硒化铅薄膜光电导的敏化机制及特性研究

Fabrication of PbSe films using vapor phase deposition is an important approach to achieving uncooled mid-infrared photon detection, whereas the sensitization treatment for dopant activation and polycrystalline formation is crucial for acquisition of photosensitivity. However, the sensitization mechanism is yet to be further investigated in order to have deep comprehension. This proposal aims to investigate the sensitization mechanism for the photoconductance of film influenced by oxygen doping, polycrystallization process and the initial film states so as to achieve optimization of the material’s room-temperature optoelectronic characteristics. The project will focus on: ① the influence of oxygen ion implantation on polycrystalline and optoelectronic properties, with analysis of effects of implanting dose and depth, deposition rate, substrate temperature, etc. on sensitized films; ② the influence of sensitization treatment on properties of impurities and defects and carrier transport, with analysis of microscopic physical mechanisms and factors for electrical behaviors of impurities and defects, carrier transport, carrier recombination and trapping effects etc; ③ experimental investigation on the optimization of optoelectronic properties of the polycrystalline films, to deliver optimized process control parameters and fabrication process. Separating the processes of oxygen doping and sensitization treatment brings extra degrees of freedom for experimental analysis and process optimization, and enables precise control of the oxygen ion implantation dose and distribution profile. This work will provide an effective material fabrication technology for uncooled mid-infrared photodetectors.

气相沉积法制备硒化铅薄膜是实现非制冷中波红外光子探测的重要途径，而控制掺杂并形成特定多晶结构的敏化处理，是获得优良光敏特性的关键，但是目前其敏化机制仍有待进一步研究。本项目拟在气相沉积中运用氧离子辅助并进行后期气氛敏化处理，研究薄膜光电导受氧掺杂、多晶化过程及薄膜初始状态影响的敏化机制，从而实现材料室温光电性能的优化。主要研究：①氧离子注入对薄膜多晶态及光电性能的影响,分析注入剂量与深度、沉积速率、基底温度等对敏化后薄膜特性的影响；②敏化处理对杂质与缺陷的性质及载流子输运的影响，分析杂质与缺陷的电学行为、载流子复合过程和陷阱效应等微观物理机制及影响因素；③优化多晶薄膜光电性能的实验研究，形成优化的过程控制参数和制备工艺。将氧掺杂和敏化过程进行分离，增加实验分析和制备过程优化的自由度，能精确调控氧离子的注入剂量与深度分布。研究成果将为非制冷中波红外光子探测器件提供一种有效的材料制造技术。

通过将铅盐薄膜敏化便可使其在室温下具有较强的红外光敏性，是实现非制冷红外光子探测的重要途径。本项目采用气相沉积法结合离子束技术制备硒化铅（PbSe）薄膜，研究了一种离子注入式的敏化方法，理解材料光电导特性及其敏化机制，实现优化的光电性能，为非制冷中波红外探测应用提供关键材料技术。主要研究内容：①氧离子掺入对薄膜多晶化及其光电性能的影响；②注入氧离子的PbSe薄膜敏化过程的物理机制；③氧离子注入的PbSe多晶薄膜的制备与实验优化。主要研究结果：①通过对多晶材料形貌、晶体结构、电学、光学及光电性能的表征，研究了基底温度对薄膜的电学特性的影响，发现其导电类型决定了敏化后的多晶薄膜的光电响应特性。发现高于120℃薄膜为n型，低于120℃为p型。通过对沉积态的薄膜进行了不同温度的退火处理，发现随着温度的增加，材料的微晶呈现逐渐融合与自组装的现象。②通过精确调控注入能量及束流密度等参数制备了纳米多晶材料，同时发现离子束可调控薄膜的光学与光电特性。该材料在红外1 - 4.5微米波段能够有效吸收光辐射，吸收系数达到1.9E4 cm-1，且缺陷密度低，载流子迁移率高，因而具有较高的光电性能，响应率达到了2.09 A/W (@ 4μm)。③通过调节碘/氧的浓度配比可调节材料内部元素的化学配比，形成特殊的表面结构，进一步了提高器件的物理特性；并揭示了化学配比对晶体结构及光电性能的影响。发现硒/铅的原子比例在1:1附近具有较好的光电性能。④基于密度泛函理论（DFT），计算了多晶PbSe材料的电子能带结构，并测试了不同条件下制备的多晶PbSe材料的电导率的温度特性。电子结构的计算结果初步验证了氧原子激活产生的深能级空穴陷阱，并分析了其对光生载流子的激发与复合过程的影响。并提出了晶界势垒在载流子输运及材料敏化中的作用。本项目的研究深化了人们对材料敏化的物理机制的认识，并为光敏铅盐多晶薄膜的生长调控及非制冷红外光子探测器的制造提供新的思路。