基于CuI/Si异质结的高性能二极管及其光电响应

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近年来,p型半导体碘化铜(CuI)因为其宽带隙,透光性好以及导电性好的特性在光电探测领域得到了极大的关注。由于CuI的发光主要集中在带边,且缺陷发光的强度低,使得其具备优秀光电材料的潜质。目前,基于CuI异质结的光伏型器件的波长检测范围大多集中在紫外光波段。并且,受限于体内较高的载流子浓度,该异质结一般以n-p+结的形式而存在,这导致了CuI一侧的少子扩散长度很低,所以基于CuI异质结的光伏型器件的量子效率也难以有所突破。本文选择Si与CuI组成了高性能的异质结二极管器件,在具有较大整流比的同时,将此异质结的光电响应扩展到了可见光范围。另一方面,通过溴掺杂的方式,使得CuI的本征载流子浓度降低了一个数量级以上,并制备了基于CuI的p-n+型异质结,为后续制备高性能紫外光电探测器提供了新的思路。本文的主要工作内容和创新点如下:(一)通过固相碘化法制备了n-p+型CuI/Si异质结二极管,其整流比为7.6×10~4,远高于其他化学法制备的CuI二极管。本工作介绍了CuI/Si异质结二极管的主要制备流程,对比了形成欧姆接触前后的两组二极管器件,该二极管在没有形成良好欧姆接触时的整流比为1×10~3,改善接触后的整流比可达7.6×10~4。另外,通过肖克莱方程对I-V测试的结果进行了拟合,得到了二极管的理想因子为2.11,并解释了其物理成因。(二)通过溴掺杂的方式降低了CuI的载流子浓度,并制备了p-n+型CuI/Si异质结二极管,证明了CuI的电输运性能对晶格扭曲等缺陷具有良好的耐受性。本工作研究了溴杂质引入对CuI薄膜的影响,通过XRD,SEM等手段确定了一个较为合适的溴掺杂范围,并研究了不同溴含量下,CuI薄膜电学性质的变化情况。其中,溴含量为19.7%的CuI,其载流子浓度从4.36×1019cm-3成功降低到了2.80×1018cm-3,并利用PL谱和CL谱对CuI薄膜的发光机制做了研究。最后,基于物理表征的结果对溴掺杂前后的能带结构进行了分析。在器件的制备方面,通过引入CuI中间层的方式使得p-n+结的性能得到了改善,并抑制了掺溴CuI与重掺杂硅之间的隧穿效应。(三)基于n-p+型CuI/Si异质结,在不同偏压下实现了“紫外-可见”双波段探测模式的高性能光电二极管,其探测度可达1013~1014Jones,远高于其他Cu基光电探测器。本工作对n-p+型CuI/Si异质结的光电流的产生机理进行了系统研究。在400nm,505 nm,635 nm,780 nm的激光的照射下分别进行了I-V与I-t测试。该器件在偏压在为0 V时表现为可见光探测器,在偏压为-3 V时光响应可扩展至紫外波段。工作在线性区时,由635 nm激光产生的EQE可达175%,即使是所产生EQE最小的400 nm激光,其EQE值也有48%。在I-t测试中,器件的光暗电流比较为稳定,不会随着脉冲激光而发生波动,且响应时间稳定在0.5 s附近。
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