一种用于调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结电学性能和光电输出的方法
技术领域
本发明涉及半导体异质结器件领域，具体涉及一种用于调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结电学性能和光电输出的方法。
背景技术
半导体异质结器件可以广泛应用于电子器件、光伏电池、集成电路以及探测传感等领域，应用场景极为广阔。压电电子学和压电光电子学是近年来发展的用于调控异质结器件电子学和光电子学性能的系统性理论，通过将材料的半导体性质和压电性质有机的结合在一起，利用压电效应产生的压电极化电荷来定向地调控半导体异质结界面处的电子-空穴对的产生、分离、输运以及复合过程中的行为，从而改变异质结的电子学和光电子学性能。
当前，在压电电子学和压电光电子学理论框架内实施用于提升特定异质结电子学性能和光电子学性能的具体方案已有多例，如《一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法》
(CN110246958A)中所述，该案例针对铁电薄膜BFO/ZnO纳米线异质结器件提供了具体的解决方案，通过对器件施加竖直方向的压应变，通过纳米线发生应变时产生的压电势来促进BFO/ZnO异质结的结区内载流子的分离，从而增强异质结器件的光电性能。
刚性、薄膜、pn结型器件是一类重要的异质结器件。刚性主要是描述其基底的特征，相较于柔性基底，刚性基底拥有更小的应变范围，这就意味着器件本身可以工作在小的应变区间内，这可以和通常应变范围较大的柔性基底器件形成互补，增加实际应用场景；薄膜主要是描述异质结器件的成结材料类型，除薄膜外还有纳米线、纳米棒等类型可选，薄膜的引入一方面可以兼容现有的微纳加工工艺，另一方面来看整体性更强的薄膜材料有助于压电势的积累而使器件拥有更好的压电电子学和压电光电子学性能；pn结型的选择是相对于同属异质结的肖特基结型而言的，二者的成结效应不同，性能在多方面存在显著差异。总而言之，刚性、薄膜、pn结型压电电子学和压电光电子学器件具有性能优异、整体性强、同现有工艺结合紧密、应用场景广泛等特征，研究前景广阔且应用价值较大。
因为还没有找到有效途径对刚性、薄膜、pn结型器件施加足够大的有效应变，因此根据目前已有的应用资料描述，尚未出现在压电电子学和压电光电子学框架内实施用于调控刚性、薄膜、pn结型器件电子学和光电子学性能的案例。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结电学性能和光电输出的方法。
技术方案为：包括悬臂梁式的应变机构，应变机构包括夹片结构和运动结构，p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件作为悬臂梁，运动结构包括压片器和运动电机，压片器可随运动电机移动，运动电机可以精确控制运动距离并实现锁定定位，运动电机控制所述压片器下压，造成悬臂梁的弯曲，悬臂梁的弯曲形变会等效一部分在p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件的厚度方向上，从而造成纵向压应变的产生，随着运动电机行程的变化，等效的形变也会发生变化，其中，p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件的最底层为p型硅衬底，其次为并列且互不接触的ZnO薄膜层和ITO薄膜电极II，在ZnO薄膜层的上方还附着一层ITO薄膜电极I。
优选地，对所述p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件进行测试，过程为：将铁架台固定在光学平台上，所述应变机构放置在所述铁架台上，激光器放置在电学测试仪顶部，在激光器的光纤出口处增设有快门以快速控制光路通断，所述快门与光纤出口使用3D打印订制的外壳包覆相连，所述快门通过铁架台进行固定支撑。
优选地，p型硅衬底采用10mm×10mm×0.5mm的p掺杂硅片，经去离子水、丙酮、乙醇超声清洗30分钟后使用氮气枪吹干，作为衬底备用。
优选地，ZnO薄膜层、ITO薄膜电极II和ITO薄膜电极I均采用射频磁控溅射的方式制备。
优选地，ZnO薄膜层的制备：将p型硅衬底放入JGP-350B型磁控溅射仪真空腔体内，其中靶材为纯度99.99％直径6cm的ZnO陶瓷，在p型硅衬底盖上对应图案的掩膜板后，关闭腔体并使用机械泵和分子泵抽至4×10-4Pa的本底真空，经历5次氩气洗气后按40:2的比例通入氩气和氧气，期间保持腔体气压稳定在2.2Pa，在正式溅射开始前转动公转轴将样品台移开以进行10min的预溅射，之后正式溅射15min，其中，预溅射和正式溅射的功率均为80W，衬底加热温度为500℃，最后，将p型硅衬底自然退火后取出。
