶材料有限公司），真空蒸发机（北京泰科诺科技有限公司），扫描电子显微镜（SEM，Helios G4 CX，FEI），单色光源405 nm LED、530 nm LED、700 nm LED、970 nm LED（M405L4、M530L3、M700L4、M970L4，Thorlabs），4 通道LED 驱动器（DC4104，Thorlabs），半导体器件分析仪（4200-SCS，Keithley），函数发生器（F05A，南京盛普仪器科技有限公司），示波器（DPO 2022B，泰克科技有限公司）。

1.2 硫化锑光电探测器的制备

将普通玻璃分别用去离子水、丙酮、乙醇超声清洗15 min，再用氮气吹干。将硫化锑粉末均匀地洒在5 cm × 5 cm已清洗的普通玻璃上作为蒸发源，然后转移到快速升温管式炉的石英支架中的氮化铝箔上。将衬底（普通玻璃，5 cm × 5 cm）放在石英片上，然后将石墨块压在衬底上。当管式炉中的空气压力低于0.5 Pa时，开始运行快速升温管式炉设备上设置的程序。该程序主要包括两部分：①在30 s内将温度从室温升高到300 ℃，然后保持15 min，使石墨块充分吸收热量至300 ℃。②在30 s内将管式炉的温度从300 ℃升高到550 ℃，并保持35 s。待冷却到室温，将制备得到的硫化锑薄膜，贴上条形掩膜板，放入真空蒸发机中，在0.1 mPa 的真空压力下，将蒸发电流逐渐加大到120 A，蒸发制备银电极（有源区面积为1.5 cm × 120 μm，厚度约50 nm），即得到了硫化锑光电探测器。

1.3 硫化锑光电探测器的性能测试方法

（1）单色光光源的功率调节。将4 种单色光连接在4 通道LED 驱动器上，在黑暗条件下，将4 种单色光依次置于光功率计受光窗口上方2 cm 处。调节单色光的驱动电流与函数发生器驱动电压，记录下4 种光在1～5 mW／cm2发光功率密度下的驱动电流与驱动电压。

（2）半导体参数分析仪测量参数调节。打开半导体参数测试仪，进入测试软件，选择测试模式中的“电阻”选项，设置“Compliance”为0.1 A。选择“Voltage Sweep”模式，设置“起始电压”为-2 V，“结束电压”为2 V，即可测试电流-电压关系。选择“Voltage Bias”模式，设置“level”为1 V，点击“Timing”，选中“Sampling Mode”，设置“Interval”为1 ms，“Samples”为4000，即可测试电流-时间关系。

（3）函数发生器参数调节。打开函数发生器，点击“shift”与“波形”键，设置波形为方波，点击“频率＼周期”键，设置方波频率为0.05 Hz，点击“幅度＼脉宽”，设置函数发生器的驱动电压，即可输出方波用来驱动单色光光源。

2 测试结果与分析

2.1 硫化锑光电探测器厚度优化

硫化锑光电探测器的结构为银／硫化锑／银（Ag／Sb2S3／Ag），其中硫化锑薄膜通过快速热蒸发法沉积在玻璃表面，然后通过热蒸发沉积银电极。普通玻璃上的硫化锑薄膜的截面扫描电镜图如图1（a）所示，硫化锑薄膜均匀地沉积在衬底上，覆盖整个玻璃衬底，其厚度约为1.2 μm。硫化锑厚度直接影响到光吸收的效果，厚度的调控至关重要，可以通过快速热蒸发过程中的蒸发时间调控。快速热蒸管式炉通过红外线加热，其升温速度可达到50 °C／s，因此薄膜的沉积速度很快。薄膜的厚度对蒸发时间具有很强的依赖关系，通过台阶仪测试薄膜的厚度。如图1（b）所示，硫化锑薄膜厚度会随蒸发时间而增加，其对应关系接近线性关系，沉积速度达到2 μm／min。

图1 硫化锑薄膜性能测试结果

2.2 硫化锑光电探测器对光波长的响应规律

为了获得硫化锑光电探测器对不同波长的光的响应规律，检测了硫化锑光电探测器在光照下的电流-电压关系。如图2（a）所示，固定4 种波长的光功率密度为5 mW／cm2，扫描-2～2 V 的光电流大小。在530 nm波长下的光激发出了最大的光电流，在2 V电压下的光电流达到了大约0.7 μA。在700 nm 与405 nm波长的光激发下的光电流有所降低，而970 nm波长的光基本上没有激发出光电流，这是因为970 nm的波长已经超过了硫化锑的光谱吸收范围，基本不会被硫化锑吸收而产生光电流。图2（b）为硫化锑光电探测器在此4 种波长的光照射下光／暗电流比（开关比）。在530 nm波长的光的照射下，硫化锑光电探测器达到了大约80 倍的开关比。对405、700 和970 nm光照分别达到了25、50 和2 倍的开关比。硫化锑光电探测器光暗电流的开关比明显，波长响应能力强，对可见光具备良好的光探测效果。

