中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
摘要：通過(guò)化學(xué)氣相沉積可控制備出不同長(cháng)寬比的硒氧鉍納米晶體，基于合適寬度納米帶結構，并在敏感層與電極之間引入肖特基接觸，成功制備出低噪聲快速響應的寬光譜光電探測器。
關(guān)鍵詞：低維Bi2O2Se晶體，光電探測器，低噪聲，快速響應
低維硒氧鉍（Bi2O2Se）由于其合適的電子帶隙 (≈0.8 eV）、高載流子遷移率(300 K時(shí)≈450 cm2 V?1 s?1）、良好的空氣穩定性和環(huán)境無(wú)毒性，使其成為可見(jiàn)–近紅外光電探測的理想選擇。然而，其高載流子濃度導致基于Bi2O2Se納米片的探測器存在較大暗電流。為了解決這個(gè)問(wèn)題，此前的研究主要通過(guò)柵極電壓調節和構建異質(zhì)結構來(lái)限制暗電流。但施加極高的柵極電壓增加了器件的功耗，構建異質(zhì)結構增加了工藝的復雜性。此外，所報道的Bi2O2Se光電探測器在近紅外波段較慢的響應速度（毫秒級），限制了其在高速檢測中的應用。作者針對這上述問(wèn)題構建了Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au結構，成功制備了高性能的光電探測器：通過(guò)納米帶結構極大地限制器件的暗電流，Au/Bi2O2Se之間的肖特基勢壘極大地提升光響應速度。 具體而言，通過(guò)化學(xué)氣相沉積可控制備了不同寬度的Bi2O2Se納米晶體。相比于納米片（寬度W>5μm）結構，納米線(xiàn)(W<1μm)和納米帶(1μm<w<5μm)< span="">結構需要更低的沉積溫度和壓強，同時(shí)它們的生長(cháng)取向僅存在三個(gè)角度（互為60°），這與云母襯底K原子對Se原子因靜電作用而產(chǎn)生的約束相關(guān)?；诓煌瑢挾菳i2O2Se納米晶體制備了光電導探測器，寬度分別為0.5μm、3μm和18 μm，實(shí)驗結果驗證了寬度為3 μm的納米帶光電導器件擁有更好的探測性能：納米帶探測器的暗電流相比納米片探測器下降四個(gè)數量級，而亮電流僅下降一個(gè)數量級。即納米帶器件的信噪比比納米片器件高三個(gè)數量級。而對于納米線(xiàn)器件，在暗電流下降的同時(shí)引起了光電流的急劇下降，對器件性能提升不大。因此，Bi2O2Se納米帶被認為是更有可能實(shí)現高性能探測的材料平臺。此外，通過(guò)Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au結構實(shí)現了肖特基接觸，極大地提升了響應速度。得益于肖特基勢壘區高強度電場(chǎng)，產(chǎn)生在這一局部區域地光生載流子迅速漂移至電極形成光生電流，這要比歐姆接觸型器件中均一分布的電場(chǎng)擁有更高的載流子解離效率和漂移速度。器件在405nm-1550nm表現出較高的探測性能，最佳響應度、比探測率和-3dB帶寬分別達到了3.27×105 A/W、3.28×1013 Jones和81 kHz，在1550nm近紅外波段，上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為313μs和229μs。 Figure 1. Optoelectronic response over a wide spectral range. a) Photocurrent distributed mapping between 405 and 1550 nm at different biases. b) The corresponding NEP limited by 1/f noise at 1 Hz and 81 kHz. c) The EQE values at different wavelengths. d) Normalised Iph at 1550 nm for evaluation of the response speed. e) The optimal responsivities and response times at wavelengths ranging from 405–1550 nm. f) Variation in D* as a function of the light intensity at wavelengths ranging from 405–1550 nm 相關(guān)結果以“High-Performance Visible to Near-Infrared Broadband Bi2O2Se Nanoribbon Photodetectors”為題發(fā)表在Advanced Optical Materials上（DOI: 10.1002/ adom.202201396）。文章第一作者為電子科技大學(xué)碩士生魏于超，通訊作者為其導師陳超副研究員和王軍教授，此研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（Nos. 61922022, 61875031, 62104026）支持。