优选地，ITO薄膜电极II、ITO薄膜电极I的制备：将p型硅衬底放入JGP-350B型磁控溅射仪真空腔体内，其中靶材选用纯度99.99％直径6cm的ITO陶瓷靶材，溅射温度为室温，通入纯净的氩气，腔体压强保持在2.2Pa，溅射功率为50W，溅射时长为10min，最后，将p型硅衬底自然退火后取出。
利用上述用于调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结电学性能和光电输出的方法得到的力、光复合探测器。
利用上述用于调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结电学性能和光电输出的方法得到的门电路。
利用上述用于调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结电学性能和光电输出的方法得到的光伏器件。
本发明的有益效果：
1、本发明制备高质量的p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件，并提供在压电电子学和压电光电子学框架内调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件的电子学和光电子学性能方案，这在一定程度上拓宽了压电电子学和压电光电子学的应用范围；
2、门电路是实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，在压电电子学理论体系中有一类典型的场景就是作为门电路，在本发明中，p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件随应变IV曲线响应明显，电平区分度高，体现出优异的电流提升性能，可以用于基本逻辑运算单元设计；
3、本发明中p-Si/n-ZnO器件同时对于力、光有明显的响应，可以作为一种新型力、光复合探测器，单个器件既可以进行应变/应力探测，又可进行光探测；
4、本发明中p-Si/n-ZnO器件可作为光伏器件使用，利用应变机构对其施加固定应变可以定向提高其光伏性能，而这并不改变器件本身的基本结构，可以适用于任何传统应用场景。
附图说明
图1：本发明提供基于悬臂梁结构的应变机构示意图。
图2：本发明提供基于悬臂梁结构的应变机构工作示意图。
图3：本发明提供p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件结构示意图。
图4：本发明提供p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件剖面图。
图5：本发明提供ZnO薄膜的XRD测试图。
图6：本发明提供ZnO薄膜扫描电子显微镜照片，其中a：俯视、b：截面。
图7：本发明提供ZnO+ITO薄膜扫描电子显微镜照片，其中a：俯视、b：截面。
图8：本发明提供应变机构在运动马达行程0.2mm时的应变情况。
图9：本发明提供运动电机行程与器件平均工作应变关系。
图10：本发明提供压电电子学/光电子学测试平台示意图。
图11：本发明提供暗态下施加不同应变的器件IV曲线。
图12：本发明提供405nm激光照射下施加不同应变的器件IV曲线。
图中：1-应变机构、2-夹片结构、3-运动结构、4-p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件、5-p型硅衬底、6-ZnO薄膜层、7-ITO薄膜电极II、8-ITO薄膜电极I、9-铁架台、10-激光器、11-电学测试仪、12-快门。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施实例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于下述的实施例。
实施例一、一种用于调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结电学性能和光电输出的方法，如图1所示，包括悬臂梁式的应变机构1，应变机构1包括夹片结构2和运动结构3，p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4作为悬臂梁，运动结构3包括压片器和运动电机(在图中为画出，位于压片器的顶部，可控制压片器下压)，其中压片器为3D打印制成且可随运动电机移动，运动电机可以精确控制运动距离并实现锁定定位。如图2所示，运动电机控制压片器下压，造成悬臂梁的弯曲，悬臂梁的弯曲形变会等效一部分在p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4的厚度方向上，从而造成纵向压应变的产生，随着运动电机行程的变化，等效的形变也会发生变化。
