廖 榮, 劉慧君, 柯嘉聰, 李涌春, 廖鴻韜, 羅志勇

(華南理工大學 電子與信息學院,廣東 廣州 510640)

0 引 言

光敏傳感器是傳感器中的一個重要分支,光信號在傳播的過程中具有許多電信號所無法比擬的優勢,如頻率高、頻帶寬、抗干擾性強、信息量大等,用于光電轉換的光電傳感器研究越來越受重視,應用十分廣泛[1]。鈣鈦礦是地球上最多的礦物,許多具有鈣鈦礦結構的晶體具有自發極化和相變的特性,這些晶體在不同條件下可以成為半導體,鈦鈮酸鍶(SrNbxTi1-xO3)是其中的一種廣泛應用的鈣鈦礦型化合物。純凈的鈦酸鍶禁帶寬度為3.25 V,常溫下為絕緣體,對可見光不敏感,但可以在其多晶陶瓷中摻入雜質,使其半導體化,室溫下將大大提高它的電導率[2]。

本文以二氧化硅/硅(SiO2/Si)為襯底,利用鈦鈮酸鍶(SrNbxTi1-xO3)作敏感膜,制成MIS電容器和平面型薄膜電阻器的復合結構[3]。將信號的處理、顯示電路以及微處理器安裝在一塊電路板上,制成智能傳感器。光敏傳感器的物理基礎是光電效應,通過入射光子引起器件材料內部產生或感應出電子和空穴等載流子,由這些載流子引起的材料電性質的改變。本文正是應用光電導效應制作成薄膜結構的傳感器,該光敏元件對可見光區(3 805～7 605 nm)敏感,可使用于自動控制系統和測量系統等[4]。

1 樣品的制備與測試

采用晶向為〈111〉的n/n+型硅外延片,電阻率為0.3～0.6 Ω·cm,厚度為400;靶材為純度99 %的鈦鈮酸鍶靶。硅外延片在850 ℃的氧化爐中用干氧氧化30 min,氧氣流量為800 mL/min,得到SiO2膜厚25 nm;采用JGP—560B型高真空濺射鍍膜機鍍鈦鈮酸鍶膜,真空度5×10-4Pa,襯底溫度300 ℃,濺射功率80 W,工作氣體為氬氣(純度為99.999 %),工作氣壓為1.3 Pa,鍍膜后樣品退火溫度為420 ℃,用高純氮(純度為99.99 %)保護,流量為500 mL/min,時間15 min。然后蒸鋁50 s,真空度2×10-3Pa,得到鋁膜厚度為0.5;經鋁反刻后,俯視圖1(b)所示,曝光時間為20 s;硅片背面蒸金,時間80 s,金層厚度0.8;再放到合金爐內微合金,爐溫400 ℃,合金20 min。制成的Al/SrNbxTi1-xO3/SiO2/Si結構,其平面型電阻器的電極間距為L=50,其結構剖面圖1(a)所示。

在穩定光照的情形下,樣品的光電流測量電路可采用穩壓電源和限流電阻、電流表、樣品組成的簡單串聯電路。測試設備采用Lx—101型數字照度計、WYJJ型晶體管直流穩壓電源、DT9103A型數字萬用表等,限流電阻為6 Ω,測試條件為白光,環境溫度Tc為30 ℃,相對濕度為50 %RH,直流電壓為5～10 V[5]。為了獲得光脈沖信號,采用如圖2所示的光源調制電路。主要設備是鎢絲燈泡,用220 V可變接觸式變壓器控制XFD-8A超低頻信號發生器、固態繼電器等。

圖2 光源調制電路

2 結果與討論

2.1 鈦鈮酸鍶膜的光學分析

先測出一潔凈玻璃的透光強度,然后在玻璃上鍍一層鈦鈮酸鍶膜,測出其透光強度,2次測得值相減后的差值就是薄膜的吸收強度,把吸收強度歸一化后則得到相對吸收強度曲線,如圖3所示。可見,鈦鈮酸鍶本征吸收發生在藍紫光區,本征吸收峰的波長約為420 nm,通常以吸收峰值下降50 %的波長為本征吸收長波限λ0,可看出λ0為460 nm。在本征吸收峰外的長波部分,存在一系列連續的雜質吸收等非本征吸收峰和吸收線,本材料對可見光有較好的吸收作用[6]。

圖3 鈦鈮酸鍶膜的光譜

2.2 電流—照度特性

在不同直流電壓下測量樣品,得到光照度與電流的關系如圖4所示。從圖中可以看出,通過薄膜電阻器的電流隨照度的增加而增加,具有良好的光敏特性,如在3 V時,當光照度從0變化到1 000 Lx時,電流相對變化2 000 %。可以把電流—照度曲線分為2部分,在光照度較小時(小于100 Lx),電流增加較快,呈線性曲線,是單分子過程的體現。隨著光照度的增大,電流的變化趨向平緩,曲線的斜率變小,這是亞線性曲線,屬于雙分子過程[8]。在大部分的光照強度范圍內,元件的電流—照度特性曲線具有較好的線性。

