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铁电局域场增强低维材料光电探测器研究进展.docx
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铁电局域场增强低维材料光电探测器研究进展.docx
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0. 引 言
光电探测器是能把光信号转换为电流、电压等易于测量电信号的光电传感器,无论是
在国防军事、航空航天领域还是国民经济生活生产中均有着广泛的应用。光电探测器类似
于人的“眼睛”,但人眼的可探测范围仅限于可见光波段(380~780 nm),其他波段的光谱
信息需要通过光电探测器去获取。光电探测器按照能量转化过程的不同可以分为两大类:
光子型和光热型探测器。光子型探测器是将光信号直接转化为电信号;光热型探测器则是
通过光辐射热改变材料的电学特性,使热信号转化为电信号,比如热电堆、测辐射热计、
热释电探测器等
[1]
。在光电探测领域,传统的半导体薄膜探测器(例如 Si、HgCdTe、
InGaAs 和 InSb 等)一直占据着光电探测市场的主导地位
[2]
。随着时代的发展,下一代光电
探测器正朝着宽波段、高灵敏探测、超小尺寸、大面阵成像及多光谱探测等方向发展
[3]
。
新型低维材料(零维量子点、一维纳米线和二维层状材料等)先天性特殊的结构和优异的
物理性质被认为是下一代电子和光电子器件的潜力材料
[4-5]
,例如:近几年二硒化钨
(WSe
2
)、黑磷(BP)、硒氧化铋(Bi
2
O
2
Se)
[6-8]
、一维纳米线锑化镓(GaSb)、砷化镓
(GaAs)
[9-12]
等低维材料均在光电器件研制中展现了出众的探测性能。而基于低维材料易
于调控的特点,可进一步通过引入电场、温度场、应力场和磁场等外界作用调控低维材料
的光电特性,以此来降低相关器件的暗电流,抑制噪声,提高探测性能
[13]
。随着材料合成
技术及微纳器件加工工艺的提升,基于新材料及其复合结构的高性能器件被大量报道。已
有的文献中,通常采用场效应晶体管结构研究低维材料性能,通过改变背栅电压的大小和
方向调控沟道材料的载流子输运特性。但普通栅介质层提供的栅极电压一方面需要不间断
供电,另一方面提供的局域场作用有限,因此寻求低维材料与其他功能材料的组合来提高
探测器整体性能是可行的途径。其中铁电材料具有自发极化特性,自发极化可以在电场作
用下取向一致且极化方向可随着外电场反向而反转,外电场作用撤离后,剩余极化可以稳
定存在。而稳定的剩余极化会在界面处形成正负极化束缚电荷,同时正负极化束缚电荷能
够被自由电荷所屏蔽。据文献报道,在铁电场效应晶体管中,铁电材料的剩余极化可提供
超高的局域电场(10
9
V/m),超过了传统场效应晶体管中栅极电压所提供的电场。一方
面,这种铁电强局域电场可使沟道材料载流子保持在完全耗尽状,甚至调控沟道材料的能
带结构
[14]
。另一方面,铁电局域场的作用效果是非易失性的,电场作用在栅电压撤去后依
旧保持,可以降低光电器件的功耗。此外,铁电材料的种类丰富,例如剩余极化(>50
μC/cm
2
)较大的传统无机铁电材料钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTO
3
)和铁酸铋
(BiFeO
3
),有机铁电材料聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物及其衍生物,二维层状铁电材料
CuZnP
2
S
6
、α-In
2
Se
3
,新型无机铁电材料铪基(HfO
2
)氧化物,铝钪氮(Al
0.4
Sc
0.6
N)和 Mg-
ZnO 基氧化物等。基于铁电材料中较高的极化电场和低维材料纳米尺度的优势使得低维材
料与铁电材料优势互补,为实现新型光电子器件提供了机遇。据目前文献报道,铁电材料
不仅可以作为栅介质层产生局域极化电场调控沟道材料的载流子浓度,抑制暗电流显著提
高光电晶体管性能,而且可以基于自身的热释电效应制备性能优异的红外热探测器。因
此,文中从一维纳米线探测器、二维材料探测器和低维结型探测器三个方面介绍了铁电材
料与低维材料复合结构的光电探测器,最后展望了铁电材料局域场调控低维材料与器件的
发展机遇与挑战。
1. 铁电局域场增强纳米线光电探测器
一方面,准一维纳米线具有为载流子提供了高速的导电通道、易实现大面积生长、制
备成本低、表面积体积比大且载流子浓度易于调控等优点,是实现高性能光电探测的一种
可行的结构体系;另一方面,纳米线在材料制备过程中容易引入杂质和缺陷诱导高浓度的
背景载流子,使得基于纳米线制备的光电器件暗电流偏高。利用栅电极的电压对铁电材料
极化调控形成局域电场抑制纳米线沟道材料的暗电流,从而提高探测器件的灵敏度是一种
可行办法。2016 年,Hu 等人
[15]
率先提出利用铁电聚合物 P(VDF-TrFE)薄膜作为介质层,
采用侧栅结构制备磷化铟(InP)和硫化镉(CdS)单根纳米线晶体管。聚偏氟乙烯
(PVDF)常见的晶型主要有四种,分别为 α、β、γ 和 δ 相。理想的 β 相 PVDF 分子呈反式
