Hans Journal of Nanotechnology 纳米技术, 2012, 2, 19-22 http://dx.doi.org/10.12677/nat.2012.22004 Published Online May 2012 (http://www.hanspub.org/journal/nat) Fabrication and Properties of Ultraviolet Photo-Detector Based on SiC Nanowires Xiaoyan Yu, Gang Peng, Gongyi Li, Yanlan He, Yingqiu Zhou Science College, National University of Defense Technology, Changsha Email: penggang78@gmail.com Received: Jan. 17th, 2012; revised: Jan. 29th, 2012; accepted: Feb. 1st, 2012 Abstract: A new type of Ultraviolet Photodetector (UVPDs) based on a bundle of highly aligned SiC nanowires was fabricated and the photo-electric properties of the UVPDs including I-V characteristic and time response et al. were studied in this paper. SiC nanowires were prepared by pyrolysis of a polymer precursor with ferrocene as the catalyst by a CVD route. The diameter of SiC nanowires varied from 100 to 200 nm while they were some centimeters long. A bun- dle of nanowires was fixed onto two legs in a custom base by conductive silver paste to form the UVPDs. The electrical measurements of the device show a big increase of current when explored the device to 254 nm UV light, and the rise time of the device is very short, but the fall time is relatively long. Keywords: Ultraviolet Photodetector (UVPD); SiC Nanowires; Chemical Vapor Deposition (CVD) SiC 纳米线紫外光探测器光电性能的研究 于晓燕,彭 刚,李公义,何焰蓝,周应秋 国防科学技术大学理学院,长沙 Email: penggang78@gmail.com 收稿日期:2012 年1月17 日;修回日期:2012 年1月29 日;录用日期:2012 年2月1日 摘 要:基于一束高取向排列的 SiC 纳米线,本文制备了一种新型的紫外光探测器,并测试研究了其光电性能。 采用传统化学气相沉积技术,以二茂铁为催化剂,通过聚合物热解的方法制备了长度达数厘米、直径为 100~200 nm 的SiC 纳米线。探测器由导电银浆固定一束高取向排列的 SiC 纳米线到器件基座两个引脚上形成,其光电性 能测试研究表明,器件暗电流很小、并且在 254 nm紫外光照射时,其光电流迅速变大;器件反应时间很短而回 复时间相对较长。 关键词:紫外光探测器;SiC 纳米线;化学气相沉积法 1. 引言 紫外光探测器无论在军用上还是在民用上都有 重要的应用价值,比如在引擎控制、太阳紫外辐射监 测、紫外天文学、火焰传感器、安全空间通信、生物 学和化学等方面,因而其已成为光电探测领域的研究 热点之一[1-3]。目前,研究较多的主要是基于宽禁带半 导体的薄膜和单晶型紫外光探测器,主要有 GaN[4]、 ZnO[5,6]、SiC[3,7]、Ti O2[8,9]和金刚石[10]等。然而,用这 些材料制备的紫外光探测器的缺点也是显而易见的, 如成本高,制造工艺复杂等。与此同时,设备的小型 化是工业生产和学术研究的一个不可阻挡的趋势。在 这方面,纳米线是在纳米尺度上构成各种设备的基本 单元,所以引起人们的广泛兴趣。近几年,在各种一 维的纳米结构中,碳化硅(SiC)纳米线由于其独特的电 学,场发射,光学,超疏水性,机械性能等引起了人 们广泛的研究。