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非线性晶体和光电材料硒化镓的研究进展

材料导报 2022年第5期36卷 20-29页

作者：杜辉陈巧刘婷贺毅金应荣西华大学材料科学与工程学院成都611700

中远红外激光和光电器件在军事和民用等领域都有广泛的应用。中远红外非线性光学晶体作为中远红外激光器的核心部件变得越来越重要,而硒化镓(GaSe)正是综合性能优异的中远红外非线性光学晶体。此外,二维GaSe材料凭借其优异的光电性能在... 详细信息

中远红外激光和光电器件在军事和民用等领域都有广泛的应用。中远红外非线性光学晶体作为中远红外激光器的核心部件变得越来越重要,而硒化镓(GaSe)正是综合性能优异的中远红外非线性光学晶体。此外,二维GaSe材料凭借其优异的光电性能在光电器件(如光电探测器)等领域也有重要应用。尽管GaSe有很多优点,在中远红外方面具有巨大的应用前景,但高光学质量大尺寸的GaSe单晶生长技术仍需进一步研究。通过国内外研究者的努力,GaSe的合成和生长方法不断改进。由于Se易挥发,调控GaSe化学计量比十分重要,调控的途径有:(1)通过补充Se蒸汽来平衡Se蒸汽压从而调控GaSe化学计量比;(2)通过限制Se蒸汽的自由空间有效抑制Se的挥发。其次GaSe的硬度较低,难以切割加工,这也是影响其广泛商业化应用的重要原因。在提高GaSe硬度方面,学者们做了大量的掺杂研究,研究发现通过掺杂可有效提高GaSe晶体的硬度,同时还可以提升一定的光学性能。在二维GaSe方面,虽然目前已经通过各种方法制备出了二维GaSe纳米片,并在电子、光电器件等方面有不错的研究成果,如紫外和红外高响应率光电探测器、气敏传感器、柔性光电器件与光电化学型电极等。但获得高质量、大尺寸和厚度可控的二维GaSe材料仍然困难。本文首先简要介绍了GaSe的结构与性质,然后主要从GaSe块体材料和二维材料两个方面,综述了GaSe材料的制备、掺杂研究、中远红外和太赫兹(THz)波段应用以及在电子器件、光电器件领域的研究进展,最后对GaSe未来研究和应用进行了展望。

关键词：中远红外硒化镓非线性光学晶体光电器件二维材料

基于GaSe/Ga_(2)O_(3)异质结的自供电日盲紫外光电探测器

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物理学报 2024年第11期73卷 360-367页

作者：宿冉奚昭颖李山张嘉汉姜明明刘增唐为华南京邮电大学集成电路科学与工程学院(产教融合学院) 氧化镓半导体创新中心(IC-GAO)南京210023 内蒙古大学电子信息工程学院呼和浩特010021 南京大学电子科学与工程学院南京210093 南京航空航天大学物理学院空天信息材料与物理工信部重点实验室南京211106

氧化镓(Ga_(2)O_(3))作为超宽禁带半导体在深紫外探测领域有极其重要的应用价值.它能与GaSe形成典型的Ⅱ型异质结构,促进载流子分离与传输,进而实现高性能的自供电探测.本文利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在蓝宝石衬底上生长... 详细信息

氧化镓(Ga_(2)O_(3))作为超宽禁带半导体在深紫外探测领域有极其重要的应用价值.它能与GaSe形成典型的Ⅱ型异质结构,促进载流子分离与传输,进而实现高性能的自供电探测.本文利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在蓝宝石衬底上生长了Ga_(2)O_(3)薄膜,并采用布里奇曼技术在氧化镓薄膜上生长了GaSe薄膜,构建了GaSe/β-Ga_(2)O_(3)异质结光电探测器,分析其中涉及的光物理与界面物理问题.该探测器对深紫外光有很好的响应性能,在8 V的电压下器件的暗电流仅为1.83 pA,254 nm光照下的光电流达到了6.5 nA,且UV-C/可见光(254 nm/600 nm)的抑制比约为354,即使在很小的光照强度下,响应度和探测度也达到了1.49 mA/W和6.65×10^(11)Jones.同时,由于结界面上的空间电荷区形成的光伏效应,该探测器在零偏压下表现出自供电性能,开路电压为0.2 V.此外,探测器有很好的灵敏度,无论是在电压恒定的条件下用不同光强的光照射探测器,还是在光强恒定条件下改变电压,器件都能快速响应.

