王中林院士ACS Nano：壓電光電子學效應實現Si基近紅外探測器光響應度提高數百倍

【引言】

近紅外波段光探測由于其在生物成像、通信、環境監測、醫療、光譜學等方面的應用而引起了廣泛的關注。在過去幾十年中，基于單晶InGaAs、PbS量子點、二維層狀材料、有機半導體、光電倍增管等光探測器顯示了良好的紅外光響應性能，但它們大多具有較高的成本、復雜的制造工藝和嚴格的工作環境等限制。此外，同時優化光響應度和響應速度仍然是提升光探測器性能面臨的挑戰。

作為當今光電子器件最重要的基板之一，硅通過與其他半導體材料相結合在光電探測領域展示出巨大的潛力。硅基光探測器具有寬的光譜響應以及良好的兼容性。盡管硅的吸收波長覆蓋了紫外到近紅外的寬光譜范圍，但是由于在近紅外波段低的光子激發能和較弱的光吸收性，大多數現有的硅基光探測器主要應用在可見光譜范圍內（低于800nm的波長）。因此，提高硅基光探測器在近紅外波段的光響應性能具有重要意義。

【成果簡介】

近日，在佐治亞理工學院教授、中科院北京納米能源與系統研究所所長王中林院士的指導下，戴葉婧副教授、王幸福博士和彭文博博士等研究人員首次將壓電光電子效應引入到硅基近紅外探測器中，在硅基底上通過水熱合成壓電半導體硫化鎘納米線獲得了Si/CdS異質結光探測器，利用壓電半導體硫化鎘的壓電效應來調控非壓電半導體材料硅的光電性能。實驗結果發現在壓電光電子學效應的調控下，光響應度從79.7 mA/W增加到19.4 A/W，且其值最大可增加366倍，優于目前商用的硅基近紅外光探測器；器件探測率也提高了兩個數量級，其峰值可達到1.8′10¹² cm Hz^1/2/W。同時，響應時間上升沿和下降沿時間分別從63 ms和36 ms降低到9.7 ms 和8.6 ms。相關研究成果以“Largely Improved Near-Infrared Silicon-Photosensing by the Piezo-Phototronic Effect“為題發表在2017年7月的ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1：器件的結構、表征和性能

(a) p-Si/n-CdS納米線異質結近紅外光探測器的結構示意圖，其中硅與CdS的?c端形成pn結。

(b,c) 腐蝕后的硅襯底形貌(b)以及在硅襯底上生長的硫化鎘納米線(c)。比例尺為20 mm。

(d,e) 硫化鎘納米線的高分辨TEM圖(d)以及相應的選區電子衍射圖(e)。其中圖d的比例尺為5 nm。

(f) 硫化鎘納米線的能譜圖。

(g) 生長在FTO/玻璃基板上的硫化鎘納米線的透射光譜。

(h) 在不同功率密度光照下的電流電壓曲線。插圖為在2V正向偏壓下光電流隨功率密度的變化。

圖2：壓電光電子學效應對器件光響應性能的提升

(a) 在不同壓應變條件下，器件在暗場條件下的電流電壓曲線。插圖為在2V正向偏壓下，輸出電流隨壓應變的變化。

(b-d) 在2V正偏壓下，光電流(b)、光響應(c)和探測率(d)在不同壓應變和功率密度條件下的變化。

(e) 器件在功率密度為3 mW cm^-2 光照條件下的時間響應和重復性。

(f) 在-0.00‰壓應變條件下，使用二階指數衰減函數對一個時間響應周期的擬合曲線。

(g) 器件在不同壓應變下的相應上升沿響應時間和下降沿響應時間。

圖3：壓電光電子學效應的實驗驗證

(a) p-Si/n-ZnO納米線異質結光探測器的結構示意圖，其中硅與CdS的₊c端形成pn結。

(b) 器件測量的實驗裝置示意圖。

(c) 當施加2V偏壓時，不同壓應變條件下器件的電流電壓曲線。

(d) 當施加2V正向偏壓時，亮電流、暗電流和光電流在不同壓應變條件下的變化。

圖4：相關作用機制分析以及理論模擬驗證

(a) 0V偏壓下，p-Si/n-CdS異質結在無壓應變（黑色虛線）和有壓應變（藍線）條件下的示意能帶圖。

(b) 2V正偏壓下，p-Si/n-CdS異質結在無壓應變（黑色虛線）和有壓應變（藍線）條件下的示意能帶圖。(c) 0V偏壓下，通過有限元分析方法獲得的在不同壓應變條件下的p-Si/n-CdS異質結的能帶變化圖。

(d) p-Si一側耗盡區寬度隨壓應變的變化。

(e) 2V正偏壓下，通過有限元分析方法獲得的在不同壓應變條件下的p-Si/n-CdS異質結的能帶變化圖。

(f)(e)圖中標記區域的放大圖。

【小結】

這項研究通過壓電光電子學效應實現了器件光響應度和探測率兩項參數數百倍的提高，同時探測器的光響應時間也明顯縮短，實現了近紅外探測光響應度和響應時間的同時優化。這項工作不僅進一步深入揭示了pn異質結構中基本的壓電光電子學效應，而且還提供了一種有效和便于操作的方法實現了Si基光電器件的調控和優化，首次將壓電光電子學效應拓展到近紅外探測領域。

文獻鏈接：Largely Improved Near-Infrared Silicon-Photosensing by the Piezo-Phototronic Effect（ACS Nano, 2017, Doi:10.1021/acsnano.7b02811）

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