高性能硒氧化铋光电器件研究

作     者：武玉廷 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：刘小龙;雷泽民

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：CVD生长 Bi2O2Se 光电探测器 简并态 

摘      要：近年来,诸如石墨烯等具有层间范德华作用的二维材料因其独特的晶体结构、能带特征等,在力学、电学、热传导各领域都有着优异表现。其中,二维Bi202Se具有极小的有效质量、0.8 eV的带隙宽度及突出的稳定性,这些特点使得其拥有较高的载流子迁移率与宽的光谱响应范围,引起了在光电探测器领域的广泛研究。此外,二维Bi202Se在铁电、热电等方面也有许多理论计算及实验的报道。二维Bi202Se的制备主要通过化学气相沉积法在云母衬底上进行面内生长,将Bi202Se进行转移时需要采用氢氟酸等腐蚀性溶液对云母衬底进行刻蚀,不可避免地对样品造成损伤。为此,我们通过面外生长的方法来克服这个问题,以得到方便转移且高质量的二维Bi202Se材料。通过生长参数调控制备了电阻率极低的类金属态简并Bi202Se;与半导体特性的Bi202Se样品相比,简并型Bi202Se厚度更厚。在1V偏压下简并型Bi202Se的源漏电流可达毫安量级,且没有栅控特性,此外通过KPFM测试可知其费米能级更靠近导带。采用不同的生长前驱体对样品生长进行调控,通过实验发现,前驱体Bi2Se3与Bi2O3在2:3的比例下,经过微调后实现可控制备简并型Bi202Se。基于面外生长的高质量Bi202Se样品,我们通过改变电极制备方法、栅介质调控等途径对光电晶体管的器件性能进行优化。电极方面:采用电极转移的方式,减少蒸镀过程中的高能金属原子对样品的破坏和表面态的引入;通过在Bi202Se与金属电极之间加入半金属的材料来减少金属诱导间隙态从而降低肖特基势垒以提高器件的性能,具体而言,分别选用了简并态Bi202Se和多层石墨作为半金属型电极过渡层。栅介质层选择方面:分别采用了h-BN、Al2O3和SiO2作为背栅型器件的介电层,以改善载流子迁移时界面的影响。基于优化的材料生长和器件工艺,将面外生长的薄层Bi202Se材料进行无损转移,制备了以氧化硅为栅介质的背栅型光电晶体管,室温下电子迁移率为82.6 cm2v-1s-1,在640 nm激光的照射下光开关比达到106,最高光响应度为2.4×105 A/W,器件的光响应速度呈现栅压可调的特点,最快速度可达6 ms。