基于Si的非晶SnO?垂直异质结光电探测器，具有高响应度和纳秒级光响应特性

《Optics & Laser Technology》：Si-based amorphous SnO 2 vertical heterojunction photodetectors with high responsivity and nanosecond photoresponse

采用SnO?异质结和垂直PN结结构的MSM光电探测器，通过调控SnO?厚度优化空间电荷层厚度，实现低暗电流和高光响应（量子效率94.6%），响应时间低于20纳秒，适用于高速光电子集成应用。

　　

张灿|尹宏艳|毛遂|李东阳|荆浩|曹学雷|刘鹏|李恩泽|南俊伟|彼得·斯特里扎克|黄林军|唐建国

青岛大学材料科学与工程学院，国家国际科技合作基地，国家混合材料技术研究中心混合材料研究所，中国青岛266071

摘要

光电探测器在光电子通信及其他信息相关领域中发挥着至关重要的作用。作为最重要的可见光探测材料之一，硅的性能受到其低吸收系数等因素的限制，这阻碍了商用光电探测器性能的进一步提升。在本研究中，我们利用SnO₂异质结制备了一种具有垂直PN空间电荷区域的MSM结构光电探测器。在空间电荷区域产生的光电子可以被加速到SnO₂表面，从而实现灵敏的光谱响应。通过改变SnO₂的厚度，可以实现对探测器中空间电荷层厚度的梯度调制。结合KPFM表征得到的光诱导电势，充分证实了空间电荷层厚度在器件性能调制中的关键作用。该器件实现了0.65 A/W的最大响应度和94.6%的量子效率。更重要的是，器件的瞬态响应时间低于20 ns，展示了这种结构在光电探测器中的应用潜力。

引言

随着信息技术的快速发展，光电探测器的应用范围不断扩大，对器件性能（包括响应速度和效率[1,2]）的要求也越来越严格。在可见光和近红外光谱区域，基于硅的光电探测器因其合适的带隙和与现代微电子产业的兼容性而具有无可比拟的优势[3,4]。然而，由于硅材料本身的局限性（如低吸收系数），大多数商用硅光电探测器的性能提升面临挑战。

光电探测器结构的改进和载流子控制机制的探索是光电探测领域中非常重要的研究方向[5,6]。对于基于硅的光电探测器，PIN（P型-本征-N型）结构是主要的商业化配置。由于其内置电场宽且光生载流子的扩散路径相对较短，PIN光电探测器能够实现超快的光响应速度，同时保持极低的暗电流，使其成为应用中最基本和高效的架构之一[7,8]。

作为一种替代结构，金属-半导体-金属（MSM）探测器因其结构简单、制造成本低、适合大规模生产以及通过外部偏压实现光电导增益而受到广泛研究[9]。此外，与PIN型探测器相比，MSM探测器与标准CMOS制造工艺的兼容性更强，非常适合光电集成——这是一个显著的优势。

然而，MSM探测器的商业化面临多重挑战。首先，由于传统的平面电极布局和材料中的高缺陷态密度，光生载流子的扩散路径变长，导致严重的俘获现象，显著限制了器件的响应速度[10,11]。此外，由于开关状态的完全依赖于半导体层内的载流子浓度，降低暗电流和增强光电流往往需要权衡，从而导致噪声等效性能不佳，严重限制了MSM探测器的商业化应用。

在本研究中，我们构建了一种包含垂直PN结的MSM光电探测器。通过在p型硅上沉积非晶SnO₂薄膜，SnO₂与p-Si之间形成了垂直PN结。通过连接两个反向取向的PN结电场，器件在暗条件下保持低暗电流，同时在光照条件下实现光生电子向SnO₂层的高速传输。光电特性测试显示，该器件的响应度为0.65 A/W，量子效率为94.6%。值得注意的是，所制备的光电探测器的响应时间达到了10纳秒级别。为了进一步研究器件的工作原理，我们采用了共聚焦开尔文探针力显微镜（KPFM）来研究SnO₂与p-Si之间的电子传输行为。对界面电势分布的空间分辨分析揭示了垂直PN结结构内的载流子传输和分离过程。这一分析为理解和优化器件性能机制提供了理论和实验支持，有助于高性能光电探测器的进一步发展。

结果与讨论

首先，我们对制备的SnO₂薄膜的性质进行了研究。实验中，通过重复旋涂过程1到5次制备了具有可控厚度梯度的SnO₂纳米薄膜，所得样品分别标记为S1至S5。单次旋涂循环可生成约22.5纳米厚的薄膜。经过五次循环（S5）后，薄膜厚度线性增加到约76.4纳米，如图1e中的SEM厚度统计结果所示（厚度为……）

结论

总结来说，本研究展示了在p-Si上沉积非晶SnO₂薄膜，然后制备了垂直Si/SnO₂ PN结风格的MSM光电探测器。Si和SnO₂之间形成的空间电荷区域促进了光生载流子从Si向SnO₂的传输，从而形成光电流。在此过程中，由SnO₂层厚度控制的销售层宽度以及上层未耗尽区域的厚度在决定器件性能方面起着关键作用

制备过程

Si基底的制备：本研究选用了P型掺硼硅（P型-硼掺杂，晶向（100），厚度为525 ± 25 μm，电阻率为1–10 Ω·cm）作为基底。预切割的Si晶圆尺寸为1.5 × 1.5 cm²，分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗10分钟。清洗后，用干燥的氮气将晶圆表面上的水分去除。随后，将晶圆在快速退火炉中退火

CRediT作者贡献声明

张灿：撰写——初稿撰写、可视化处理、验证、数据分析。尹宏艳：撰写——审稿与编辑、方法学设计、实验研究、数据管理。毛遂：撰写——审稿与编辑、项目管理工作、资金筹措、概念构思。李东阳：软件开发、方法学设计。荆浩：结果验证。曹学雷：资源调配、实验研究。刘鹏：资源协调。李恩泽：资源调配。南俊伟：资源协调、方法学设计。彼得·斯特里扎克：资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号62004111）、山东省教育厅青年创新团队项目（项目编号2024KJN044）、国家重点国际合作研究项目（项目编号2023YFE0201100）、山东省“111”高层次学科引才计划以及山东省其他相关学科项目的支持。