图2 硫化锑光电探测器在不同波长光照下的光探测效果比较

2.3 探测器对光强的响应规律

为了获得硫化锑光电探测器对不同光强的光响应大小程度，检测了光电探测器在光照下的电流-时间关系。如图3（a）所示，以530 nm波长为入射光，光功率密度为1～5 mW／cm2，随着光功率密度的增加，硫化锑光电探测器的光电流也在稳定增加，硫化锑光电探测器随光暗变化而周期性变化，具有良好的稳定性。在5 mW／cm2的光照下，光电流达到了2.4 μA。图3（b）所示为探测器在这5 种光功率密度下，计算得到的响应度（R）［15］：R＝（Iph-Id）／（P·A），其中Iph为光电流，Id为暗电流，P为光功率密度，A为光电探测器的有源区面积。随着光功率密度从5 mW／cm2降低到1 mW／cm2，响应度从32.6 mA／W 增加到38.6 mA／W。由此可见，该光电导探测器的响应度与光强在一定范围内为反比关系，同时也表明硫化锑光电探测器具有较好的弱光探测效果。

图3 硫化锑光电探测器对光强的响应规律测试结果

2.4 探测器的响应速度

响应速度是探测器重要性能指标，为了获得硫化锑光电探测器对光的响应速度，检测了硫化锑光电探测器在瞬态光照下的响应关系。如图4（a）所示，在530 nm波长且强度为5 mW／cm2的光照下，探测器的光暗电流随着光源的亮灭而周期性变化，5 个周期的变化稳定而迅速。将图中的上升沿和下降沿截取出来，计算光暗电流差值的10%到90%的瞬态变化时间，得到了硫化锑光电探测器的响应时间和衰退时间。如图4（b）所示，硫化锑光电探测器的上升沿响应时间为51 ms，下降沿衰退时间为43 ms。由此可见，硫化锑光电探测器对光的反应灵敏，具有极快的响应速度。

图4 硫化锑光电探测器响应速度的测试结果

3 教学实践设计与思考

3.1 教学实践设计

将硫化锑薄膜光电探测器引入光电技术实践教学中，整个课程设计涉及的知识比较广泛，需要学生掌握从材料到器件的制备过程，同时也需要掌握光电探测器一系列的测试方法，学会分析器件在光波长变化、光强变化、光周期变化等条件下的光响应规律。根据硫化锑光电探测器制备工艺和测试方法的特点，将该内容在实践课程中做如下设计：

（1）为增强学生的团队意识，将学生分为3 人1组，分工协作，共同完成。硫化锑薄膜光电探测器的制备与探究中，涉及器件制备的工艺、测试平台与测试方法、数据处理与分析等问题，3 人协作可以相互讨论和配合，发挥各自的特长，从而保证实践内容顺利完成。

（2）在光电探测器的制备方面，让学生探究蒸发时间和厚度的关系，能够让学生熟练掌握真空仪器的使用，通过改变沉积条件并形成对照，培养学生科研能力。

（3）在器件测试方面，让学生自主搭建光电测试平台，通过LED灯、函数信号发生器、示波器等实验室仪器实现光电探测器性能测试，分析在不同条件下的光电响应规律。

（4）在数据处理与结果方面，让学生提取测试数据，并对比分析，学习Excel 和Origin 等数据处理软件，完成相应的图表，并整理成报告，培养学生实验总结能力。

3.2 教学实践的思考

光电技术的教学实践成功地将科研成果转化为创新性实验教学资源，不仅有利于学生在课堂上了解最新科学前沿动态，为科研工作储备了后续力量，而且可以丰富光电技术课程内容和教学案例。在进行该实践教学时还要注意以下几个问题：

（1）实验的安全性问题尤为重要。在实践过程中，学生需要接触化学试剂，需要操作高温仪器，存在一定的安全风险。因此，在购置教学实验仪器时，需选择操作简单的设备，准备完善的操作流程，并全程指导。

（2）由于大多本科生没有学习过材料制备和光电测试的知识，这就需要老师在实践课程开始前，准备好学习工艺原理和光电探测器的相关资料，让学生阅读课程资料，并现场讲授和演示。

（3）部分学生无法获得良好的器件或者未能测试出性能，需要在实践课程中加设讨论交流环节，引导学生相互交流讨论，掌握关键技能。

4 结语

硫化锑薄膜光电器件是当前的研究热点，在教学实践中，通过快速热蒸发方法制备硫化锑光电探测器，获得80 倍的开关比和51 ms的响应时间，其响应度达到38.6 mA／W，实现了良好的光电探测效果，为实际应用提供了参考。另外，将硫化锑光电探测器的研究引入光电技术教学实践中，让学生探究薄膜的制备工艺，搭建测试平台，分析器件在各条件下的响应规律，从而增强学生的自主创新能力。在实践教学中，学生发挥主观能动性，主动设计实验，互相讨论交流，掌握了丰富实践知识，实现了理论与实践的结合、教学与科研的结合。