关键词：光电探测器氧化镓硒化镓自供电

基于GaSe/GaO异质结的自供电日盲紫外光电探测器

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物理学报 2024年

作者：宿冉奚昭颖李山张嘉汉姜明明刘增唐为华南京大学电子科学与工程学院南京邮电大学集成电路科学与工程学院(产教融合学院)氧化镓半导体创新中心(IC-GAO) 南京航空航天大学物理学院空天信息材料与物理工信部重点实验室内蒙古大学电子信息工程学院

氧化镓(Ga2O3)作为超宽禁带半导体在深紫外探测领域有极其重要的应用价值. 它能与GaSe形成典型的Ⅱ型异质结构，促进载流子分离与传输，进而实现高性能的自供电探测. 本文利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在蓝宝石衬底上生长... 详细信息

氧化镓(Ga2O3)作为超宽禁带半导体在深紫外探测领域有极其重要的应用价值. 它能与GaSe形成典型的Ⅱ型异质结构，促进载流子分离与传输，进而实现高性能的自供电探测. 本文利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在蓝宝石衬底上生长了Ga2O3薄膜，并采用布里奇曼技术在氧化镓薄膜上生长了GaSe薄膜，构建了GaSe/β-Ga2O3异质结光电探测器，分析其中涉及的光物理与界面物理问题. 该探测器对深紫外光有很好的响应性能，在8 V的电压下器件的暗电流仅为1.83 pA， 254 nm光照下的光电流达到了6.5 nA，且UV-C/可见光(254 nm/600 nm)的抑制比约为354，即使在很小的光照强度下，响应度和探测度也达到了1.49 mA/W 和 6.65× 1011Jones. 同时由于结界面上的空间电荷区形成的光伏效应，该探测器在零偏压下表现出自供电性能，开路电压为0.2 V. 此外，探测器有很好的灵敏度，无论是在电压恒定的条件下用不同光强的光照射探测器，还是在光强恒定条件下改变电压，器件都能快速响应.

关键词：光电探测器氧化镓硒化镓自供电

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硒化镓单晶生长研究

硒化镓单晶生长研究

作者：杜辉西华大学

学位级别：硕士

硒化镓(GaSe)晶体是一种综合性能优异的非线性光学晶体材料,在中远红外波段以及太赫兹波段都有重要应用。GaSe还可以作为二维材料应用于光电子器件,如光电探测器等。本文采用垂直布里奇曼法生长GaSe单晶体,并通过瞬态吸收光谱等测试分... 详细信息

硒化镓(GaSe)晶体是一种综合性能优异的非线性光学晶体材料,在中远红外波段以及太赫兹波段都有重要应用。GaSe还可以作为二维材料应用于光电子器件,如光电探测器等。本文采用垂直布里奇曼法生长GaSe单晶体,并通过瞬态吸收光谱等测试分析方法,探索了化学配比和退火处理对晶体性能的影响。本文设计制作了两温区晶体生长炉,分析了坩埚形状、温度梯度、坩埚下降速度等对晶体生长的影响。以及通过在石英坩埚内壁镀碳膜避免了晶体与石英坩埚的粘连,生长了Φ14×80 mm的GaSe单晶,这些晶体在500～4000 cm(2.5～20μm)波段的红外透过率在40～50%之间。为了避免GaSe熔体中Se易挥发导致晶体偏离化学配,本文研究了两种控制GaSe化学配比的方法:(1)富Se法,在GaSe原料中加入GaSe弥补挥发的Se蒸汽,达到调节GaSe晶体化学配比的目的;(2)固液气三相平衡法,通过在熔体表面增加石英塞,同时在坩埚壁上增设缩颈,通过缩减气-液界面的体积,增大Se的蒸汽压从而抑制Se的挥发,达到控制GaSe晶体的化学配比的目的。能谱测试结果表明,这两种方法都较好的调控了晶体的化学配比,且晶体的红外透过率都有一定程度的提升。本文还对晶体进行了退火处理,通过瞬态吸收光谱、红外透过光谱以及光致发光谱三种测试分析表明,生长结束后在炉中800℃退火可以降低晶体缺陷浓度,有利于载流子迁移,提高晶体的红外透过率达到55%。

关键词：硒化镓晶体生长化学配比晶体缺陷退火

硒化镓薄片的制备与表面拉曼增强及场效应器件研究

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硒化镓薄片的制备与表面拉曼增强及场效应器件研究

作者：全琳中国科学技术大学

学位级别：硕士

硒化镓,作为Ⅲ-Ⅵ族硫属化合物中的一员,具有独特的四层Se-Ga-Ga-Se结构。当硒化镓晶体层数逐渐减小时,其电子能带带隙逐渐增大。硒化镓薄片层数少于7层时,它从直接带隙半导体转变成间接带隙半导体。由于其独特的电子结构,硒化镓晶体可... 详细信息

