黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)器件帶有偏振光敏感性的高效能光探測(cè)器
導(dǎo)言
黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)光二極管具有獨(dú)特的光電性質(zhì)。鍺的摻雜種類(lèi)對(duì)二極管整流方向可形成影響。加之其自身具有光電效應(yīng)，和對(duì)光的偏振的敏感性，使黑磷和鍺異質(zhì)結(jié)器件在多功能高效能光探測(cè)器領(lǐng)域有極高的潛質(zhì)。
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正文
二維和三維半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高效能光探測(cè)器方面有很大的潛能。西安電子科技大學(xué)王利明團(tuán)隊(duì)探索了黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)光二極管的光電性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)鍺的摻雜種類(lèi)可以扭轉(zhuǎn)黑磷和鍺異質(zhì)結(jié)二極管中所形成的整流方向。黑磷/n型鍺的器件有顯著的光電效應(yīng)，其*大開(kāi)路電壓為0.34V，而這可使其成為自供能的光探測(cè)器。加之黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)的器件對(duì)光的偏振的敏感性，黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)器件在多功能高效光探測(cè)器領(lǐng)域展現(xiàn)出了極高的潛質(zhì)。
圖1. 黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器的(a)結(jié)構(gòu)示意圖和(b)顯微圖像，比例尺：20微米。(c)用原子力顯微鏡測(cè)量的黑磷和六方氮化硼的膜厚度。(d)黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)的拉曼光譜。
圖2. (a)黑磷-n型鍺和(b)黑磷-p型鍺在不同輻照條件下的I-V曲線(xiàn)。在(c)532納米和(d)1550納米光輻照下的Isc和Voc關(guān)系圖。
圖3. (a)黑磷/鍺器件的噪音譜。(b)在532納米和(c)1550納米光照下黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)器件的響應(yīng)度和探測(cè)率。(d)黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)器件在Vd=0V下的響應(yīng)度。
圖4. (a)黑磷/鍺和(b)黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)在光照下的能帶圖。(c)黑磷/鍺和(d)黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)在532納米激光照射下的二維光電流圖，激光尺寸約為2微米，Vd=0V。
光電流二維掃描對(duì)于研究光電流的起源來(lái)說(shuō)十分重要，圖4中的二維掃描使用卓立漢光公司DSR500系統(tǒng)完成。掃描結(jié)果表明在黑磷和鍺重疊的位置有很強(qiáng)的光響應(yīng)，說(shuō)明其帶有內(nèi)置電場(chǎng)。值得注意的是，在黑磷和金的重疊部分未發(fā)現(xiàn)光電流，說(shuō)明黑磷和金形成了低能壘的接觸。
圖5. 在(a)532納米和(b)1550納米光照下，黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)的I-t圖像。(c)黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)在Vd=0V和1550納米光照射下的I-t圖像。(d)在1550納米光照射下[(Imax − Imin)/Imax]和轉(zhuǎn)化頻率的關(guān)系圖。
圖6. (a)黑磷的晶體結(jié)構(gòu)。(b)黑磷/鍺和(c)黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)在1550納米光照射下光電流與光的偏振角之間的關(guān)系。
總結(jié)、
本文展示了黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)光二極管的光電性質(zhì)。鍺的摻雜種類(lèi)可以扭轉(zhuǎn)黑磷和鍺異質(zhì)結(jié)二極管中所形成的整流方向。另外，黑磷/n型鍺的器件有顯著的光電效應(yīng)，其*大開(kāi)路電壓為0.34V，而這可使其成為自供能的光探測(cè)器。黑磷/鍺和黑磷/鍺異質(zhì)結(jié)的器件對(duì)光的偏振也均是敏感的。綜上所述，黑磷和鍺異質(zhì)結(jié)器件在多功能高效能光探測(cè)器領(lǐng)域可能會(huì)有極高的潛質(zhì)。
西安電子科技大學(xué)王利明老師簡(jiǎn)介
王利明，副教授，獲復(fù)旦大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。從2012年開(kāi)始長(zhǎng)期從事硅基半導(dǎo)體材料、光電子器件及新型多功能芯片應(yīng)用研究。現(xiàn)為西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院碩士生導(dǎo)師。以第一作者或通訊作者在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Research等國(guó)際期刊發(fā)表論文30余篇，主持及參與科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目等省部級(jí)以上項(xiàng)目十余項(xiàng)，授權(quán)國(guó)際、國(guó)家發(fā)明十余項(xiàng)。獲選陜西省科技協(xié)會(huì)青年人才托舉計(jì)劃。
文章信息
本文以“High-Performance Photodetectors with Polarization Sensitivity Based on p-n and p-p+
Black Phosphorus/Germanium Heterojunctions”為題發(fā)表在IEEE Transactions on Electron Devices上，西安電子科技大學(xué)王利明教授為通訊作者。
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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR500-LBIC微納光電流成像測(cè)試系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢(xún)。
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