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基于面内黑磷p-n同质结的高性能近红外光电探测器
发表时间:2020-04-09  点击:291

基于面内黑磷p-n同质结的高性能近红外光电探测器

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一、研究背景

覆盖780至3000 nm波长的近红外(NIR)光电探测器在通讯、近红外光谱分析、生物医学和化学传感等许多方面都发挥着重要作用。NIR光电探测器通常依赖于窄带隙(0.4-1.6 eV)材料,例如硅,InGaAs,InAs等。然而,这些传统的近红外光电探测器如今遇到了一些严峻的挑战,例如,由于宽带隙的存在,硅基光电探测器仅限于约900 nm的探测波长。二维(2D)材料,例如石墨烯,TMDCs等,由于其独特而卓越的性能而成为了高性能光电探测器的理想材料。但是,由于光吸收弱和寿命短,石墨烯光电探测器表现出非常低的光响应,而MoS2的大带隙限制了它只能在可见光和紫外线范围内运行,低载流子迁移率也限制了光电探测器的响应时间。对于红外范围内的高性能光电探测器来说,具有直接小带隙和高迁移率的新型2D材料已成为必需。

近来,研究发现黑磷是2D电子学和光电子学(包括高性能光电探测器)的极佳候选者。BP具有随厚度变化的直接带隙,从0.3 eV(块材)到2 eV(单层),这使BP成为宽谱光电探测的有希望材料,特别是对于近红外和中红外应用。然而,由于弱的光吸收和光生载流子分离效率,与传统的近红外光探测器相比,BP的光响应率仍然很低。通过将BP与其他n型材料堆垛来构筑p-n异质结,已被证明是提高BP光电探测器性能的有效方法。通过p-n结,光生电子-空穴对可以通过内建电场有效分离,这可能会抑制电子-空穴对的复合速率。在反向偏压下,p-n结表现出较低的暗电流和良好的量子效率,从而可以提高光电探测器的性能。

 

二、工作简介

有鉴于此,近日,中国科学院苏州纳米所张凯研究员和上海技物所王林研究员(共同通讯作者)合作报道了基于面内BP p-n同质结的高性能近红外光电探测器p-n结的强内建电场可以通过偏置和栅压进行调制,从而可以有效地分离光生电子-空穴对,因此导致增强的光电流和更快的光响应。与原始BP相比,在1550 nm下BP p-n同质结的光响应率提高了50倍。面内BP p-n同质结光电探测器的响应时间比原始BP和其他横向同质BP p-n结提高了两个数量级。令人着迷的是,BP p-n光电探测器还表现出可见-红外双波段探测能力,并具有良好分离的光谱响应,为智能识别红外目标开辟了可行性。文章以“High performance near infrared photodetector based on in-plane black phosphorus p-n homojunction”为题发表在著名期刊Nano Energy上。

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1. 面内BP p-n同质结的结构和电学性能。

1a给出了背栅p-n同质结的示意图,其中BP薄片的未覆盖部分用作p型沟道,而由于K+中心的静电掺杂,被SixNy覆盖的BP成为n型沟道。图1b展示了BP p-n同质结的典型光学图像,其中一半的BP沟道被SixNy薄膜覆盖。与原始BP相比,n掺杂BP的拉曼峰移至更低的波数,这是由于电子-声子相互作用的改变所致。原始BP的转移特性(图1e,红线)在阈值栅压位于12 V时表现出典型的p型行为,空穴和电子迁移率分别约为800 cm2V-1s-162 800 cm2V-1s-1。而在用一层SixNy薄膜覆盖后,BP表现出n型行为,狄拉克点负移至-22 V(图1e,蓝线)。电子迁移率增加到134 800 cm2V-1s-1,与空穴电流相同。BP p-n同质结的输出特性(图1f)表现出明显的整流行为。整流比随背栅电压的降低而增加,施加-40 V的栅压时,在VDS=-1/+1 V时的最大整流比为~103。如此高的整流比是由于栅压下空穴和电子传导分支的强烈不对称性所致,同时部分SixNy覆盖的BP p-n同质结的结构对于各种厚度的BP都有效。

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2. 面内BP p-n同质结光响应的空间分布。

除了输运特性,还研究了BP p-n同质结的光电性能。为了研究光电流产生的空间分布,如图2a所示,选择了沟道长度约为30 μm的器件以获取更多不同区域的空间信息。但是,根据相位角(图2d中红线),当激光光斑从n区域扫描到p区域时,光电流以180°相变改变其符号,这表明在电荷中性区(即p和n区)和p-n结的耗尽区之间有不同的漂移-扩散机理。由于内建电场,可防止在p区产生的空穴和n区的电子穿过结区并积累在这些分离的区域中。虽然只有少数载流子在p-n结区域附近产生,但在内建电场作用下会发生漂移,从而在p-n结处产生更大的光电流。相反,多数载流子的扩散输运在p和n型电荷中性区占主导地位,生成的少数载流子在到达p-n结之前被p和n区中的空穴和电子迅速重新复合。因此,与原始的BP相比,p-n结的出现可以主要增强漂移的光电流并改善光电性能。