圖4 鈦鈮酸鍶器件的電流—照度特性

2.3 伏—安特性

隨著加在光敏電阻器上的光照度和電壓的提高,光敏電阻將會由兩種效應產生,一個是空間電荷效應,另一個是注入電流效應。當外加電場使電子和空穴分別向相反方向運動時,由于它們的遷移率不同,如空穴的遷移率較小,則在陰極附近就會出現空穴過剩(積累)。在光的連續激發下,這種過剩增加,最后會形成很強的空間電荷,使電場集中在陰極附近。光強越強,外加電壓越低,材料內的電場越強,空間電荷效應越明顯。隨著電壓的升高,當渡越時間Tr等于介質馳豫時間τrel時,電壓—電流關系將由歐姆流變成空間電荷限制流,在光強不強時,空間電荷效應不會很明顯。如果要在空間電荷效應比較明顯的材料中得到較大的光電流,就要使用注入接觸,注入接觸的特性是低電壓下其為歐姆接觸,而當電壓充分高時,由連續方程可得:Ln(E)=Eμnτ,Ln,Ln是電子在電場的作用下,在電子壽命τ時間內所漂移的距離,稱為牽引長度[9]。通常光敏電阻器電極與半導體可以是注入接觸,注入接觸向光電導體內注入電子,同時利用接觸區電場的作用,可以把空穴從材料內拉出來,從而減少空間電荷的積累,使弱場區變小,有效光照區增大,光電流增加。根據實驗數據,畫出幾種照度下元件的I-V特性曲線,如圖5所示。

圖5 鈦鈮酸鍶器件的伏—安特性

1)在光照度一定時,所加電壓越高,光電流越大。對大多數半導體,電場強度超過104V/cm時載流子速度達到飽和,電壓和電流的關系不再遵守歐姆定律,如此計算的話,50μm電極間距的元件的飽和電壓是50 V。此時,電壓對注入效應的影響顯然比對空間電荷效應的影響大。2)在中等光照度(200Lx左右)的情況下,亮電流隨外加電壓的增加而增加,有較好的線性特性。但在照度比較高時,在某一電壓范圍內,伏—安特性曲線的變化趣勢發生了變化。光照強度的增大(大于200 Lx),會引起空間電荷效應的增強,空間電荷效應將產生自建電場,起到降低電壓降的作用,此時,空間電荷效應較注入效應明顯,因此,光電流不再與電壓成線性關系,而具有類似阻擋接觸的電壓和電流關系。光照度越強,空間電荷效應越強。但隨著電壓的加大,使注入效應明顯增強,且占主導,電流—電壓特性類似注入接觸時的情形。3)在適當的光照時,注入效應和空間電荷效應的作用互相抵消,使元件具有良好的線性。

2.4 頻率特性

當樣品在調制光照射下,隨著光調制頻率的增大,光電流會隨之下降,并且逐漸地趨向飽和,這主要是由于載流子的復合與產生、運動與被陷均有一個時間過程,這個時間過程在不同程度上影響著器件對光的響應程度。鈦鈮酸鍶器件的頻率特性如圖6所示,當光電流下降到穩定光照下電流的70 %時,此時的調制頻率的倒數就是載流子壽命τ乘以2π。

圖6 鈦鈮酸鍶器件的頻率特性

從圖中可以得到,當IL(f)/IL(0)=70%時(IL即光電流,是由光電效應所產生的電流;IL(f)指某一頻率下的光照產生的光電流,IL(0)指穩定光照下的光電流);截止頻率f0約為8 Hz,計算得知鈦鈮酸鍶薄膜的載流子壽命值約為19.9 ms,而一些大增益的單晶光敏元件的載流子壽命可達1 s,但與一些快速響應光敏電阻(響應時間至ps數量級)相比,本樣品的載流子壽命較長,使響應時間也延長,樣品對光信號的反應較慢[10]。為了得到增益與響應時間都較好的元件,應盡量采取小電極間距結構以縮短電子的渡越時間。相對光電流是隨著調制頻率的增大而變小的,在光調制頻率為300 Hz左右時,光電流已約等于零。

2.5 溫度特性

光敏電阻器與其它半導體器件一樣,它的電學性質和光學性質受溫度影響較大。光敏電阻器在低溫時元件的靈敏度會有較大的提高,這可以歸因于溫度下降,使平衡載流子濃度下降,引起暗電阻上升所致。平衡載流子濃度的下降,又可以引起非平衡載流子壽命的上升,使光電流增加。載流子壽命與溫度的關系比較復雜,因此光電導與溫度的關系是很復雜的。

3 結 論

采用鍍膜技術在SiO2/Si襯底上制備的鈦鈮酸鍶膜在可見光范圍內有良好的光敏特性,其靈敏度和光電導增益較高。利用空間電荷效應和注入效應能較好地解釋鈦鈮酸鍶膜的光敏特性,結果表明:光照強度對空間電荷效應的影響較大,而電壓對空間電荷效應的影響較小,對注入電流效應影響較大。該光敏元件可以和外加處理電路全部集成在一起,實現集成化和智能化的傳感器,能達到成為實用器件的目標。