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硼酸表面处理对ZnxMg_(1-x)O量子点自驱动光电探测器性能的影响

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发光学报 2024年第9期45卷 1521-1530页

作者：何玥仪宋玺尧王浩然胡均义刘少尧周芩安成明范翊王云鹏王飞赵东旭中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 佛山大学物理与光电工程学院粤港澳智能微纳光电技术联合实验室广东佛山528231

氧化锌材料(ZnO)因其独特的物理和化学性质在自驱动光电探测领域中展现出巨大应用潜力。然而,目前基于ZnO材料的自驱动光电探测器存在结构复杂、响应时间长、响应度低等问题,难以满足实际应用需求。本文构建了一种结构简单、响应速度快... 详细信息

氧化锌材料(ZnO)因其独特的物理和化学性质在自驱动光电探测领域中展现出巨大应用潜力。然而,目前基于ZnO材料的自驱动光电探测器存在结构复杂、响应时间长、响应度低等问题,难以满足实际应用需求。本文构建了一种结构简单、响应速度快的ITO/ZnO量子点(QDs)/Au光电探测器,并提出了一种硼酸(BA)表面处理结合退火的处理工艺,成功降低了ZnO QDs薄膜中的表面态密度,提高了器件光电性能。器件在0 V下响应时间约为1 ms,开/关比达到104,响应度达到8.81 mA/W。将这一工艺应用在Mg2+掺杂ZnO量子点基光电探测器中,同样提高了器件的比探测率和响应度,获得了具有0.93 ms上升时间的高响应速度自驱动光电探测器,Mg2+掺杂量越高,器件的上升时间越短。这项工作证实了BA表面处理结合退火处理工艺对化学合成的ZnO材料性能具有普遍提升作用,有望广泛应用于ZnO基紫外光电探测器的性能优化中。

关键词：氧化锌量子点自驱动光电探测器溶液表面处理带隙调控

二硒化铂/超薄二氧化硅/硅异质结自驱动光电探测器

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二硒化铂/超薄二氧化硅/硅异质结自驱动光电探测器

作者：叶鹏浙江大学

学位级别：硕士

二维(2D)二硒化铂(Pt Se)具有带隙可调、载流子迁移率高、光电耦合高、空气稳定性强、宽光谱响应良好等特性。因此,Pt Se材料在高性能光电探测器(PD)和Si-CMOS技术集成的光电应用领域引起了广泛的研究兴趣。然而,目前基于2D材料的PD还... 详细信息

二维(2D)二硒化铂(Pt Se)具有带隙可调、载流子迁移率高、光电耦合高、空气稳定性强、宽光谱响应良好等特性。因此,Pt Se材料在高性能光电探测器(PD)和Si-CMOS技术集成的光电应用领域引起了广泛的研究兴趣。然而,目前基于2D材料的PD还面临着一些严峻的挑战,比如制备工艺复杂、成本高昂、光响应范围窄、响应度不够突出、比探测率低以及暗电流较高等,这使得2D PD在商业应用领域难以得到有效的推广。针对这些存在的挑战,本文提出了一种基于Pt Se/ultra-thin Si O/Si异质结结构的高性能、空气稳定、自驱动、宽光谱响应PD。在异质结界面上的超薄绝缘层可以抑制暗电流、改善二极管理想系数和提高内建电势差,从而提高光响应电流并使得该PD在下一代近红外光电器件中具有潜在的应用前景。具体的研究内容和成果如下所示:1、利用热辅助转化(TAC)工艺生长出了大面积、均匀的Pt Se薄膜,并制备了基于Pt Se/ultra-thin Si O/Si异质结的自驱动宽光谱响应PD。与传统Pt Se/Si异质结及基于类似2D材料的异质结PD相比,本研究器件具有优越性。2、在黑暗条件下研究了Pt Se/ultra-thin Si O/Si异质结探测器的电学性能,得到了暗电流为0.12 p A、整流比为5.7×10,理想因子为1.015和内建电势差为1.04 V。3、在零偏压和不同波段光照下,Pt Se/ultra-thin Si O/Si异质结PD表现出了优异的宽光谱(375-2000 nm)响应和自驱动特性。在零偏压和808 nm波长激光照射下,该探测器的响应度、开关比和比探测率(D)分别高达8.06 A W、1.29×10和4.78×10 Jones。而且,本器件在自然的环境中保存7个月前后的光电表征几乎没有衰退,验证了该器件的超强稳定性。4、器件制备工艺与硅基CMOS工艺兼容。基于Pt Se/ultra-thin Si O/Si异质结的9×9器件单元阵列在表现出各器件性能高度一致的同时也展现出了在成像传感和光轨迹追踪领域的应用潜力。