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3. p-n同质结光电探测器上的偏置和栅极调制。

为了了解不同电压对p-n结性能的调制效果,对光响应的源极-漏极(VDS)和栅极(VBG)偏置依赖性进行了深入研究。光照时,当光子能量大于带隙,电子-空穴对被吸收的光子激发。由于内建电场,p区域的空穴和n区域的电子被阻塞并聚集在结区域附近,只有少数载流子(n区域中的空穴和p区域中的电子)可以漂移穿过结区域。在正向偏压下,耗尽区变窄并伴随着内建电场的减小,这使得光激发的电子-空穴对非常快速地复合,从而导致较小的光电流(图3c上图)。当背栅电压为正时,由于费米能级向导带的上移,p掺杂BP耗尽,而由于钉扎效应,n掺杂BP的费米能级几乎保持不变。因此,由于缺少空穴来补偿n掺杂BP中的电子,BP p-n结的内建电场减小,这导致了低效率的电荷分离(图3d上图)。当背栅电压为负值时,p掺杂BP的费米能级朝价带移动,从而导致内建电场增大,从而在p-n结上实现更有效的电荷分离以及增大的光电流(图3d下图)。 图3e给出了在940 nm照射下光电流偏压依赖性的轮廓图。类似地,在该图中还可以发现光电流的显著不对称性,其中反向偏置下的光电流几乎是正向偏置下的光电流的三倍。偏压和栅压依赖的光电流表明,可以通过调制偏压和栅电压来进一步优化面内BP p-n同质结光电探测器的性能。

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4. 面内BP p-n同质结光电晶体管的光响应。

为了研究BP光电晶体管中同质p-n结的探测能力,进一步研究了BP光电晶体管的光响应特性。通过在恒定的反向偏压(VDS=0.1 V)和负栅极偏压(VBG=-40 V)下照射波长为1550 nm的激光进行测量。光电探测器的响应时间主要由载流子到电极的漂移时间决定。对于光电导探测器,较短的电子-空穴对复合时间始终会导致响应变慢。此外,在层状半导体中仍存在光栅效应,并且局部陷阱会延长电子-空穴对的复合时间。相反,对于像此处p-n结这样的光电二极管探测器,光生载流子在内建电场下漂移并更快地到达电极,从而导致快速响应。与面外异质结相比,面内同质结可以避免半导体之间的界面,因为它们会散射电子和空穴,不利于器件的工作,从而提高光响应并缩短响应时间。

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5. 使用p-n同质结BP光电晶体管进行双波段探测。

BP p-n同质结光电探测器从可见光到近红外光的归一化光响应光谱如图5a所示。光响应率在600 nm和1500 nm附近显示两个峰值,分别对应于可见光和近红外区域。DBDT提供的信息是在复杂环境中提高侦察能力的重要手段之一,它可以根据双辐射类型的可分辨光谱响应来确定目标。特别是,具有明确定义的光谱响应与来自物体的光谱响应相称的双波段探测器,在救援、遥感资源和环境监测领域至关重要。为了阐明BP p-n同质结探测器的双波段应用能力,还对与两个特征光谱带相对应的两个中心波长进行了成像实验,其中实验装置如图5b所示。图5c显示了一个由中空金属环组成的物体,可以发现由于丙烯酸玻璃的阻挡,在光谱的可见部分只能分辨出环的上部。相反,整个物体可以在红外波段清楚地显示出来,展示了用于隐藏物体探测的肉眼不可见辐射。BP p-n结探测器的性能对于智能识别红外物体是非常有前途的。

三、总结与展望

本文通过SixNy中K+中心的强场致掺杂效应实现了BP的n型掺杂,构筑了均匀的面内BP p-n结光电晶体管。所制备的器件表现出理想的整流行为,并且由于形成了面内p-n同质结而引起了强烈的光响应。反向偏压和负栅压更有利于在结区处生成强大的内建电场,并导致突然增加的光电流和更快的光响应。与原始BP光电导探测器相比,BP p-n光电二极管的响应率提高了50倍。BP同质结器件的响应时间也比原始BP和其他横向同质BP p-n结提高了两个数量级。BP p-n同质结光电探测器还展示出具有良好光谱响应的可见-红外双波段探测能力。本文的研究为制备高性能BP 2D NIR光电探测器提供了一条有希望的途径,并为在其他2D半导体中使用该概念铺平了道路。

四、文献信息

High performance near infrared photodetector based on in-plane black phosphorus p-n homojunction(Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104518)

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