硒化镓,作为Ⅲ-Ⅵ族硫属化合物中的一员,具有独特的四层Se-Ga-Ga-Se结构。当硒化镓晶体层数逐渐减小时,其电子能带带隙逐渐增大。硒化镓薄片层数少于7层时,它从直接带隙半导体转变成间接带隙半导体。由于其独特的电子结构,硒化镓晶体可以实现太赫兹波段的功率输出,在光电子器件、非线性光学等领域具有广泛的应用前景。硒化镓材料表面因具有原子级平整,以及非极性特性,可以作为研究表面增强拉曼中化学增强机制的理想材料。此外以硒化镓薄片为基础制备的场效应晶体管,在输运性质上有很大的提升空间。本论文从硒化镓薄片的制备出发,研究了硒化镓薄片的表面拉曼增强效应和场效应特性,共有四章内容,简介如下:第一章为绪论。我们介绍了硒化镓的发展历史、常用的制备方法、结构、基本性质以及应用的发展前景。其次,我们简单介绍了表面拉曼增强和场效应晶体管的基本原理以及发展趋势。最后概述了研究工作的选题背景和科学意义。第二章研究了硒化镓薄片的表面增强拉曼光谱。我们利用机械剥离制备的硒化镓薄片,将其作为测量分子拉曼信号的衬底,研究其表面拉曼增强效应。通过拉曼表征发现,被探测分子在单层硒化镓衬底上的拉曼信号最强,并且其拉曼增强效应还随着其层数的增加而减弱。通过研究被探测分子的厚度与拉曼信号强度的关系,发现存在首层效应(first-layer effect)现象。结合此结果与沉积分子后的硒化镓PL峰淬灭的现象,我们将硒化镓的表面拉曼化学增强机理归因于分子与衬底间产生的电荷转移。第三章侧重展示对硒化镓薄片迁移率的改善研究。我们采用shadow mask方法制备了硒化镓场效应晶体管,研究其输运性质。根据硒化镓的能带结构以及不同金属的功函数,我们选用金属钯作为金属电极,减小金属-半导体界面接触电阻,提高硒化镓FET电学性质。再通过对器件退火,机械剥离残留的胶带杂质可以得到有效消除,改善了金属与硒化镓接触问题。通过实验还发现,退火有利于解决硒化镓FET的退化问题,在一定程度上恢复器件性能。我们还采用PMMA/SiO2作为衬底,以期抑制界面散射,提高载器件流子迁移率。第四章对硒化镓研究中的一些挑战和发展趋势进行了一些展望。

关键词：硒化镓表面增强拉曼光谱电荷转移机制场效应晶体管迁移率

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掺碲硒化镓晶体的光学性能(英文)

中国光学 2011年第6期4卷 660-666页

作者：古新安朱韦臻罗志伟 ANDREEV Y M LANSKII G V SHAIDUKO A V IZAAK T I SVETLICHNYI V A VAYTULEVICH E A ZUEV V V 国立交通大学中国台湾30010 俄罗斯科学院西伯利亚分院气候与生态系统监测研究所俄罗斯托木斯克634055 俄罗斯托木斯克洲立大学西伯利亚物理技术研究所俄罗斯托木斯克634050 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

采用水平区熔法生长了碲(Te)掺杂浓度(质量百分比)分别为0.05%,0.1%,0.5%,1%,2%的硒化镓(GaSe)晶体,并分别对掺杂浓度为0.01%,0.07%,0.38%,0.67%,2.07%的GaSe∶Te晶体的光学性能进行了表征。首次研究了GaSe∶Te晶体中刚性层声子模式的... 详细信息

采用水平区熔法生长了碲(Te)掺杂浓度(质量百分比)分别为0.05%,0.1%,0.5%,1%,2%的硒化镓(GaSe)晶体,并分别对掺杂浓度为0.01%,0.07%,0.38%,0.67%,2.07%的GaSe∶Te晶体的光学性能进行了表征。首次研究了GaSe∶Te晶体中刚性层声子模式的转换。吸收光谱测试结果表明:当Te掺杂浓度小于0.38%时,振动中心位于0.59 THz附近的E'(2)刚性模式吸收峰强度可达最大值,这一过程与GaSe∶Te晶体光学性能的提高密切相关。但Te掺杂浓度的进一步提高会导致E'(2)刚性模式吸收峰强度逐渐减弱,当Te掺杂浓度为1%时,E'(2)刚性模式吸收峰基本消失。这两个过程与GaSe∶Te晶体光学质量的下降密切相关。因此,E'(2)刚性模式吸收强度达到最高时对应的掺杂浓度即是GaSe∶Te晶体中Te的最佳掺杂浓度,光整流产生太赫兹过程证实了此结论的正确性。