关键词：二维材料二硒化铂热辅助转化工艺硅基光电探测器自驱动光电探测器

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二硒化钨自供电光电探测器的性能调控研究

二硒化钨自供电光电探测器的性能调控研究

作者：张琦南昌大学

学位级别：硕士

二硒化钨（WSe2）是一种典型的二维层状半导体,在光电器件应用方面表现出广阔的应用前景。我们深入研究了WSe2与两种二维半金属材料（石墨烯与WTe2）所构建范德瓦尔斯异质结中的自驱动光电响应特性,并发展了一种利用应变工程调控光电响... 详细信息

二硒化钨（WSe2）是一种典型的二维层状半导体,在光电器件应用方面表现出广阔的应用前景。我们深入研究了WSe2与两种二维半金属材料（石墨烯与WTe2）所构建范德瓦尔斯异质结中的自驱动光电响应特性,并发展了一种利用应变工程调控光电响应的新手段,为自驱动光电器件的发展提供了崭新的思路和方法。首先,我们探究了基于WSe2/石墨烯范德瓦尔斯（vd Ws）异质结的自驱动光电探测器的性能,该器件表现出重复性好、稳定度高的光响应,同时显示出沟道电流受到栅压的强调控,当栅压为50 V时,响应度高达228 A/W。除此之外,器件在光照时零偏置电压下出现了明显的光伏特性,展现了器件的自驱动特性。其次,我们进一步探究了基于WSe2/WTe2范德瓦尔斯异质结构的自驱动光电探测器的性能。该光电探测器具有栅极可调的光电性能,以及独特的整流性能和显著的光伏行为,且可受门电压调控。在520 nm激光照射下,器件产生了1×10-9A的短路电流(Isc)和高达0.2 V的开路电压(Voc)。最后,探究了应变梯度提升反演对称性激活的体光伏效应,研究应变工程对材料光伏特性的调控作用,通过将其转移到图案化的衬底上实现了WSe2的面外应变。在这种结构中,我们观察到了应变梯度导致的WSe2的拉曼和PL峰位移,发现了应变梯度增强光响应的现象,同时观察到应变梯度导致的光伏特性。本论文工作聚焦于WSe2自驱动光电探测器的性能调控研究,制备的WSe2/石墨烯和WSe2/WTe2异质结构均表现出优异的光电响应和明显的光伏特性,获得了良好的器件性能,并且验证了应变工程调控光电响应新手段的可行性。

关键词：二维材料二硒化钨自驱动光电探测器范德瓦尔斯异质结光伏效应

基于CH3NH3PbBr3异质结的单波段/双波段光电探测器的研制

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基于CH3NH3PbBr3异质结的单波段/双波段光电探测器的研制

作者：沈雪敏江苏大学

学位级别：硕士

光电探测器是将光信号转换成电信号的光电子器件,自驱动单波段/双波段宽光谱、窄光谱和波长可选择光电探测器可以有选择性地探测光谱信号,在通讯、成像与目标物识别、智能传感、环境监测等领域具有重要应用,是构建物联网和智能化信息社... 详细信息