结构,极性最强,电偶极矩最大。但 β 相在室温下不是非常稳定,因此通过在 PVDF 中引
入一定数量的三氟乙烯(TrFE)能够形成新的有机铁电聚合物 P(VDF-TrFE)。P(VDF-
TrFE)可以在较低温度下获取,并直接通过旋涂法整合在低维材料上,利用界面上非易失性
的静电场对沟道材料进行电子或者空穴的有效掺杂。该器件能够通过侧栅电极极化铁电材
料产生超强局域电场有效耗尽纳米线本征载流子降低暗电流,显著提高探测器的信噪比。
InP 纳米线侧栅结构器件如图 1(a)所示,该器件根据铁电材料的极化情况分为三种工作状
态:无极化状态、负向极化状态、正向极化状态。图 1(b)为负向极化状态下的工作原理
图,此时 P(VDF-TrFE)薄膜的极化方向由纳米线指向侧栅电极,n 型 InP 中的电子在局域
电场作用下被耗尽使得导带能级上升,沟道电流低至皮安量级处于耗尽态;而当 P(VDF-
TrFE)薄膜为正向极化状态时,极化方向与上述情况相反,是由侧栅电极指向纳米线,这时
导带能级下降。因此器件的暗电流在负向极化状态下被有效抑制,得益于这种独特的结
构,InP 纳米线光电器件在 830 nm 的入射光照射下获得了高达 4.2×10
5
的光电导增益,响
应率为 2.8×10
5
AW
−1
,探测率为 9.1×10
15
Jones,比传统商用 Si 器件的探测率高出两个数量
级以上。受限于材料本身的带隙,以上铁电材料调控单根 InP、CdS 纳米线的光电器件探
测波长分别为可见-近红外(500~1200 nm)和紫外-可见(350~700 nm)。砷化铟(InAs)
纳米线作为一种典型的直接带隙Ⅲ-Ⅴ族半导体材料,具有超高的载流子迁移率和窄禁带宽
度(~0.35 eV),已被广泛应用于红外光电探测研究领域
[16-17]
。与侧栅结构类似,2019
年,Zhang 等人
[18]
制备了铁电聚合物 P(VDF-TrFE)薄膜作为顶栅介质层、InAs 纳米线为沟
道材料的晶体管光电器件(图 1(c))。通过施加大小为 45 V、方向不同的电压脉冲使得 P
(VDF-TrFE)薄膜处于三种不同的极化状态:初始状态、极化向上(P
up
)和极化向下
(P
down
)。当铁电材料极化向下时,纳米线表面围绕着正电荷,在这些正电荷的作用下,
InAs 纳米线表面的缺陷态能够俘获大量的电子。这些被缺陷态束缚住的电子形成局域静电
场,使得纳米线内部的载流子被耗尽,表现出极低的暗电流。此时在 450 nm 光照下,光生
电子不会被表面氧化层的束缚能级捕获,而是贡献到光电流中。同时,通过这种电子预填
充表面缺陷态的方式,能够消除表面态引起的电离散射效应,进一步提高纳米线核中的载
流子迁移率和寿命。图 1(d)所示为器件在波长为 3.5 μm 激光照射下的输出特性曲线,光生
电流占主导,使得器件在红外波段有明显响应,而且光电流随光功率的增加而显著增加。
因此 InAs 纳米线能够在铁电局域场的调控下实现截止波长边缘(~3.5 μm)处的高灵敏探
测,在 3.5 μm 光照射下获得高达 1.6×10
4
AW
−1
的响应率,1.4×10
12
Jones 的探测率,
5.7×10
3
的增益。此外,中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Di 等人
[19]
也利用铁电聚
合物 P(VDF-TrFE)薄膜作为侧栅介质层调控 GeSn/Ge 双层纳米线,该器件的暗电流和静态
功耗同样被大幅降低,从而实现了长波长与低暗电流的光电探测。以上铁电材料调控纳米
线的研究成果表明,铁电极化局域场能够显著提高纳米线光电探测器的性能,促进了低维
纳米线材料在光电探测领域的发展。
图 1 铁电局域场增强纳米线光电探测器。(a)铁电材料调控单根 InP 纳米线侧栅器件结构示
意图;(b)器件在负向极化状态的工作原理图
[15]
;(c)铁电材料调控单根 InAs 纳米线顶栅器
件结构示意图;(d)器件在不同功率密度的 3.5 μm 激光照射下的输出特性曲线
[18]
Fig. 1 Ferroelectric localized field-enhanced nanowire photodetectors. (a) Device structure
schematic of ferroelectric side-gated single InP NW; (b) Working principle diagram of the
device in the negative polarization state
[15]
; (c) Device structure schematic of ferroelectric top-
gated single InAs NW; (d) Output characteristic curves of the device for 3.5 μm exciting light at
different power densities
[18]
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