《電子技術(shù)應(yīng)用》
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上海技物所在紅外光電探測(cè)器研究方面取得進(jìn)展

2021-06-09
來源:與非網(wǎng)

  與非網(wǎng)6月7日訊 在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61725505、11734016和61521005)等資助下,中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)研究員團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)周鵬教授團(tuán)隊(duì)合作,在紅外光電探測(cè)器" target="_blank">紅外光電探測(cè)器研究方面取得進(jìn)展。研究成果以“范德瓦爾斯單極勢(shì)壘光電探測(cè)器(Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures)”為題,于2021年5月25日在《自然·電子學(xué)》(Nature Electronics)上發(fā)表。

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41928-021-00586-w。

  復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院消息顯示,該工作創(chuàng)新提出了單極勢(shì)壘光電探測(cè)結(jié)構(gòu),巧妙地構(gòu)建了一種天然屏障,只阻擋“有害的”噪聲暗電流成分,“有益的”信號(hào)光電流可以暢通無阻,因而可以在不削弱光響應(yīng)的情況下有效抑制暗電流,提高探測(cè)器信噪比。

  研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地構(gòu)筑了范德瓦爾斯單極勢(shì)壘探測(cè)器,解決了傳統(tǒng)外延薄膜材料中能帶和晶格失配的技術(shù)瓶頸。特別是空穴/勢(shì)壘/空穴結(jié)構(gòu)在中波紅外室溫顯示出優(yōu)異的黑體探測(cè)率2.3×1010 cmHz1/2W-1。

  據(jù)介紹,這意味著該工作實(shí)現(xiàn)了范德瓦爾斯單極勢(shì)壘光電探測(cè)器跨入紅外實(shí)用領(lǐng)域的關(guān)鍵突破。

  紅外光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于航天航空、氣象觀測(cè)、天文和生命科學(xué)等重要領(lǐng)域,科學(xué)技術(shù)壁壘高。長(zhǎng)期以來,如何抑制暗電流是制約紅外探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高工作溫度(High Operating Temperature, HOT)的瓶頸。在傳統(tǒng)PN結(jié)紅外探測(cè)器中,耗盡區(qū)過高的Shockley-Read-Hall(SRH)復(fù)合、俄歇復(fù)合和表面復(fù)合限制了器件的暗電流抑制能力。因此,領(lǐng)域研究人員一直致力于尋求一種超越PN結(jié)的新型器件結(jié)構(gòu)。

  圍繞這一難題,胡偉達(dá)研究員與周鵬教授合作團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑,利用二維原子層堆疊實(shí)現(xiàn)了能帶局域態(tài)有效調(diào)控,構(gòu)建的范德瓦爾斯單極勢(shì)壘探測(cè)器解決了傳統(tǒng)材料勢(shì)壘結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)晶格失配和組分能帶梯度難以控制的難題。他們一方面利用單極勢(shì)壘阻擋吸收層中的多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)控制器件耗盡區(qū)分布,阻止其向?qū)拵兜膭?shì)壘層中轉(zhuǎn)移,有效降低了器件的SRH電流;另一方面,通過降低吸收層載流子濃度有效抑制了俄歇復(fù)合。此外,該單級(jí)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)還具有類表面鈍化的隔離作用,從而降低了器件的表面漏電。室溫下(T=300K)的測(cè)試結(jié)果表明,制備出的范德瓦爾斯nBn單極勢(shì)壘探測(cè)器暗電流低至15 pA,pBp單極勢(shì)壘探測(cè)器在中波紅外波段的黑體探測(cè)率達(dá)到2.3×1010 cmHz1/2W-1(黑體探測(cè)率是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織指定評(píng)價(jià)紅外探測(cè)性能的“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)”指標(biāo))(圖1)。

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  圖1 范德瓦爾斯單極勢(shì)壘光電探測(cè)器,(a)nBn單極勢(shì)壘能帶結(jié)構(gòu)及器件設(shè)計(jì)示意圖;(b)pBp單極勢(shì)壘能帶結(jié)構(gòu)及器件結(jié)構(gòu)示意圖;(c)nBn單極勢(shì)壘結(jié)構(gòu)器件的光開關(guān)比-暗電流密度對(duì)比;(d)pBp單極勢(shì)壘結(jié)構(gòu)器件的室溫黑體紅外探測(cè)性能對(duì)比 BLIP: Background Limited Infrared Performance

  該研究工作不僅為二維材料紅外探測(cè)器HOT暗電流過高的難題提供了解決思路,也為二維材料在紅外領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了技術(shù)方案。




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