中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
窄帶隙半導體（如GaSb納米線(xiàn)）因高表面體積比導致表面態(tài)豐富、載流子濃度高，引發(fā)暗電流大、光暗電流比低、響應速度慢等問(wèn)題，制約近紅外探測性能。表面鈍化、范德華集成等方法仍存在穩定性或工藝復雜性挑戰。構建II型異質(zhì)結，利用內建電場(chǎng)促進(jìn)光生載流子分離，實(shí)現自供電探測，避免外部偏壓需求。GaSb納米線(xiàn)（NW，帶隙0.72 eV，高遷移率）與Bi?O?Se納米片（NS，帶隙0.8 eV）形成能帶匹配的異質(zhì)結。
近日，山東大學(xué)研究團隊提出了一種新型混合維度（GaSb納米線(xiàn)/Bi?O?Se納米片）II型異質(zhì)結的構建及其在自供電近紅外光電探測與光通信中的應用。通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）制備材料，結合接觸印刷技術(shù)形成有序納米線(xiàn)陣列異質(zhì)結。該異質(zhì)結憑借~140 meV的內置電場(chǎng)，實(shí)現了超低暗電流（0.07 pA–0.08 pA）、高光暗電流比（82–182）和超快響應（<2/2 ms–6/4 ms）。該異質(zhì)結器件在零偏壓下展示了寬帶近紅外探測能力，并成功應用于成像和光通信系統，為高性能自供電光電探測器提供了新平臺。這項研究以“Mixed-Dimensional Nanowires/Nanosheet Heterojunction of GaSb/Bi2O2Se for Self-Powered Near-Infrared Photodetection and Photocommunication”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊上。
GaSb納米線(xiàn)和Bi?O?Se納米片是在雙區管式爐中通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制備的。GaSb納米線(xiàn)和Bi?O?Se納米片通過(guò)PMMA輔助濕轉移法構建混合維度異質(zhì)結。該異質(zhì)結的結構表征、表面電位差分布如圖1所示。
圖1 GaSb納米線(xiàn)/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結的構建
在成功構建納米線(xiàn)/納米片異質(zhì)結后，研究人員探究了該器件的光探測行為。得益于GaSb和Bi?O?Se的窄帶隙，所制備的納米線(xiàn)、納米片和納米線(xiàn)/納米片異質(zhì)結光電探測器都表現出寬帶光探測能力，相關(guān)結果如圖2所示。
圖2 GaSb納米線(xiàn)、Bi?O?Se納米片及GaSb納米線(xiàn)/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結的光電探測行為
內置電場(chǎng)有助于GaSb納米線(xiàn)/Bi?O?Se納米片異質(zhì)結光電探測器的自供電近紅外光探測行為，在520 nm和1310 nm激光照明下，研究人員還進(jìn)一步探究了納米線(xiàn)/納米片異質(zhì)結光電探測器的自供電光探測行為，相關(guān)結果如圖3所示。
圖3 GaSb納米線(xiàn)/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結的自供電近紅外光探測性能
有序納米線(xiàn)陣列被認為是光電子器件大規模集成的有前途的候選者。圖4研究了GaSb納米線(xiàn)陣列和GaSb納米線(xiàn)/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結光電探測器的光電探測行為。結果表明，該器件的出色的光探測性能使納米線(xiàn)陣列/納米片混合維度異質(zhì)結成為自供電近紅外光探測的有效策略。
圖4 GaSb納米線(xiàn)陣列和GaSb納米線(xiàn)/Bi?O?Se納米片混合維度異質(zhì)結光電探測性能
最后，研究人員基于納米線(xiàn)陣列/納米片混合維度異質(zhì)結自供電光電探測器進(jìn)行單像素成像和光通信應用，相關(guān)結果如圖5所示。結果顯示，該異質(zhì)結器件憑借其超快光響應和卓越的感光靈敏度，在近紅外成像和光通信方面具有廣闊的前景。
圖5 成像與光通信應用演示
綜上所述，這項研究成功構建GaSb納米線(xiàn)/Bi?O?Se納米片混合維度II型異質(zhì)結。該異質(zhì)結器件在零偏壓下實(shí)現高性能自供電近紅外探測：超低暗電流（0.07–0.08 pA）、高光暗電流比（82–182）、超快響應（<2–6 ms）。納米線(xiàn)陣列異質(zhì)結進(jìn)一步增大光電流（提升2倍），適用于成像與光通信。這項研究演示了自供電近紅外成像和光通信功能，為物聯(lián)網(wǎng)和低功耗光電子器件提供新方案。