关键词：硒化镓掺碲硒化镓晶体生长光学性能太赫兹

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二硫化钼和硒化镓二维材料光电传感应用研究

二硫化钼和硒化镓二维材料光电传感应用研究

作者：王帅大连交通大学

学位级别：硕士

传统器件通常不可弯曲且不透明,随着可穿戴器件的发展,可弯曲、透明的器件受到了极大关注,二维半导体材料在新型器件领域具有很大应用潜力。本文研究材料主要包括硒化镓(GaSe)、二硫化钼(MoS)以及六方氮化硼(h-BN),使用机械剥离法制备... 详细信息

传统器件通常不可弯曲且不透明,随着可穿戴器件的发展,可弯曲、透明的器件受到了极大关注,二维半导体材料在新型器件领域具有很大应用潜力。本文研究材料主要包括硒化镓(GaSe)、二硫化钼(MoS)以及六方氮化硼(h-BN),使用机械剥离法制备了上述几种二维材料纳米片。提出一种利用定向转移技术将二维材料转移至柔性电极上制作柔性光传感器的方法,该方法适用于利用任意二维材料及其异质结构制作器件。本论文制成分别基于GaSe、h-BN/GaSe、MoS、h-BN/MoS、GaSe/MoS的柔性光传感器,对器件的性能进行检测和分析。较薄GaSe在空气中易氧化,导致器件容易失效。较厚GaSe器件在空气中的稳定性有改善,对405～635nm光有不同的响应,器件最大开关比可达1000。经h-BN封装可进一步提升器件的稳定性。器件响应度R=12.2A/W,响应/恢复时间为100/40ms。MoS器件对405～670nm光均有明显光响应,较薄MoS器件在光照下响应度R=101A/W,但光响应时间长,可达数十秒,器件开关比低(1.4)。对于较厚的MoS器件,二维材料与电极接触存在差异,无外加电压时仍具有光探测能力,响应度Rλ=0.4A/W。GaSe/MoS异质结构为II型。在相同测试条件下,GaSe/MoS异质结构、构建异质结构的MoS和GaSe的响应度分别为22、5100和11 mA/W,开光比分别为2300、2.6和900。异质结构光探测器的开关比最高,其响应度低于MoS并高于GaSe。其光响应时间为40ms,是GaSe器件响应时间的一半,比MoS器件响应时间低三个数量级,展示了异质结构在快速光探测领域的应用潜力。

关键词：二维材料硒化镓二硫化钼氮化硼柔性光探测器

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石墨烯及硒化镓纳米片气体传感器研究

石墨烯及硒化镓纳米片气体传感器研究

作者：张荣福哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

发展应用于环境监测的高灵敏、快速响应的新型传感器对生活环境监测、人们的身体健康保护具有重要的意义。石墨烯与硒化镓纳米片都是新型的二维功能材料，它们具有较大的比表面积使得对气体具有良好的吸附性能，并且它们的电学性能对外... 详细信息

