钴掺杂的非晶碳膜的光电导性能研究

论文总字数：10198字

摘 要

本文研究了磁性金属钴掺杂的非晶碳膜/GaAs/Ag p-n和肖特基双结串联结构的制备与光电导特性。首先采用脉冲激光沉积技术在硅掺杂的N型GaAs基片一端上制备非晶碳膜，然后，采用真空热蒸发法在非晶碳膜和GaAs基片的另一端蒸镀银电极。样品在有无激光照射下的伏安特性曲线显示出非常好的光电导现象。不同偏压下样品的光电导随着正向偏压增大而指数衰减，在0.3V正向偏压下具有最大的光电导，为652。接着我们分析了该结构体系的光电导特性来源。发现钴掺杂的非晶碳膜/GaAs之间为弱P-N结接触，而Ag与GaAs基片之间为肖特基接触，如此便构成了p-n结和肖特基结双结串联结构。Ag/GaAs之间的肖特基结限制暗电流，而钴掺杂的非晶碳膜/GaAs之间的p-n结增强光电流，这便是样品光电导特性的来源。本论文的结果为制备新型光敏电阻器件打下坚实基础。关键词：P-N结，肖特基结，光电导

Abstract: In this thesis, we studies the preparation and photoconductivity of magnetic metal cobalt doped amorphous carbon films /GaAs/Ag p-n and Schottky double junctions in series structure. Firstly, using pulsed laser deposition technique, amorphous carbon films were deposited on silicon doped N type GaAs substrate. Then, using the vacuum thermal evaporation method, silver electrode were evaporated on the amorphous carbon film and GaAs substrate. By measuring the I-V characteristic curves with and without laser irradiation, the samples showed very good photoconductive phenomenon. Results showed that with the increases of forward bias, the photoconductivity decayed exponentially and the maximum photoconductivity was 652 at 0.3V forward bias. Then we analyzed sources of the photoconductive properties. We found that they are weak p-n junction contact between the Co doped amorphous carbon film and GaAs, and Schottky contact between silver and GaAs. Thus, it realizes the p-n junction and Schottky junction in series structure. This may be the sources of the photoconductivity. The results of this thesis offer important foundation for the preparation of new photosensitive resistance device.Key words: P-N junction, Schottky junction, photoconductivity目录

1 绪论 4

2 非晶碳膜的制备与结构 5

2.1 脉冲激光沉积 5

2.2 非晶碳膜的制备 6

2.3 拉曼散射分析非晶碳膜的结构 7

3 非晶碳膜/GaAs/Ag双结系统的光导效应 9

3.1双结系统的光导特性 9

3.2双结系统光导特性产生的原因 10

结论 13

参考文献 14

致谢 16

1 绪论

光敏电阻器件是一种特殊的电阻器，其原理是基于半导体光电导效应，并且对光线相当的敏感，外界光照射的明暗（强弱）会导致光敏电阻器件的电阻值产生相应的改变，照射光弱，电阻增大、呈高阻状态；照射光强，电阻值将迅速减小。鉴于这一特性，光敏电阻器在国防、科学研究、工农业生产、家用电器中各种电路的自动控制，或涉及光测量、光控制、光电转换等多种测量仪器方面广泛运用。如今，一般使用金属硫化物、硒化物和碲化物等材料来制造光敏电阻器件，采用喷涂、涂敷、烧结等方式，绝缘的衬底上生成光敏电阻体，并且在欧姆电极接出引线，封装于透光密封壳体内构成^[1]。由于光敏电阻的光谱特性, 可分为紫外光光敏电阻器、可见光光敏电阻器、红外光光敏电阻器三种。其中可见光光敏电阻材料主要有硫化镉和硒化镉^[2]。其具有的优点是体积比较小，灵敏度很高，光谱特性比较好，缺点是受到温度的影响比较大，响应速度不迅速，光照特性为非线性，不适合当做光检测元件。另外的缺点是制作成本高，含有重金属镉，容易对环境造成污染等。