光电探测器是将光信号转换成电信号的光电子器件,自驱动单波段/双波段宽光谱、窄光谱和波长可选择光电探测器可以有选择性地探测光谱信号,在通讯、成像与目标物识别、智能传感、环境监测等领域具有重要应用,是构建物联网和智能化信息社会不可缺少的元器件。异质结是由两种不同半导体结合形成的一种结构,它简化了自驱动光电探测器的制备工艺,同时可以实现对器件光谱探测范围进行调控。本论文针对已报道单波段窄光谱光探测性能较低、宽光谱与双波段波长可选择光探测易受环境影响等不足,围绕CHNHPbBr（MAPbBr）钙钛矿异质结,设计和调控异质结光强和内建电场的分布,结合双面钝化界面缺陷策略,制备出高性能自驱动单波段/双波段宽光谱、窄光谱和波长可选择光电探测器。具体内容如下:（1）构建了MAPbBr微米单晶/Si异质结器件,利用MAPbBr微米单晶的自滤光效应,获得了半高宽仅为21 nm的单波段窄光谱光探测的结果,结合AlO双面钝化异质结界面缺陷策略,0 V偏压下器件的光响应度和比探测率分别高达0.39 A/W和8.45×10 Jones,性能与商用Si探测器相当。（2）构筑了新型MAPbBr/PZT铁电异质结光电探测器,利用PZT退极化场和MAPbBr/PZT界面电场调控载流子的输运,获得了自驱动紫外-可见光宽光谱和双波段波长可选择光探测的结果。采用界面工程策略,基于Au界面层获得了优异铁电性的PZT薄膜。在此基础上获得了300-360 nm光照下光电流是正的,360-560 nm光照下光电流是负的MAPbBr/PZT铁电异质结光电探测器,其中0V偏压下光响应度分别为+0.22 m A/W和-0.032 m A/W,器件可实现对300-560 nm紫外-可见光宽光谱和300-360 nm紫外光/360-560 nm可见光双波段波长可选择的光探测。本研究基于MAPbBr钙钛矿异质结制备了高性能自驱动单波段/双波段宽光谱、窄光谱和波长可选择光电探测器,研究成果为研制新型多功能光电探测器提供借鉴。

关键词：自驱动光电探测器单波段双波段波长可选择 MAPbBr3

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基于铁电光伏效应的高效光电探测器的研究

基于铁电光伏效应的高效光电探测器的研究

作者：时雪如东南大学

学位级别：硕士

低功耗,高灵敏度、高响应度的光电探测器一直是研究人员关注的焦点。铁电光伏效应能够实现光电探测器的自驱动的特性,但是其自身的光电流密度小限制了器件的灵敏度和响应度。在实现光电探测器件的自驱动特性下,如何提升光电流密度值得... 详细信息

低功耗,高灵敏度、高响应度的光电探测器一直是研究人员关注的焦点。铁电光伏效应能够实现光电探测器的自驱动的特性,但是其自身的光电流密度小限制了器件的灵敏度和响应度。在实现光电探测器件的自驱动特性下,如何提升光电流密度值得研究者的探讨。本文构建了基于Ba(ZrTi)O-x(BaCa)Ti O（BZT-x BCT）和铁酸铋Bi Fe O（BFO）两种铁电多晶陶瓷膜材料的自驱动光电探测器。通过研究退极化电场、挠曲电电场、不对称电极引起的肖特基势垒等因素提高内建电场的强度,通过提高内建电场的强度、优化光的吸收性能和优化器件厚度来提高光电流密度,进而提升光电探测器的性能。具体工作如下:（1）用传统的固相反应法成功制备出BZT-x BCT（x=0.3,0.4,0.5,0.6,0.7）多晶陶瓷膜和水热法制备了BiSmFeCoO（x=0或0.05,y=0、0.025、0.05或0.1）多晶陶瓷膜,构建基于铁电光伏效应的自驱动光电探测器。通过XRD、SEM、EDX研究了材料的相结构和微观形貌,发现材料纯度高、结晶性好。当元素掺杂过量时,会导致Bi Fe O中出现杂质相。相比于BZT-0.5BCT陶瓷膜,BiSmFe O（5-BSFO）陶瓷膜的致密度更低,存在一定量的气孔。（2）研究了样品的不同成分对于光的吸收性能、铁电性能和介电性能的影响。研究发现BiSmFeCoO的响应范围比BZT-x BCT更宽,在可见光区的吸收系数更大。在BZT-x BCT体系中,当x=0.5时,铁电陶瓷膜具有最大的剩余极化强度和最大的介电性能。由于Bi元素的挥发,BiSmFeCoO具有较高载流子浓度和较高的漏电流,从而降低了铁电和介电性能。（3）研究了样品不同成分的光电流响应,发现不同成分的陶瓷膜均能够响应405nm的光。在BZT-x BCT体系中,Pt/BZT-0.5BCT/Pt光电探测器对405 nm的光具有最高的响应电流,这证实了剩余极化强度最大,分离光生载流子的效率最高,表现出的光电流最大。在BiSmFeCoO的体系中,Pt/5-BSFO/Pt光电探测器的光电流响应最大。利用Ag-Pt不对称的表面电极形成的不对称肖特基势垒有利于载流子的导出和优化器件的厚度进一步提升了器件的光电流响应。制备的Ag/BZT-0.5BCT/Pt光电探测器在探测功率密度为154.6 m W/cm的405 nm光时,产生了67.3 n A/cm的热释电-光伏耦合电流,器件的灵敏度达到0.38 n A/m W。相同条件下,制备的Ag/5-BSFO/Pt器件产生的光电流密度则达到了78.86μA/cm,比Ag/BZT-0.5BCT/Pt器件的光电流密度大了三个数量级。Ag/5-BSFO/Pt器件的灵敏度达到了2.71μA/m W,比Ag/BZT-0.5BCT/Pt器件的灵敏度大了四个数量级。通过拉曼研究了5-BSFO陶瓷膜厚度方向上的结构畸变,发现在厚度方向上存在Bi/Sm成分梯度导致的应变梯度,因此在陶瓷膜内部存在挠曲电电场。