发展应用于环境监测的高灵敏、快速响应的新型传感器对生活环境监测、人们的身体健康保护具有重要的意义。石墨烯与硒化镓纳米片都是新型的二维功能材料，它们具有较大的比表面积使得对气体具有良好的吸附性能，并且它们的电学性能对外部都具有较灵敏的响应，所以，这两种材料都可以应用于构筑灵敏度高的新型气体传感器。构筑器件的石墨烯有还原氧化石墨烯（rGO）和化学气相沉积法（CVD）制备的石墨烯。氧化石墨烯主要应用于制备电阻式气体传感器，而CVD石墨烯应用于制备场效应晶体管（FET）气体传感器。本硕士论文研究内容包括：石墨烯电阻传感器和FET传感器对氨气的响应;钯(Pd)纳米颗粒修饰的石墨烯氢气传感器;基于硒化镓（GaSe）纳米片FET的氨气传感器和Pd纳米颗粒修饰的GaSe纳米片的新型氢气传感器。通过对石墨烯与硒化镓传感器做了一系列研究工作，主要创新性研究结果如下:1、发展了一种基于软印刷纳米技术批量构筑石墨烯气体传感器新方法。采用软印刷方法，构筑高度取向的石墨烯微米带。石墨烯微米带的厚度可调，一般在1～10nm,宽度为10～20um，长度可达厘米级别。然后采用掩膜板方法，在石墨烯微米带上加工金属电极。2研究了还原氧化石墨烯微米带传感器的传感性能：氨气最低检测限达到了10ppm，其最大可检测浓度达到了38%，因此检测氨气的浓度范围很宽。当升高温度会使传感器的性能有所提高，这仅限于氨气浓度在0.3%以下。3.研究氮掺杂石墨烯修饰钯纳米颗粒和还原氧化石墨烯为敏感材料的新型氢气传感器。通过与未掺杂的石墨烯器件对比研究发现，通过氮掺杂可以提高对氢气的传感性能。4、研究了基于CVD石墨烯场效应晶体管（FET）气体传感器。以氨气为例，发现器件吸附氨气后载流子浓度会有明显变化，当器件暴露在1%氨气中时，其载流子浓度降低了3.73%。研究了钯纳米颗粒/CVD石墨烯FET传感器对氢气有灵敏响应，在1%的氢气中其载流子浓度降低了8.77%。5、发展基于硒化镓纳米片FET的新型传感器。该传感器电学性能对外部气体有很敏感的响应。暴露在1%的氨气中，其载流子浓度降低26.1%。修饰了钯颗粒的硒化镓纳米片FET对氢气有较高选择性响应，其载流子浓度也会随着吸附氢气而降低，暴露在1%的氢气中其载流子浓度降低了6.75%。

关键词：石墨烯硒化镓掺杂传感器

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二维硒化镓及其异质结的可控生长与物性研究

二维硒化镓及其异质结的可控生长与物性研究

作者：谭丽兰湖南大学

学位级别：硕士

石墨烯的卓越性能激发了人们对具有新颖电学和光学特性的二维层状材料的极大研究兴趣。作为类似于石墨烯的二维层状材料,具有原子厚度的IIIA金属硫属元素化物(金属=In,Ga;硫属元素=S,Se,Te)在电子和光电子领域显示出巨大的应用潜力。基... 详细信息

石墨烯的卓越性能激发了人们对具有新颖电学和光学特性的二维层状材料的极大研究兴趣。作为类似于石墨烯的二维层状材料,具有原子厚度的IIIA金属硫属元素化物(金属=In,Ga;硫属元素=S,Se,Te)在电子和光电子领域显示出巨大的应用潜力。基于这类具有宽光谱响应和可弯折光电探测器的材料已经被开发出来了。然而,要获得高性能的光电器件,在后续的研究中,仍然需要发展新的合成方法来获得大面积具有厚度可控、高结晶性和均匀性的高质量此类材料。因此,在本论文中,我们从理论和实验上研究了硒化镓(GaSe)及其异质结的制备和物理特性,重点研究了GaSe纳米片的形貌演变过程、晶体受控生长机理和基于GaSe纳米片光电探测器件的性能表现。在此论文中获得的研究结果主要体现如下:1.采用气相沉积法成功的制备了大尺寸的纳米片,并且通过控制晶体动力学参数实现了GaSe纳米片尺寸和形貌的可控制备。通过原子力显微镜、扫描电子显微镜分析了GaSe纳米片的形貌、厚度和成分。结果表明这些纳米片具有良好的结晶性和均匀性。此外,通过透射电子显微镜、拉曼光谱和光致发光光谱分析了GaSe纳米片的光学特性,进一步表明纳米片具有高的结晶质量,这为制备高性能的光电特性提供了材料基础。2.通过密度泛函理论计算并结合动力学Wulff构造理论,我们对观察到的GaSe纳米片的形状演变进行了解释,并提出了生长过程图,发现微观环境对于GaSe纳米片的生长有着重要的决定因素。通过控制Ga/Se比例可以控制材料的生长过程,进而实现GaSe晶体的控制生长。3.利用光刻技术和电极或样品转移制备方法,制作了基于GaSe的光电探测器。我们以405nm的激光器作为光源测试了纳米片的光电探测性能。结果表明,该器具有出色的光电性能,其响应度高达3000A/W,时间响应小于为0.7ms。4.制备关于BiSe/GaSe大面积薄膜异质结。通过AFM、Raman分析了异质结的形貌的厚度均匀性以及物性,表明该大面积薄膜异质结具有良好的均匀性和环境稳定性。

关键词：硒化镓二维材料生长机理光探测器异质结