在显示器,电子纳米器件,光电纳米 Copyright © 2012 Hanspub 19 SiC 纳米线紫外光探测器光电性能的研究 器件,纳米复合材料,光催化剂,疏水器件等领域具 有潜在的应用价值[11-13]。 本文针对一种新型的基于一束高取向排列的 SiC 纳米线紫外光探测器的制备和光电性能进行了相关 研究。首先测量了 CVD 法制备的棉花状 SiC 纳米线 的紫外–可见吸收和反射光谱,然后在自制的电学测 试平台上测量了器件暗电流、254 nm紫外灯照射下器 件的 IV 特性和响应时间特性等。研究结果表明,基 于SiC 纳米线的紫外光探测器,具有极好的电学和光 学性能,在紫外探测方面具有潜在的应用价值。 2. 实验 采用聚合物热解–化学气相沉积技术,在1300 ℃保温 3小时制备了长度为几个厘米,直径分布在 100~200 nm的棉花状的 β-SiC 纳米线,具体细节我们 已在文献[13]上详细报道。为研究纳米线的光电特性, 采用 Hitachi UV-4100型紫外光谱仪测量了 SiC纳米线 的紫外–可见吸收和反射光谱,扫描范围为 200~800 nm。探测器由导电银浆固定一束高取向排列的 SiC 纳 米线到器件基座两个引脚上形成,为提高导电银浆和 纳米线的接触性能,将其放入烘箱,150℃烘烤 5个 小时。我们采用 20 W 杀菌灯作为紫外光源,在自制 的电学性能测试平台上测量了254 nm紫外灯照射下 器件的 IV 特性和时间响应特性,其中所需直流电压 由通用的直流稳压电源提供,通过探测器的电流采用 精度为 61/2 的安捷伦万用表检测。 3. 结果与讨论 图1所示为 β-SiC 纳米线的紫外-可见光吸收光 谱图。从图中可以看出吸收(反射)边约为 420 nm。由 文献可知,β-SiC 单晶的禁带宽度(EG)约为 2.3 eV左 右,由下式(1)可算出,β-SiC 单晶的相应吸收(反射) 边为 540 nm。 g hc E (1) 其中 h是普朗克常数、c是光速。与β-SiC 单晶的吸 收(反射)边相比,β-SiC 纳米线的吸收(反射)边有一个 明显的蓝移,这是由纳米量子尺寸效应引起的。同样 由公式(1)可知,吸收(反射)边蓝移,则对应材料的禁 带宽度变大,我们可计算出 β-SiC 纳米线的禁带宽度 Figure 1. The UV-visible absorption and reflection spectrum of the SiC nanowires 图1. β-SiC 纳米线的紫外–可见吸收光谱图 约为 2.96 eV。此外,从图 1中可以看出,β-SiC 纳米 线在全紫外波段(200~400 nm)都具有较强的吸收而在 可见光波段吸收很少,这一结果表明我们制备的 SiC 纳米线有望适用于制作全波段的紫外光探测器。 用镊子从生长基上夹取一束 SiC 米线,用导电银 浆固定 SiC纳米线两端到定制的间距为2毫米基座的 两引脚上,并在烘箱中 150℃保温5小时,从而形成 紫外光探测器。在图 2中,(a)为SiC 紫外探测器照片, (b),(c)为不同放大倍数下的高取向排列 SiC 纳米线形 貌。从图中可以清楚观察到,在两个电极之间有许多 高度定向排列的 SiC纳米线,直径主要分布在 100~200 nm 之间1。 图3为紫外探测器在无光照条件下和 254 nm 紫 外光照射下的 I-V曲线。从图中可知,在 2 V偏压下, 探测器暗电流约为 0.3 uA;当 254 nm 的10 uW/cm2 的紫外线照射时,在 2 V偏压下器件光电流约 7 uA, 光电流和暗电流的比例大约是 23 倍2。 对于光传感器来说,一般暗电流越小,其电学性 能越好。从暗电流 I-V曲线可知,纳米线与金属接触 为肖特基接触,我们制备的紫外光探测器结构上可以 等效于串联的两个背靠背肖特基势垒,电子被束缚在 两个势垒之间,没有光照的时候,电子很难越过势垒 形成电流。尽管在电极之间有众多高取向排列的 1纳米线的具体数量很难清楚的计数出,单根的 SiC 纳米线器件正 在尝试采用聚焦离子束的方法制备中,具体的实验结果将在后续的 文章中报道。 2由于紫外光源的限制,其他波长的紫外光照射响应曲线还没有测 试。我们已经定制了多个波长的紫外光 LED 光源,实验结果将在 后续文章中报道。 Copyright © 2012 Hanspub 20 SiC 纳米线紫外光探测器光电性能的研究 (a) (b) (c) Figure 2. Photograph of the SiC UV sensor (a) and SEM morphol- ogy (b, c) of the bundle of SiC nanowires at different magnifications 图2. SiC紫外探测器(a)和为不同放大倍数下的 SiC 纳米线形貌 (b,c) Figure 3. I-V characteristics of SiC UV sensor with no irradiation and under the 254 nm UV illumination 图3. 