关键词：铁电光伏退极化场挠曲电电场自驱动光电探测器

GaSe基二维半导体异质结制备及其光电性能研究

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GaSe基二维半导体异质结制备及其光电性能研究

作者：贺振北电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,基于纳米级厚度二维材料光电探测器的报道层出不穷。二维材料可以像堆乐高积木一样将任意两种能带不同的二维材料堆叠在一起形成异质结,有利于扩展光电探测器的探测范围。针对目前GaSe展现出的优异光电特性和存在的缺陷,我们系... 详细信息

近年来,基于纳米级厚度二维材料光电探测器的报道层出不穷。二维材料可以像堆乐高积木一样将任意两种能带不同的二维材料堆叠在一起形成异质结,有利于扩展光电探测器的探测范围。针对目前GaSe展现出的优异光电特性和存在的缺陷,我们系统研究了GaSe基异质结光电探测器。探索了利用机械剥离法制备二维材料,成功剥离出薄层二维GaSe和MoS薄片,并搭建了二维材料转移系统,实现了二维材料的转移和原位堆叠。为了研究GaSe材料本征的光吸收特性,首先制备了基于GaSe的金属-半导体-金属(MSM)光电探测器。在光照下,GaSe基MSM器件展现出较强的光吸收特性,时间响应约为20 ms。在此基础上,制备了具有Ni/Au电极的GaSe/MoS异质结光电探测器,由于光伏效应的存在,该器件具有自驱动性。在光照下,光电流的大小随着入射光功率的增强线性增加。具有Ni/Au电极的GaSe/MoS异质结光电探测器的响应率、外量子效率、比探测率最大分别达到111 mA/W、31%和5.7×10cmHz/W,该器件的时间响应为620μs,响应速度是GaSe基MSM光电探测器的32倍。然而,基于Ni/Au电极的GaSe/MoS异质结光电探测器在近红外波段的光电响应很微弱。通过理论分析我们发现,接触电极与GaSe和MoS间的肖特基接触对器件光电探测性能具有不利的影响。而通过进一步的实验研究我们发现,各种金属电极与GaSe和MoS间的肖特基接触难以避免,因此,我们探索了与GaSe和MoS间都具有欧姆接触导电特性的ITO电极。得益于ITO电极与GaSe和MoS间良好的欧姆接触,具有ITO电极的GaSe/MoS异质结光电探测器的响应率、外量子效率、比探测率最大分别达到670 mA/W、160%和2.3×10 cmHz/W,器件的时间响应为155μs,响应速度是具有Ni/Au电极的GaSe/MoS异质结光电探测器的4倍,同时是之前相关报道的300倍左右。相比于具有Ni/Au电极的GaSe/MoS异质结光电探测器,具有ITO电极的GaSe/MoS异质结光电探测器在808 nm波长的近红外光处,响应率、外量子效率和比探测率分别提高了90倍、100倍和60倍。以上研究结果表明,电极的接触模式在增强GaSe/MoS异质结光电性能中发挥了关键作用,为基于新型二维材料光电探测器的研究提供了新思路。另外,基于ITO电极的二维材料光电探测器有希望集成在玻璃等透明基底上,具有广阔的应用前景。

关键词： GaSe/MoS2异质结欧姆接触自驱动光电探测器近红外响应