如图3和4所示，p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4的最底层为p型硅衬底5，其次为并列且互不接触的ZnO薄膜层6和ITO薄膜电极II7，在ZnO薄膜层6的上方还附着一层ITO薄膜电极I8。这里，ITO电极的选择主要是考虑到其高透光率和较低的电阻率可以很大限度上的减少电极的引入对p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4本身的影响。
p型硅衬底5采用10mm×10mm×0.5mm的p掺杂硅片，为了去除表面可能残存的杂质影响，经去离子水、丙酮、乙醇超声清洗30分钟后使用氮气枪吹干，作为衬底备用。
ZnO薄膜层6、ITO薄膜电极II7和ITO薄膜电极I8均采用射频磁控溅射的方式制备，具有优异的工艺相容性，易形成较好的接触，这将有利于提升异质结器件的性能。
ZnO薄膜层6制备：将p型硅衬底5放入JGP-350B型磁控溅射仪真空腔体内，其中靶材为纯度99.99％直径6cm的ZnO陶瓷，在p型硅衬底5盖上对应图案的掩膜板后，关闭腔体并使用机械泵和分子泵抽至4×10-4Pa的本底真空，经历5次氩气洗气后按40:2的比例通入氩气和氧气，期间保持腔体气压稳定在2.2Pa，在正式溅射开始前转动公转轴将样品台移开以进行10min的预溅射，之后正式溅射15min，其中，预溅射和正式溅射的功率均为80W，衬底加热温度为500℃，最后，将p型硅衬底5自然退火后取出。根据先前的研究表明，此处选择的Si衬底由于热导率和电导率较低，这使得具有低表面能的氧离子更易被吸附在衬底上。因此在溅射过程中实现了氧-锌-氧-锌式的堆叠，c轴取向则向上。
ITO薄膜电极II7、ITO薄膜电极I8制备：将p型硅衬底5放入JGP-350B型磁控溅射仪真空腔体内，其中靶材选用纯度99.99％直径6cm的ITO陶瓷靶材，溅射温度为室温，通入纯净的氩气，腔体压强保持在2.2Pa，溅射功率为50W，溅射时长为10min，最后，将p型硅衬底5自然退火后取出。
实施例二、对实施例一中制备的p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4进行分析。
为了了解所制备的ZnO薄膜层6的杂质情况，我们对p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4进行了X射线衍射(XRD)测试(此处用到的XRD仪器型号为德国Bruker D8 Advance)，结果如图5所示，为了方便讨论，将主要的已知衍射峰标出。可以看出，主要的衍射峰为ZnO纤锌矿结构的(002)晶面峰和Si的(400)晶面峰，引入Si衍射峰的原因主要为实验中选取的Si衬底，这表明了制备的ZnO薄膜纯度很高。ZnO(002)峰的半峰全宽为0.289，这一定程度上表明了ZnO薄膜在生长过程中具有着明显的取向性。至于ZnO(004)高次衍射峰也有体现但整体强度偏弱。同时在ZnO和Si的主峰附近均存在较小的衍射峰，其中ZnO(002)附近主要为ZnO薄膜非平衡生长引起，至于60°附近的衍射峰推测为Si的p掺杂造成。
关于ZnO薄膜层6的结构表征，图6为其扫描电子显微镜(SEM)下的照片(此处SEM型号为德国Carl Zeiss公司的Geminisem500)，我们制备的ZnO薄膜厚度为426.5nm，主要由大量竖直摆放的棱柱状的ZnO纳米晶粒致密堆积构成，且可以看出少部分晶粒的c轴取向有一定偏转，这和XRD给出的结果一致。整个薄膜在大的范围上具有优异的表面平整度，平坦而致密的ZnO薄膜层形貌有利于其承受更大的应变，同时在也可以增加器件的光捕获能力。此外，注意到ZnO薄膜与Si衬底之间接触良好，无空隙存在，这将有利于提升器件的半导体性电子学和光电子学性能。
为了表征ITO薄膜电极层自身以及同ZnO薄膜层6的接触情况，我们还对附有ITO电极层的ZnO薄膜拍摄了SEM照片，如图7所示。可以看出，ITO层的厚度为178.6nm，整体形貌平整致密，同ZnO薄膜极为相似，其与ZnO薄膜交界处连续而紧密，无明显分界，这将有利于减少器件的内阻。
实施例三、通过COMSOL固体力学有限元分析证明上述实施例的可能性，并定量描述上述结构工作状态同器件应变量之间的关系。
首先，给运动电机定义了0.2mm的极限行程，以考量此应变机构可施加极限应变能力，此前已经使用同规格的p-Si片衬底进行了极限测试，0.2mm为保证衬底不断裂的最大运动电机行程，对p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4应变张量的zz分量进行ε_zz绘制，如图8所示。可以看出，在极限施压下，测试器件的最大纵向压应变达到了-0.07％，而最小压应变接近0％，可以很好的满足p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4应变需求。从宏观上看，p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4的应变主要分布在夹片机构一侧，而向压片器侧递减。