PDF《异质结的能带带阶∗》

物理学报Acta Phys.

Sin. Vol. 63, No.

16 (2014)

167301 利用同步辐射光电子能谱技术测量ZnO/PbTe 异质结的能带带阶? 蔡春锋1)2)? 张兵坡2) 黎瑞锋2) 徐天宁3) 毕岗1) 吴惠桢2) 张文华4) 朱俊发4) 1)(浙江大学城市学院信息与电气工程学院, 杭州 310015) 2)(浙江大学物理系, 杭州 310058) 3)(浙江工业大学之江学院理学系, 杭州 310024) 4)(中国科学技术大学国家同步辐射实验室, 合肥 230029) (

2014 年3月11 日收到;

2014 年4月15 日收到修改稿 ) 异质结结构界面的能带带阶是一个非常重要的参数, 该参数的精确确定直接影响异质结的光电性质研究 以及异质结在光电器件上的应用. 利用同步辐射光电子能谱技术测量了 ZnO/PbTe 异质结结构的能带带阶. 测量得到该异质结价带带阶为 2.56 eV, 导带带阶为 0.49 eV, 是一个典型的类型 I 的能带排列. 利用变厚度扫 描的测量方法发现, ZnO/PbTe 界面存在两种键, 分别是 Pb―O 键 (低结合能) 和Pb―Te 键 (高结合能). 在ZnO/PbTe 异质结界面的能带排列中导带带阶较小, 而价带带阶较大, 这一能带结构有利于 PbTe 中的激发电 子输运到 ZnO 导电层中. 该类结构在新型太阳电池、 中红外探测器、 激光器等器件中具有潜在的应用价值. 关键词: 能带带阶, 同步辐射光电子能谱, ZnO/PbTe异质结 PACS: 73.20.At, 79.60.Ci, 73.40.Lq DOI: 10.7498/aps.63.167301

1 引言IV-VI 族材料体系 (PbTe, PbSe, PbS 等) 由于 其特殊的光电性质而受到广泛的研究 [1?4] . 该类 材料体系具有窄的直接带隙、 较低的俄歇复合率以 及正的带隙温度系数等特点, 是制备可工作在室 温下的中红外探测器、 激光器的重要材料 [5?7] . 室 温下 IV-VI 族半导体材料的带隙在 0.3 eV 左右, 对 应于波长为

3 ?m 左右的光子能量, 随着温度的降 低, 带隙变小, 响应波长向长波方向移动. 通过制 备量子阱、 量子点等量子结构 [8,9] 或掺入 Sr, Sn 等 金属形成三元系合金 [10] , 该类材料体系能够覆盖 整个中红外波段 (2―30 ?m). 相比于利用子带跃 迁实现在中红外波段应用的量子级联探测器、 激光 器等, 利用 IV-VI 族材料体系制备中红外器件具有 材料制备容易、 器件结构和工艺流程简单、 成本低 等优点, 因此具有重要的推广应用潜力 [11] . ZnO 等金属氧化物材料是目前得到广泛研究的宽带隙 半导体材料, 具有对可见光波段透明、 掺杂后导电 性能好以及成本低廉的优点, 因此是用来制备光电 器件的重要材料 [12,13] , 同时也是制备透明电极的 重要材料, 在新型太阳电池的研究领域中有重要应 用[14,15] . PbTe等IV-VI 族材料与 ZnO 等金属氧化 物组成的新型异质结结构具有很多特点, 已被用 于制备高性能中红外光伏探测器 [7] . 由于 PbTe 具 有窄的带隙, 能有效吸收太阳能中的红外部分, 所 以该结构也能够用于制备高效率太阳电池 [16] . 对IV-VI 族半导体材料与 ZnO 组成的异质结界面能 带带阶的研究已经有很多. Choi 等[17] 采用循环 伏安法测量了 PbSe 纳米晶 (NC) 与ZnO 电极界面 ? 国家自然科学基金 (批准号: 61275108, 11374259) 资助的课题. ? 通讯作者. E-mail: [email protected] ?

2014 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 167301-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 63, No.

16 (2014)

167301 之间的能带带阶, 发现该类异质结能带带阶随着 PbSe NC 尺寸的变化而变化, 并且当 PbSe NC 尺 寸小于 4.5 nm 时界面能带排列从类型 I 转变为类 型II. Timp 和Zhu[18] 采用紫外光电子能谱仪测量 了在ZnO(10? 10) 衬底表面覆盖单层PbSe NC 时界 面能带的变化, 发现 PbSe NC 最高占据态在 ZnO 表面具有钉扎效应. Li 等[19] 利用 X 射线光电子能 谱(XPS) 仪研究了在 ZnO/c 轴取向的蓝宝石衬底 上生长的 PbSe 多晶薄膜, 测量得到该异质结结构 价带带阶为 2.51 eV. Cai 等[20] 利用同步辐射光电 子能谱 (SRPES) 仪测量了不同 PbSe/ZnO 结构界 面的能带带阶, 其中ZnO/PbSe(111)薄膜异质结价 带带阶为2.36 eV. 当PbSe NC尺寸小于5.0 nm时, PbSe NC/ZnO 结构能带排列发生从类型 I 到类型 II 的转变. 文献 [19, 20] 中同一类异质结带阶测量 结果存在差别, 说明异质结能带带阶与异质结的材 料性质 (如材料晶体质量、 界面态、 界面的极化效应 等) 有关, 这就要求必须采用精确的实验测量手段 来研究具体的异质结界面能带结构. 在研究和制 备新型光电子器件时, 异质结界面的能带带阶是一 个非常重要的参数, 但是, 目前对于 ZnO/PbTe 异 质结结构界面的能带排列情况 (导带带阶和价带带 阶) 还未进行过系统的研究, 这一数据的精确实验 测量对于该异质结在光电器件甚至微电子器件中 的应用具有参考价值. 本文利用 SRPES 技术研究 ZnO/PbTe 异质结界面的能带排列情况, 精确测量 了该异质结的导带带阶、 价带带阶以及其他一些电 子能带信息, 这些数据可为利用 ZnO/PbTe异质结 结构制备中红外探测器、 激光器和新型太阳电池及 器件性能的优化提供支持.