紫外探测器在无光照条件下和254 nm紫外光照射下的 I-V 曲线 SiC 纳米线,然而,探测器的暗电流相对还是较低的。 同时,我们可以通过控制两电极间纳米线的数量和两 个电极的间隙距离来控制暗电流大小,使其满足实际 的需求。 在具体的讨论紫外光引起的光电流变化之前,我 们注意到器件的电极接触为采用较厚的导电银浆(大 于500 微米厚),紫外光很难穿透导电银浆到达金属与 SiC 纳米线的接触界面,也就是说,紫外光不能直接 的作用到电极接触的肖特基势垒上。 当光子的能量大于禁带宽度Eg 时,入射光子被 碳化硅纳米线吸收,就激发出电子–空穴对,使载流 子浓度增加,从而纳米线的导电性增加,阻值减小[7]。 对于我们研究的 SiC 纳米线紫外光探测器来说,在紫 外光照射下,一方面,紫外光激发的空穴可以中和由 于纳米线在空气中吸附氧原子而带来的负电中心,从 而增大纳米线电导率;另一方面,载流子浓度的增加 会减少由于金属半导体接触表面缺陷带来的陷阱态, 从而降低肖特基势垒的高度,将有更多的电子跃过势 垒,导致纳米线电导率的进一步增大[14,15];此外,在 两个背靠背的肖特基势阱之间,具有较长的区域(器件 两电极之间间隙为 2 mm),此区间在紫外光照射下具 有光敏阻抗特性[16]。因此,在紫外光照射下,纳米线 的电导率大幅增加,从而引起光电流大幅度的增加。 图4所示为器件在 2 V偏压、254 nm紫外灯照射 下的时间响应特性曲线图。通过示波器测量显示上升 时间非常快,约为18 毫秒。移除紫外灯后,如果定 义当器件电阻上升到暗电阻的 90%为器件回复时间, 则器件回复时间约为 33.5秒。从上述结果可以看出器 件回复时间相对较长长。我们推测,回复时间的长短 主要与纳米线缺陷陷阱相关,这些缺陷陷阱作为复合 中心不仅分布在电极和 SiC 纳米线的接触界面处,而 且存在于纳米线表面和纳米线晶体内。光生空穴–电 子对很容易被缺陷陷阱捕获,从而导致较长的回复时 间。通过改善碳化硅纳米线晶体质量和用欧姆接触代 替肖特基接触,将减少缺陷陷阱引起的复合诱导,从 而缩短了响应时间[16-18]。 4. 结论 总之,利用CVD 法制备了长度达厘米量级的 β-SiC 纳米线,并在此基础上制备了一束高取向排列 的SiC 纳米线紫外光探测器。该器件在 2 V偏压下的 暗电流为 0.3 uA,254 nm的紫外灯照射下的光电流为 7 uA。光电流和暗电流的比例约为 23 倍。在紫外光 下,电流的大幅增加不仅因为紫外光下金属半导体 Figure 4. The time response of the devices measured under the irradiation of a 254 nm bactericidal lamp at 2 V bias 图4. 器件在2 V偏压、254 nm紫外灯照射下的时间响应特性曲线 图 Copyright © 2012 Hanspub 21 SiC 纳米线紫外光探测器光电性能的研究 Copyright © 2012 Hanspub 22 接触肖特基势垒高度的降低,同时也由于两个背靠背 肖特基势垒之间的中性纳米线半导体具有光敏阻抗 特性的缘故。该器件上升时间和下降时间分别为 18 ms 和33.5 s,回复时间的较慢的主要原因是由于在接 触界面和中性区域存在大量的作为复合中心的缺陷 陷阱所引起的。我们可以通过改善纳米线制备工艺, 改善电极接触和优化器件结构来进一步改进器件的 性能。该器件在全紫外光波段具有较强的吸收,从而 在全波段紫外光探测方面具有较广泛的应用前景。 5. 致谢 本文得到了国家自然科学基金 (批准号:11104348) 与国防科学技术大学校预研(批准号:JC11-02-08)资助 的课题的资助,特此致谢! 参考文献 (References) [1] N. Kondrath, M. K. Kazimierczuk. Characteristics and applica- tions of silicon carbide power devices in power electronics. Intel Journal of Electronics and Telecommunications, 2010, 56(3): 231-236. [2] E. Borchi, R. Macii, M. Bruzzi, et al. Characterisation of SiC photo-detectors for solar UV radiation monitoring. Nuclear In- struments and Methods in Physics Research A, 2011, 658(1): 121-124. [3] E. Pace, A. D. Sio. 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