GaAs也是一种典型的可见光光敏电阻材料^[3]。我们可以将它生成半绝缘高阻材料，比Si、Ge的电阻率还要高3个数量级以上,制成集成电路的衬底和光导开关等。

此外，半绝缘GaAs光导开关在比较高的重复频率下会发生热击穿以及在比较高的电压条件下会过早地电击穿等。它的另一缺点是价格比低阻态GaAs贵近一倍。低阻态的GaAs虽然具有光电导效应，但缺少光敏电阻应用的基本条件，即光照下为低阻态，无光照时为高阻态。为此，需要给它提供一个无光照时的高阻态。串联电阻显然是不可行的。我们想到的一种方法是利用GaAs与多数金属电极材料之间为肖特基接触特性，通过肖特基结势垒获得无光照时高阻态。由于光照与无光照下载流子浓度不同，肖特基结的正向导通电压也不同，适当选取两者的中间值作为偏置电压，就可获得较大的光电流与暗电流比，即光电导或光灵敏度。但该结构存在的一个问题是光灵敏度太低，不足以用作光敏电阻器件。主要原因是低阻态的GaAs的光灵敏度远小于半绝缘的GaAs。为实现低阻态GaAs光敏电阻器件方面应用，需要探索增强其光电导的材料和方法。非晶碳(a-C)膜是解决这一问题的首选材料。

类金刚石非晶碳（简写为DLC）膜是一种亚稳态非晶碳膜^[4]，拥有大量sp³和sp²。其中，sp³和sp²为碳的两种键和方式，sp³表现为类石墨结构，sp²表现为类金刚石结构。类金刚石非晶碳膜拥有很好的光学性能和电学性能。类金刚石非晶碳膜的光学特性方面，比方说光学透明度优异、宽的光学带隙（0.8eV～4.1eV），尤其是在红外频段以及微波频段的透过性相当高，光学折射率也是相当高，可以拿来当做锗、硫化锌、硒化锌和砷化镓光学器件的红外增透保护膜^[5]。利用类金刚石非晶碳膜优异的可见光吸收性能，可以用作Si、GaAs光电池的增透保护膜等^[6]。类金刚石非晶碳薄膜的电学性质方面，由膜中sp³和sp²成分的比例决定，在绝缘体与准金属之间产生变化。为此，我们可以掺入金属元素或者N元素，从而可以降低几个数量级的电阻率。

近年来，人们对DLC膜的研究兴趣更倾向于高sp²/sp³比例（50%或更高）。这样既可以利用sp²成分优异的半导体导电特性，又可以利用sp³成分的可见光吸收性，从而使非晶碳（a-C）膜与Si或其他半导体构成p-n异质结，探索新物性，如气敏电阻、光伏、正磁阻、和光电导等。中国石油大学的薛庆忠等^[7]发现a-C/n-Si 具有很好的整流特性。在反向偏压下通入NH₃气可使其电阻增大100倍。接着研究了N₂，O₂，Ar，空气气压对其整流特性的影响，发现气压对反偏压下的电阻影响都较大。他们还研究了a-C:Pd/SiO₂/Si结的光伏特性，发现在15 mW/cm²光照下功率转换效率达到4.7%。他们认为转换效率的提高是由于Pd的掺杂和高温沉积下sp²团簇成分的增大造成的。中科院研究所李润伟等^[8]，研究发现了Cu/a-C:H/Pt结构的电阻开关具有记忆行为，当开关电阻比率大于100时，持续时间可以达到10⁵秒。台湾H.S. Hsu等^[9]人报道了Co掺杂的a-C膜低场正磁电阻效应，在4.5V电压下达到10%。他们发现Co的掺杂和sp²成分增大起了主要作用。香港大学J. Gao等^[10，11]也报道了Co掺杂的a-C膜在5T高场负偏压下正磁阻达到270%而正偏压下仅为7%，并且发现该体系在100K下光电导达到10⁵。清华大学章晓中等^[12]最近也报道了无掺杂的非晶碳膜中异常正磁阻现象。他们还采用PLD制备了Fe掺杂的p型a-C/n-Si p-n结，膜中sp²比率达到75%。在功率为20 mW/cm²白光照射下光电导为170和220^[13]。

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