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半导体光电探测器是将光的能量(光子)转变为电的能量(电压或电流)的一种电子元器件。它是光电系统中必不可少的关键器件,其应用范围和前景十分广阔。在光纤通信、光纤传感、跟踪制导、自动控制以及激光唱机、条码识读、家电遥控等民用和国防建设中,都大量使用不同类型的光电探测器。
PTCDA/p-Si有机无机光电探测器是一种新型的器件,它是将具有高热稳定特性的有机半导体材料PTCDA(苝四甲酸二酐)淀积在单晶硅衬底上而制造出的具有肖特基势垒特性的异质结光电探测器。这种探测器具有性能稳定、响应速度快、灵敏度高、耐候性好等特点,其对可见光至近红外区的光具有高量子光电转换效率及宽带响应。
苝四甲酸二酐(3,4,9,10-perlenetetracrboxylic dianhydride-PTCDA)是一种红色粉末状的单斜晶系宽带隙有机半导体材料。它是多相芳香族分子复合形成的非聚合物,它的价带和第一紧束缚导带之间的能量是2.2ev,在半导体光电器件的制造中,这种材料具有很好的光电特性,在多色有机发光器件及高效光电探测器中都有广泛应用。
本文主要讨论Al/Ni/ITO/PTCDA/p-Si/Al光电探测器的研制,并在对构成器件的每层薄膜特性进行了详细的分析后,提出薄膜制备的最佳工艺条件,从而实现对成品器件特性参数的优化。
本文首先详细介绍了光电探测器的工作原理、特性参数以及分类;其次报道了制备PTCDA和对其进行提纯的方法,并给出了PTCDA的材料特性。接下来,本文讨论了PTCDA/p-Si势垒的各项电学特性及其在正/反偏压作用下的能带结构。随后,介绍了Al/Ni/ITO/PTCDA/p-Si/Al光电探测器的研制过程和原理,并使用AFM、XPS、XRD、紫外-可见光-近红外光谱仪和四探针测试仪等测试仪器对不同工艺条件下制备的薄膜的特性进行了详细的讨论,并着重从以下几个方面对器件特性进行优化:1.利用AFM分析了PTCDA在P-Si上的成膜特性,进而讨论了温度和膜厚对于薄膜表面形貌的影响,同时根据Raman光谱和XRD的测试结果得到了温度对于PTCDA分子结构的影响;2.采用射频磁控溅射在PTCDA层上淀积的ITO薄膜,其光学和电学性能对制备条件非常敏感,我们详细讨论了溅射工艺条件对于ITO薄膜特性的影响,并给出了制备性能最佳的ITO薄膜的工艺条件;3.在原先器件的Al-ITO电极层中引入Ni金属层,通过使用XPS和XRD对不同这两种电极结构的分析结果表明,Ni层的引入,有效的阻止了氧化铝绝缘层的形成,使器件电极层间形成了欧姆接触,并结合两种电极结构的I-V特性结果,证明其有效的提高了器件的特性。
最后,将我们制作的器件与韩国生产的型号为PHD714的PIN雪崩光电二极管电性能参数进行了全面测试对比,结果表明我们制成的新型光电探测器的性能优于PIN光电二极管。