Adv. Funct. Mater. :高溫下長效穩定服役的高性能SiC納米帶光電探測器

【引言】

隨著科技的不斷的發展，探索能在高溫等惡劣條件下穩定服役的光電探測器(PD)，是當前研究的挑戰之一。常規硅半導體基PD的工作溫度通常低于125℃，難以滿足上述應用。碳化硅(SiC)是第三代半導體，具有寬禁帶、高擊穿場強、高熱導率以及突出的穩定性，在研發高溫、高壓、高功率和高輻射等苛刻工作環境下服役的光電器件上，優勢顯著。此外，與傳統體材料相比，一維納米結構具有近完美的晶體結構、高比表面積以及與其尺寸相當的德拜長度，且其一維結構能夠強化其載流子輸運，有利于構筑具有高響應度、快速響應速度和高外量子效率(EQE)的PD。

【成果簡介】

近日，寧波工程學院楊為佑教授、北京科技大學侯新梅教授、復旦大學方曉生教授(共同通訊作者)等采用有機前驅體熱解工藝，合成了B摻雜3C-SiC納米帶，實現了以3C-SiC納米帶光電探測器(PD)的研發，相關成果在Adv. Funct. Mater.上發表了題為“High-Performance SiC Nanobelt Photodetectors with Long-Term Stability Against 300 °C up to 180 Days”的研究論文。該PD在405 nm光激發下，具有6.37×10⁵ A·W^-1的響應度和2.0×10⁸%的外量子效率，探測率為6.86×10¹⁴ Jones。此外，B摻雜3C-SiC納米帶PD在300℃高溫下180天內，展現出良好的長效穩定性。

【圖文簡介】
圖1 B摻雜納米帶的形貌表征

a-c) 不同放大倍數下B摻雜納米帶的SEM圖；
d) 單根B摻雜納米帶的TEM圖；
e) d圖中A區域的相應SAED圖；
f) B摻雜前后納米帶的XRD圖。

圖2 B摻雜的3C-SiC納米帶的表面元素分析

a) B摻雜3C-SiC納米帶的XPS全譜；
b) B摻雜3C-SiC納米帶的Si 2p XPS譜；
c) B摻雜3C-SiC納米帶的C 1s XPS譜；
d) B摻雜3C-SiC納米帶的B 1s XPS譜。

圖3 B摻雜SiC納米帶的光吸收特性及其PD構筑

a) B摻雜前后SiC納米帶的吸收光譜；
b) B摻雜前后納米帶的帶系變化曲線圖；
c) 單根SiC納米帶PD結構示意圖；
d) 單根SiC納米帶PD的SEM圖。

圖4 B摻雜SiC納米帶光PD的I-V特性

a,b) 單根未摻雜和具有不同B摻雜量的SiC納米帶PD在黑暗和405 nm光照下I-V曲線；
c,d) 5V偏壓下，0.31 mol% B摻雜SiC納米帶PD在黑暗和405 nm光照下I-V和對數I-V特性曲線。

圖5 B摻雜SiC納米帶PD的響應速度

a) 在405 nm光照、5 V偏壓下，單根0.31 mol% B摻雜SiC納米帶PD的開/關特性；
b,c) 1 Hz頻率斬波的405 nm光脈沖照射下的瞬態響應。

圖6 B摻雜SiC納米帶光PD的光譜響應率和外量子效率

a) 5.0 V偏壓、波長范圍為250-700 nm時，0.31 mol% B摻雜單根SiC納米帶PD的光響應；
b) 不同波長下PD的外量子效率和探測率；
c) 5V偏壓下，不同光強下PD的時間-響應曲線；
d) 在入射光波長405 nm下光電流隨光強的變化。

圖7 B摻雜SiC納米帶PD的高溫穩定性

a) 在5.0 V偏壓、405 nm光照下，B摻雜SiC納米帶PD在25-300 ℃不同溫度下的光響應曲線；
b) B摻雜SiC納米帶PD在室溫和300℃下180天服役的I-t特性。

【小結】

綜上所述，作者實現了B摻雜SiC納米帶高性能PD研發，在405 nm光激發下的響應度為6.37×10⁵?A·W^-1，外量子效率為2.0×10⁸ %，探測率為6.86×10¹⁴ Jones，響應時間為0.05 s，并且在300℃高溫環境下展現出180天的長效穩定性，表明該PD在高溫等苛刻服役條件下，具有潛在的應用前景。

文獻鏈接：High-Performance SiC Nanobelt Photodetectors with Long-Term Stability Against 300 °C up to 180 Days (Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201806250)

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