基于Mg2Si薄膜的光敏电阻研究

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硅化镁(Mg2Si)被称为环境友好半导体材料,在光电器件、电子器件、能源器件领域具有重要的应用前景。本文采用磁控溅射方法分别在不同类型的Si基片上制备Mg2Si薄膜,研究Mg膜厚度对Mg2Si薄膜晶体结构、表面形貌及电阻率的影响。在此基础上,采用丝网印刷技术在Mg2Si薄膜上镀叉指状Ag电极制备光敏电阻,并对光敏电阻的光谱响应特性、I-V特性、光照响应特性进行研究。首先,室温下采用磁控溅射方法在三种不同Si衬底(n型高阻、n型低阻、p型低阻)上沉积不同厚度Mg膜(360 nm、400 nm、440 nm、480 nm、520 nm、560 nm),然后低真空(10-1~10-2 Pa)退火制备Mg2Si薄膜。X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电阻率测试结果表明:在400℃退火4 h制备出了单一相的Mg2Si薄膜,在Mg2Si(220)面具有最强衍射峰,薄膜晶粒致密、连续,表面平整且结晶度良好。随着Mg膜厚度的增加,衍射峰强度先增大后减小,薄膜电阻率先减小后略微增大,Mg膜厚度为480 nm时,电阻率最小,结晶度和平整度最好。其次,采用丝网印刷技术在制备的Mg2Si薄膜上镀叉指状Ag电极,然后在温度为300℃高温炉中保温10 min制备光敏电阻。最后,通过光谱响应测量系统、半导体特性分析仪、光照响应系统等设备对制备的光敏电阻的光谱响应特性、I-V特性、光照响应特性进行研究。结果表明:不同类型的Si衬底(n型高阻、n型低阻、p型低阻)上制备的光敏电阻在紫外区域和1200 nm-2500 nm波段时,光电流几乎为零,而在波长为800 nm和1100 nm波段附近光电流较大,最高达到20 mA,表现出较好的光谱响应特性,随着沉积Mg膜厚度的增加,光电流呈增强的趋势,Mg膜厚度为480 nm时光电流最强,但随着Mg膜厚度进一步增加,光电流减小,光谱响应较弱。I-V测试表明,无论是在何种类型Si衬底上制备的样品其I-V特性大致呈一条直线,Mg膜厚度480nm时斜率最大,Mg膜厚度对光敏电阻的I-V特性影响不大。在外加电压范围为-5 V-5V,波长为1100 nm、强度为1 mW/cm2的单色光照射下,制备光敏电阻的暗电阻与亮电阻比最高可达1.43×103,具有较好的灵敏度,暗电阻和亮电阻的阻值随沉积Mg膜厚度的增加均呈先减小后增加的趋势,在Mg膜厚度为480 nm时达到最小。
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