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爱游戏平台官网入口:化学水浴法组成PbS光电勘探器的红外呼应研讨

  高灵敏度、低俄歇噪声等长处,其间化学水浴法(chemical bath deposition,CBD)组成的硫化铅薄膜可与CMOS工艺兼容,有利于完成低成本高功能的面阵勘探器。可是,现在对化学水浴法组成硫化铅勘探器的研讨首要会集在较大尺度的单元勘探器。

  据麦姆斯咨询报导,中国科学院重庆绿色智能技能研讨院等组织的研讨人员组成的团队在《红外技能》期刊上宣布了以“化学水浴法组成硫化铅勘探器的红外呼应研讨”为主题的文章。该文章榜首作者为杨冬,通讯作者为张之胜。

  本文根据化学水浴法组成硫化铅薄膜,运用离子束刻蚀工艺,制备了10~200 μm尺度的硫化铅光电勘探器,研讨了器材光电功能随电阻、长宽比、线宽等参数的改动。成果标明,跟着尺度的减小,硫化铅光电勘探器的呼应度逐步添加,在1550 nm短波红外光的照耀下,10 μm级器材的呼应度到达了51.68 A/W,约为200 μm级器材的123倍,且在可见光和2.7 μm红外波长下也具有杰出的宽波段光电呼应。本文研讨的微米尺度勘探器材可为硫化铅勘探器研讨供给必定的支撑。

  PbS光电勘探器的三维结构示意图和具体的制备工艺流程如图1所示。器材运用具有300 nm厚度的SiO2的硅片作为衬底,运用光刻界说电极的方位及图画,并运用溅射镀膜机在基片外表溅射一层300 nm的Cr和50 nm的Au作为电极资料,然后将样品浸泡在丙酮中进行剥离使电极图形化;经过CBD法制备PbS薄膜,将Pb(CH3COO)2、NaOH、Na3C6H5O7、SC(NH2)2四种物质依照必定份额来装备堆积溶液,并将镀有电极的基片放入拌和均匀的溶液中,在40℃的水浴锅中加热2 h得到PbS薄膜;最终经过光刻和等离子体刻蚀的办法构成承受红外辐射的PbS光敏面。

  经过光学显微镜和扫描电子显微镜对样品的微观描摹和晶格结构进行了表征,成果如图2所示。图2(a)显现了100 μm×10 μm尺度的样品在光学显微镜下的微观描摹,能够看出条带结构完好明晰,坐落电极上方,器材全体归于底电极的结构,而且器材外表没有显着的杂质残留。图2(b)为该尺度样品的SEM图,能够看出条带外表较为平坦洁净,没有大的聚会颗粒,这些特征阐明运用CBD办法成长的PbS薄膜的成膜质量杰出,这关于器材的质量以及电学功能起着至关重要的效果;由插图能够看出PbS薄膜是由润滑的立方形晶体结构堆叠而成且晶格条纹明晰,阐明PbS的结晶功能杰出且能级缺点较少,有利于载流子的传输。图2(c)和2(d)显现了别离经过等离子体刻蚀10 min和20 min后的器材的截面图,能够看出刻蚀时刻为10 min的器材,其SiO2层上面的PbS薄膜并没有彻底刻蚀洁净。而当刻蚀时刻调整为20 min时,器材上的PbS薄膜根本刻蚀完,但刻蚀过深导致SiO2层也被刻蚀掉了。因而,为了确保取得杰出的器材功能,通常将刻蚀时刻设定在10~20 min之间。

  为了研讨PbS光电勘探器对不同波长的入射光的勘探功能,别离以450 nm、635 nm、980 nm、1550 nm、2.7 μm等5种波长的激光器作为光源,运用Keithley 4200 SCS半导体光电功能测验体系测验了不同尺度勘探器在偏压VDS=2.5 V的条件下的光电功能,成果如图3所示。从图3(a)能够看出,200 μm×200 μm器材的光电流要比100 μm×10 μm和10 μm×10 μm器材的光电流大许多,且3种器材均在1550 nm处呈现光电流峰值,这阐明PbS光敏面临1550 nm的激光愈加灵敏。而为了扫除不同激光器的功率或许不同这一影响要素,研讨人员又进一步核算了器材的呼应度,成果如图3(b)所示。

  不管运用哪种激光器,10 μm×10 μm器材的呼应度显着要比100 μm×10 μm和200 μm×200 μm的器材高出许多。这或许是因为器材尺度变小,显着减少了载流子的渡越时刻,这使得入射光能够有用地转化为电流,然后增强了光呼应性。经过上述成果能够看出,PbS勘探器不只对红外光有呼应,而且对可见光也有呼应,而且小尺度的器材能够取得更大的呼应度,即小尺度器材的勘探准确率更高。

  因为PbS勘探器多用于对红外光的勘探,因而为了侧重研讨不同尺度PbS光电勘探器对短波红外的勘探功能,研讨人员首先以1550 nm的激光器作为光源进行了测验,成果如图4所示。能够看出,不论是大尺度的器材仍是小尺度的器材均表现出微安量级的光电流,而且具有杰出的可重复性和稳定性;其间10 μm×10 μm器材在功率为63 mW,偏压VDS=2.5 V的条件下的光电流到达了约为8.64 μA。该图还显现跟着器材尺度不断缩小,器材的呼应速度也越来越快。

