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Ⅳ-Ⅵ族化合物PbSe是一种具有立方结构窄禁带半导体材料,量子效率高,噪声低,具有良好的光电效应,是中红外波段(3~5μm)光探测器和激光二极管的理想材料之一。由于原料硒脲价格昂贵,且难以获得稳定的PbSe薄膜,国内有关该材料的研究较少。
本研究采用低成本化学浴合成法,以Pb(Ac)2、Na2SeSO3为铅源和硒源,在玻璃衬底上制备PbSe薄膜材料,研究生长条件对PbSe薄膜的结晶质量、表面形貌和光电性能的影响:探讨敏化退火过程对PbSe薄膜微观形貌和光电性能的影响规律,为研究PbSe基红外探测材料及器件应用奠定基础。
研究生长温度对PbSe薄膜的生长模式、结晶性能和光电学性能的影响。较高温度下(≥40℃),薄膜以岛状模式生长,晶粒尺寸1μm左右,光学吸收边为体材料的5μm处,导电性能良好;较低温度下(<30℃)下,薄膜以扩散模式生长得到纳米晶薄膜,晶粒尺寸10 nm左右,光学吸收边蓝移至1μm左右,导电性极差。
考察络合剂浓度队薄膜结晶性能和表面形貌的影响。薄膜的结晶性随络合剂浓度升高而提高,光学吸收边随络合剂浓度提高而红移。较低的络合剂浓度有利于获得致密连续的薄膜,较高的络合剂浓度则导致薄膜的颗粒分离,降低薄膜的连续性和均匀性。
采用两步法(第一步低温生长籽晶层,第二步高温生长PbSe薄膜),获得了结晶性良好,膜层与基底结合良好,均匀性优良的大晶粒PbSe薄膜。薄膜具备体材料的特征,光学吸收边在5μm左右,电阻为2~40kΩ,且阻值随薄膜厚度增加而降低。
分别对PbSe纳米晶薄膜和大晶粒薄膜进行敏化退火,研究敏化时间、气氛和温度对薄膜晶体结构、表面形貌、电性能和光电性能的影响。研究发现,PbSe纳米晶薄膜经过退火,吸收边红移,i—t测试曲线表明经过低氧压气氛退火的薄膜具有良好的光电导性能,而在空气气氛中退火的薄膜则出现慢光电导现象。PbSe大晶粒薄膜经过高温退火,出现PbSeO化合物,立方晶粒发生变形并逐渐消失;经过工艺优化,获得了响应时间8ms、响应度达10%的p型薄膜。