更进一步的，为了定量表述方便，建立起运动电机行程同应变机构对p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4施加应变大小之间的对应关系是必要的，为此，利用COMSOL软件对应变机构进行了参数化扫描模拟，其中扫描参数为运动电机的行程，设定扫描范围为0mm至0.2mm，扫描间隔为0.001mm。因为p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4各部分的应变并不相同，为方便表示结果和后续讨论，我们需要给p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件4定义统一的平均工作压应变，即有效工作区域内的平均压应变(其中有效工作区域是指ITO薄膜电极I覆盖区域)，这样选择的优势是一定程度上规避了非有效工作区域应变以及在有限元处理中可能出现的异常数据点产生过大影响。基于如上叙述，我们将运动电机行程(Mx)与器件的平均工作压应变(ε)的关系图绘出，并辅以部分行程下的器件应变图，如图9所示。可以看出，器件的平均工作应变与运动电机行程成较好的线形关系，我们通过线性拟合，给出二者的函数关系式：
ε(Mx)＝-0.0033Mx式中Mx的单位为mm，ε无单位，而拟合函数的确定系数(R2)为1。
实施例四、对p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件工作效果的定量探究，相关测试如下：
压电电子学和压电光电子学测试需要力、光、电三场的耦合，考虑在测试平台上增设激光器和电学测试仪。其具体搭建方案如图10所示，将铁架台9固定在光学平台上，应变机构1放置在铁架台9上，激光器10放置在电学测试仪11顶部，电学测试仪选用Keithley2400，可以提供IV曲线扫描、电流测试、恒压输出电流测试等多个测试模式，激光器选用405nm波长的功率可调激光器，在激光器10的光纤出口处增设有快门12以快速控制光路通断，快门12与光纤出口使用3D打印订制的外壳包覆相连，快门12通过铁架台9进行固定支撑。
其中，运动电机、快门12、Keithley2400均连接电脑可编程控制，其中，电脑控制运动电机、快门12、Keithley2400的具体操作为现有技术，在本申请不再过多介绍。
借助搭建好的测试平台，验证器件的压电电子学行为。针对借助应变机构给p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件施加的不同压应变，分别通过电学测试仪对器件施加顺序的电压进行扫描，得到器件的IV曲线，将不同情况下的IV曲线汇总绘出如图11所示。可以看出，随着压应变的不断提升，p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件的IV曲线分别在正偏压区域向上抬升而在负偏压区域向下偏转。从电流强度来看，相同的外加电压下，正向偏压下的电流强度增强明显大于负向偏压。举例来看，在给器件施加-0.056％的压应变的情况下，-1.5V偏压处的电流强度由13.40μA增长到21.32μA，增长了59.10％；而+1.5V偏压处的电流强度由16.42μA增长到64.07μA，增长了290.19％。上述测试结果表明通过施加应变可以显著改变器件的电子学性能，这是压电电子学的基本思想，证明了在p-Si/n-ZnO薄膜异质结中压电电子学效应的存在，同时，器件在测试中体现出的优异的电流提升性能，更体现了其用作高性能门电路的潜力。
在压电电子学测试的基础上，增加405nm激光照射，对器件的压电电子学性能进行探究。我们将405nm激光照射下器件在不同应变下的IV曲线绘出，如图12所示。可以看出，随着外界施加应变的不断提升，IV曲线在负偏压侧以及无偏压附近向下弯曲，而在正偏压侧向上弯曲。其中，施加负向偏压时压应变器件造成的电流强度增大明显大于正向偏压，这与暗态下(压电电子学)的变化趋势正好相反。举例来看，在给器件施加-0.056％的压应变的情况下，-1V偏压处的电流强度由32.36μA增长到148.70μA，增长了359.52％；在无偏压时的电流强度由0.27μA增长到0.64μA，增长了137.04％；而+1V偏压处的电流强度由8.31μA增长到13.57μA，增长了63.30％。通过定量给出+1V、-1V和无偏压下，压应变对于器件电流强度的影响，可以看出不管是否存在偏压，施加压应变均可以大幅提升器件光电子学性能。
综上所述，本发明制备高质量的p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件，并提供在压电电子学和压电光电子学框架内调控p-Si/n-ZnO薄膜异质结器件的电子学和光电子学性能方案，这在一定程度上拓宽了压电电子学和压电光电子学的应用范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。