  勘探器材的电阻是影响其导电功能的重要要素之一,经过改动器材光敏区的长宽比和线宽来改动器材的尺度,进而使器材的电阻发生改动,成果如图5所示。图5(a)显现,长宽比为1:1的器材跟着尺度不断增大,电阻在逐步变小。图5(b)显现,当器材沟道长度固定不变时,电阻跟着器材线宽的添加而变小。这一规则或许与运用公式ρ=l/s核算的理论值不符,这是因为除器材尺度会影响其电阻外,PbS在制备过程中发生的缺点、与SiO2衬底的触摸效果以及PbS薄膜的边缘效应等也会影响器材的导电功能。

  勘探器材电阻的不同也会影响器材的光电功能。研讨人员在1550 nm的光源下对电阻不同的PbS勘探器材的光电功能进行测验,如图6所示。成果标明,尽管光电流跟着电阻添加而变小,但其呼应度跟着电阻的添加而变大。

  因为勘探器需要在不同光强下作业,了解入射光功率勘探器光呼应的影响以及确认勘探器的作业范围,是点评勘探器功能的一个重要目标。为此,研讨人员又经过调理不同入射光功率来研讨对PbS勘探器材功能的影响,如图7所示。成果标明,在1550 nm的短波红外光源下,不同尺度器材的光电流与入射光功率近似呈线性联系,不过呼应度与光功率的改动联系恰恰相反,即跟着光功率减小,呼应度在逐步变大,10 μm×10 μm的器材呼应度由23.80 A/W添加到41.15 A/W,其呼应度比200 μm×200 μm的器材的呼应度高出2个数量级。

  这是因为PbS光电勘探器的作业原理是根据光电导效应,其本质为光敏电阻,在其两头的金属电极加上电压,便有电流经过,受光照耀时,入射光子在半导体的价带和导带中激宣布光生电子空穴对,将改动半导体的导电功能,光照越强,入射光子数就越多,激宣布的电子空穴对也就越多,然后光电流也会变大。而勘探器的呼应度跟着光功率的添加而下降,这是因为光激活的敏化中心(圈套态)所占的份额改动的成果。跟着入射光功率添加,那些在低光强下供给高的光导增益的较深的圈套态被填充,取而代之的是寿数较短的较浅圈套态。

  此外,又以2.7 μm的激光器作为光源,研讨了不同尺度PbS光电勘探器对中红外的勘探功能。图8(a)显现在2.7 μm中红外光的照耀下,不同尺度器材的光电流跟着光功率的添加而变大,而且200 μm×200 μm的器材的光电流要比10 μm级器材的光电流大得多。图8(b)显现出与图 7(b)类似的规则,即入射光功率越小,呼应度越大,在10.5 mW的入射光功率下,10 μm×10 μm的器材呼应度可到达46.65 A/W,这相同要归因于薄膜种圈套态的改动。由图7和图8能够看出,10 μm级的PbS勘探器在短波红外和中红外光下都能表现出杰出的呼应功能,且相关于200 μm×200 μm的器材来说,呼应度提高了两个数量级,这标明高功能的小尺度PbS勘探器是有或许完成的。

  为了侧重比较不同尺度勘探器在红外光下的光电功能,研讨人员又对更多不同标准尺度的PbS勘探器材进行了测验,成果如图9所示。图9(a)和图 9(b)显现了长宽比为1:1的器材的光电功能与尺度之间存在着较显着的线 nm的短波红外光下,10 μm×10 μm的器材光电流为8.64 μA,对应的呼应度为51.68 A/W,在2.7 μm的中红外光下,10 μm×10 μm的器材光电流为5.05 μA,对应的呼应度为28.83 A/W。而且两种波长下,10 μm×10 μm的器材的呼应度均比200 μm×200 μm的器材高出了约2个数量级。图9(c)和图9(d)显现了不同线宽的器材光电功能随尺度的改动规则,跟着器材线宽的添加,其光电流也在添加,尽管呼应度并没有表现出显着的线性联系,可是依然能够显着的看出100 μm×10 μm器材的呼应度要大一些。这相同归因于PbS勘探器的光电导效应的作业机理,器材尺度变小,显着减少了载流子的渡越时刻,然后增强了光呼应性。这些成果均阐明晰10 μm级的器材能够完成杰出的呼应功能。

  本文运用CBD法制备了PbS光电勘探器,并从多个维度对勘探器的红外呼应进行了研讨。成果标明,PbS勘探器在可见光至短波红外波段均有杰出的呼应,在可见光波段其呼应度乃至到达了792 A/W;而且不管在哪种波长的入射光下,200 μm×200 μm器材的光电流都是最大的,而10 μm×10 μm器材的呼应度是最大的;此外,跟着器材尺度的添加,器材的电阻逐步变小,光电流逐步变大,呼应度逐步变小,而且跟着电阻的增大,器材的光电流在逐步变小,呼应度在逐步变大;在1550 nm波长的短波红外光照耀下,10 μm×10 μm器材的呼应度到达51.68 A/W,增益也是到达了2.9×10⁷,在2.7 μm波长的中红外光照耀下,10 μm×10 μm器材的呼应度到达46.65 A/W,而且,在两种波长光照耀下,10 μm×10 μm器材的呼应度均要比200 μm×200 μm器材的呼应度高出约2个数量级。本文的研讨标明,小尺度的PbS勘探器是能够完成很好的呼应度和高增益的,这一成果有望为促进高集成的PbS勘探器的开展做出奉献。

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