復旦大學Nano Letters：集成晶格匹配Ⅱ型Se/n-Si異質結基高性能硅兼容大面積紫外-可見寬帶光電探測器

【引言】

光電探測器是將光訊號轉變成電訊號的光電器件，被廣泛應用于成像、光通訊、工業安全與軍事等各方面。構筑具有高靈敏度、寬光譜響應（或特定波段響應）、高響應速度的光電探測器是研究的重要方向之一。其中, 紫外-可見光寬帶光電探測器在照片成像、頻譜分析、環境監測、光譜學和可見光通信等方面顯示出特殊的潛力。紫外-可見光寬帶光電探測器通常基于具有適當的光響應區域, 指的是適當的帶隙約為1.7 eV的半導體。

Sb₂S₃、ZrS₃、CdS、CdSe、石墨烯氧化物和鈣鈦礦等多種具有適當帶隙的材料得到了廣泛的研究用于紫外可見光檢測器。作為一個穩定的合適材料，元素硒由于其優良的性能得到了越來越多的關注。除了其適當的帶隙（約1.7 eV），硒具有很高的抗氧化性和抗潮濕性, 超過其他具有類似帶隙的半導體, 如金屬硫化物, 金屬硒和鈣鈦礦。此外，其適度的熔點有利于氣相制造高質量的晶體。此外, 在光照后, 硒的電導率發生了顯著變化, 許多金屬半導體金屬 (MSM) 探測器都是基于硒材料開發的。然而, 這些 MSM 型器件具有硒材料的暗電阻, 限制了獲得高開/關比。

【成果簡介】

近日復旦大學方曉生教授課題組在Nano Letters上發表了題為“High-performance Silicon-compatible Large-area UV-to-visible Broadband Photodetector Based on Integrated Lattice-matched type II Se/n-Si Heterojunctions”的研究論文。文章提出并開發了一種金誘導，NH₄Cl輔助氣相合成的制備路線，以在晶格匹配（111）晶面取向的硅襯底上形成垂直對準的亞微米Se晶體，基于此構建了高性能的大面積硅兼容光電探測器。由于能帶結構和強不對稱耗盡區，制備的Se / Si器件在IR區域之前保持與硒器件類似的截止波長，以及在紫外-可見光波段內表現出高性能寬帶光響應。大面積光電探測器在-2 V偏壓下保持非常低的漏電流，并且在500 nm處具有62 nA較高的光電流，同時具有高達10³~10⁴的開/關比。當取消偏置電壓時可以清楚地觀察到光響應。脈沖響應精確地提供了較高的響應速度（τ_rise+τ_fall~1.975ms），超過當前文獻報告中最快的基于Se的光電探測器。其增強的光電特性和自力光響應主要來源于集成的高質量，具有晶格匹配和II型能帶匹配的Se / n-Si p-n異質結。

【圖文導讀】

圖1.金誘導，NH₄Cl輔助氣相合成制備的Se晶體

（a-c）在（111）硅片上制備的Se晶體

（d）在（100）硅片上制備的Se晶體

（e）采用CASTEP對Se(JCPDS#65-1060)-Si(JCPDS#06-0362)接觸的第一性原理結構優化結果

（f）Se晶體TEM圖像

（g）Se晶體HRTEM圖像

（h）三方晶系Se(JCPDS#06-0362)的晶體結構模型示意圖

（i-k）[100]，[110]，[010]晶帶軸的SAED圖像

（l）Se晶體EDS圖像

（m）分別在Si₍₁₁₁₎片和Si₍₁₀₀₎片上生長的Se晶體XRD測試結果

圖2. 在PDMS薄膜中半嵌入的Se晶體的SEM圖像

圖3. 光電性能示意圖

（a）分別在350 nm (1.12 mW cm^-2), 500 nm (1.52 mW cm^-2) 和600 nm (0.84 mW cm^-2)的光強下以及暗處的I-V曲線

（b）制備的Se/Si p-n異質結光電探測器在500 nm (1.52 mW cm^-2)光強下，分別在-2V和0V下的I-t曲線

（c）在-2V偏壓下Se/Si光電探測器對3 Hz 355 nm的激光脈沖的光響應（插圖：測試電路原理圖）

（d）在（c）圖中的單一周期脈沖響應

（e）計算得出的Se/Si p-n異質結光電探測器的響應率和探測率

（f）Se/Si p-n異質結光電探測器的EQE曲線

圖4.亞微米Se晶體的光學性能及Se/n-Si異質結的光伏效應

（a）亞微米Se晶體的吸收曲線和測得的光學帶隙

（b）Se/n-Si異質結的能帶結構圖

（c）在-2V偏壓下，500 nm光強下光電流與光密度的關系（插圖：該光強下光電流的變化）

（d）在-2V偏壓下，700 nm光強下光電流與光密度的關系（插圖：該光強下光電流的變化）

【結論與展望】

文章提出并開發了一種金誘導的NH₄Cl輔助的基于蒸氣的途徑，以在n型摻雜的Si（111）晶片上外延生長垂直排列的亞微米Se晶體。然后，基于集成的具有晶格匹配和II型能帶匹配的Se/n-Si p-n異質結構建了大面積硅兼容的紫外-可見光檢測器。高質量的p-n異質結和單晶p型和n型材料有效地保證了器件的高性能。Se/Si II型異質結的光伏效應和硒的光電導性質區域在Se吸收區域內的光響應，并且Se / Si器件通常保持硒在紅外波段以下的截止波長。其在較長波長處剩余的低響應度歸因于硅的光電導效應和增加的光熱效應。

文獻鏈接：High-performance Silicon-compatible Large-area UV-to-visible Broadband Photodetector Based on Integrated Lattice-matched type II Se/n-Si Heterojunctions（Nano letters，2018，DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00988）

本文由材料人電子電工學術組楊子鍵整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。