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【ACS Nano】通过双反型层和Fower-Norheim量子隧穿效应显著增强硅基宽带光探测灵敏度
发表日期: 2019-02-15 文章来源:
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  硅基光电子器件作为各种系统中的关键技术已经广泛应用众多电子设备当中。随着科技的发展,对高速、高灵敏、低能耗的光电探测器要求迅速提高,但经过几十年的发展,受到硅本身材料的限制,想要显著提高其性能已然成为一个挑战。如何解决硅材料在光电转换方面的一些先天不足 佐治亚理工和纳米能源所王中林院士和博士生邹海洋,瑞典Uppsala大学张世理教授等人合作通过改变传统结构,成功发明了一种高性能的宽带光探测器,解决了一些硅基光电子器件的瓶颈问题,将在通信系统,生物医学成像及诊断,传感等领域具有重要应用。  

  硅对900 nm以上的近红外光吸收较弱,极大限制了硅在宽带光探测中的应用,他们采用了三维结构(Zou et al. Advanced Materials, 29: 1701412,在硅上生长紧密排列的氧化锌纳米线阵列,设计特殊的金针菇状薄膜顶电极结构,通过减少光的反射,增加光反复吸收的概率,有效克服了硅基对近红外光的吸收极限的瓶颈(图1a,b)。同时,他们在传统的p-n结中引入合适厚度的超薄氧化铝绝缘层,形成p-insulator-n结的特殊结构,通过限制低能载流子形成了双反型层增强内建电场,而高能载流子通过Fowler-Nordheim隧穿的方式,有效提高了载流子的分离和收集的效率,光响应比传统p-n结器件提高近10(图1c,d),同时突破了硅光响应的饱和极限,也解决了光电子器件在高光强下响应率减弱的问题(图1e)。该器件对广域波段(从近紫外光,可见光到近红外)都有高响应(~50000%),快速(200微秒),低功耗(2V偏压),稳定的光响应输出。 

  同时他们利用压电光电子学效应,在不改变器件结构和材料的情况下,通过不同波段的光辐射,可以选择材料界面处通过的载流子类型(电子或空穴),通过不同的压力调整电荷密度和隧穿障碍的距离,深入详细研究该光电子器件的相关机理及相关影响。这项研究能够推进硅基宽带光探测器产业和研究等方面的发展,对完善半导体理论和发展更优异的光电器件具有重要意义。 

  研究成果“Dramatically Enhanced Broadband Photodetection by Dual Inversion Layers and Fowler-Nordheim Tunneling”发表在近期的ACS Nano上。  

  相关文献链接: 

  https://doi.org/10.1021/acsnano.8b08998 

  https://doi.org/10.1002/adma.201701412 

1.a)宽带光探测器的三维结构。(b)器件的吸收光谱。该器件对900 nm以上的近红外光吸收大大加强。在442 nm c)和1060 nm d)波段不同光强的照射下灵敏度变化。在不同波段下,p-insulator-n 结构的器件的灵敏度比传统p-n结构高10倍左右。(e)响应率与光强变化的关系。当光强增大时,p-insulator-n 结构的器件的响应率增大,而传统p-n结构的器件响应率都减弱。 

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