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宽禁带二维半导体在光电探测器中的应用

宽禁带二维半导体在光电探测器中的应用

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作者：李洁河南师范大学

学位级别：硕士

宽带隙二维范德瓦尔斯（2D vd W）材料在半导体器件研究中引起人们的兴趣。由于其特殊的宽带隙能带结构,使得其在光电探测等方面发展迅速。然而,仍有一些因素限制了宽禁带二维半导体材料的性能,开发具有高响应度和快速响应的良好光电探... 详细信息

宽带隙二维范德瓦尔斯（2D vd W）材料在半导体器件研究中引起人们的兴趣。由于其特殊的宽带隙能带结构,使得其在光电探测等方面发展迅速。然而,仍有一些因素限制了宽禁带二维半导体材料的性能,开发具有高响应度和快速响应的良好光电探测器仍然具有挑战性。硒化锗（GeSe）作为二维宽带隙半导体（WBSs）的典型成员,因其优异的柔性、优越的环境稳定性、超高的紫外吸收系数和显著的光谱选择性,在紫外光电探测领域显示出巨大的潜力。然而,基于GeSe的紫外探测器存在工作电压高、光电流小的问题,阻碍了其实际成像应用。在本文中,构建了垂直堆叠的石墨烯/GeSe/石墨烯范德华异质结,获得了具有优异性能的光电探测器;还基于宽禁带SnS材料设计了一种近裂隙GeSe/SnS/InSe异质结构自供电光电探测器,实现了高灵敏度的宽带光电探测。主要的研究结果为:（1）采用机械剥离和干法转移制备了垂直堆叠的石墨烯/GeSe/石墨烯范德华异质结,系统分析了不同厚度GeSe的载流子传输机制和几个重要光电参数。通过石墨烯电极在GeSe中高效收集光激发载流子,从而获得了出色的紫外检测性能。当用405 nm波长的激光照射时,响应度达到了37.1 A W、比探测率为8.83×10 Jones以及在355 nm光照下显示出10～5的超高开/关比。此外,在GeSe和石墨烯之间建立肖特基势垒并减小通道长度,可将光响应速度提高到300μs。解决了其在实际应用中的超低光电流（p A）和高工作电压,高功耗的问题。这些发现为未来垂直二维范德华异质结构光电探测器的应用奠定了基础。（2）将SnS作为空穴势垒层,制备了一种近裂隙的GeSe/SnS/InSe异质结构的高性能自供电宽带光电探测器。该器件显示出0.57 V的超高开路电压(V),在355 nm处具有1.87 A W的高功率响应率,以及自供电模式下8μs的快速响应时间。基于近裂隙的能带排列,具有高电子迁移率的InSe层可以有效地收集来自GeSe层的光生电子,以提高转换效率。此外,界面处的单极空穴势垒可以抑制Langevin重组,从而导致V增强。值得注意的是,器件中光电流的各向异性比增强到3.5,高于GeSe光电探测器和其他各向异性器件。这项工作为实现高灵敏度偏振敏感宽带光电探测器提供了机会。

关键词：宽禁带半导体 GeSe2 偏振近裂隙宽带光电探测器

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