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法国巴黎技术物理研商所在微米线红外探测器钻

近期,固体所在银/氧化钛肖特基二极管等离热电子光电探测器研究方面取得进展。相关研究结果发表在Nanophotonics (Nanophotonics, 8, 1247-1254上。 光可以在金属表面激发出等离基元,等离基元可以进一步激发出高能热电子,这些热电子可以越过金属/半导体肖特基结形成电流,进而实现光向电的转变,并实现光电探测。由此,人们近期发展了一种新的由金属/半导体肖特基结组成的等离热电子光探测器。相对于传统的半导体探测器,这种探测器具有特殊的优点:它能够探测能量小于半导体带隙的光子,并且其响应波长可以通过控制金属纳米结构实现可控连续调节。近年来,针对等离热电子光探测器的研究大多数集中在热电子探测器的响应度提升方面,而对探测率和响应速度这两个在光成像和光通信领域至关重要的性能欠缺相应的研究。 银/氧化钛肖特基结被认为是一种理想的热电子探测器构建材料。一方面,银具有高的等离局域场和窄的热电子能量分布,能够产生高的光电转换效率。另一方面,氧化钛具有高的导带态密度,方便电子的快速转移。因此,基于银/氧化钛肖特基结的热电子探测器预期会有高的探测率和快的响应速度。 固体所科研人员基于孔阵列银/氧化钛肖特基结制备了等离热电子光探测器。该探测器表现出快的响应速度和高的探测率,在波长为450 nm的光照和零偏压条件下,其光响应上升和下降时间分别为112 μs和24 μs,探测率为9.8 × 1010 cmHz1/2/W,这两个性能指标均高于之前文献的报道。进一步,他们通过降低肖特基势垒高度使器件的光响应度从3.4 mA/W提升到7.4 mA/W。相关研究为等离热电子光探测器的研制和性能提升提供了参考和指导。 本项研究工作得到了国家自然科学基金和CAS/SAFEA国际创新研究团队合作计划的支持。 孔阵列银/氧化钛复合膜在真空条件下的肖特基型电流-电压曲线。 银/氧化钛复合膜的SEM照片。 孔阵列银/氧化钛探测器的光谱响应。 等离热电子参与光电流响应的能带示意图。 2.png 图2. 波长450 nm的光照射下的光电流响应。 器件在零偏压条件下,对不同功率的脉冲入射光的响应。 光电流-光强的关系。 归一化的单脉冲光电流响应。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所在银/氧化钛肖特基二极管等离热电子光电探测器研究方面取得进展。相关研究结果发表在Nanophotonics , 1247-1254上。

近日,中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室研究员胡伟达、陈效双、陆卫课题组在新型纳米线红外光电探测器研究中取得进展。该实验室相关研究人员在已有的窄禁带InAs纳米线反常光电响应研究基础上,进一步利用该反常效应提出基于可见光诱导Photogating辅助的单根纳米线红外响应机理,并成功制备单根纳米线场效应晶体管实现宽谱快速红外探测。相关成果以Visible Light-Assisted High-Performance Mid-Infrared Photodetectors Based on Single InAs Nanowire 为题发表于国际刊物《纳米快报》(Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02860),论文第一作者为博士研究生方河海。

标签: 探测器

光可以在金属表面激发出等离基元,等离基元可以进一步激发出高能热电子,这些热电子可以越过金属/半导体肖特基结形成电流,进而实现光向电的转变,并实现光电探测。由此,人们近期发展了一种新的由金属/半导体肖特基结组成的等离热电子光探测器。相对于传统的半导体探测器,这种探测器具有特殊优点:它能够探测能量小于半导体带隙的光子,并且其响应波长可以通过控制金属纳米结构实现可控连续调节。近年来,针对等离热电子光探测器的研究大多数集中在热电子探测器的响应度提升方面,而对探测率和响应速度这两个在光成像和光通信领域至关重要的性能欠缺相应研究。

区别于常规的三维体材料半导体和半导体薄膜,半导体纳米线因其维度受限而展现出优异的光电特性,比如超高内禀光电增益、多阵列限光效应以及亚波长尺寸效应等。此外,单根纳米线因其极小的探测面积在未来小型化、高度集成化器件研发中有着良好的应用前景。然而受诸多因素影响,目前的纳米线探测器性能还不能满足现实需求。尤其是表面态在纳米线上发挥着越来越重要的作用,而表面态参与的载流子输运机制使得器件响应速度受限。同时光导型纳米线探测器背景载流子浓度高,使得本身弱光吸收的电流信号难以提取,探测波段不能用材料本身带隙来衡量。纳米线探测器的发展需要研究人员付出更大的努力来解决这些难题。课题组对于纳米线探测器具有一定的研究基础。自2014年以来,已分别在ACS NanoAdvanced materials以及Nano Letters上发表三篇文章。

银/氧化钛肖特基结被认为是一种理想的热电子探测器构建材料。一方面,银具有高的等离局域场和窄的热电子能量分布,能够产生高的光电转换效率。另一方面,氧化钛具有高的导带态密度,方便电子快速转移。因此,基于银/氧化钛肖特基结的热电子探测器预期会有高的探测率和快的响应速度。

常规半导体接受光辐照时,载流子浓度升高,电导变大;而对表面态丰富的InAs纳米线而言,光电导会减小,这是一种反常现象。可以解释为表面态俘获了光生电子,致光生空穴留在纳米线内部和自由电子复合,从而使自由载流子浓度下降。反常光电导有一个很重要的优势就是以多子为探测基础,具有很高的负光增益。然而,由于受到表面缺陷的辅助作用,器件响应时间相对比较长。

合肥研究院固体所科研人员基于孔阵列银/氧化钛肖特基结制备了等离热电子光探测器。该探测器表现出快的响应速度和高的探测率,在波长为450 nm的光照和零偏压条件下,其光响应上升和下降时间分别为112 μs和24 μs,探测率为9.8×1010 cmHz1/2/W,这两个性能指标均高于之前文献的报道。进一步地,他们通过降低肖特基势垒高度使器件的光响应度从3.4 mA/W提升到7.4 mA/W。该研究成果为等离热电子光探测器的研制和性能提升提供了参考和指导。

相对于InAs的带隙而言,可见光属于高能光子。高能光子使光生电子成为热电子而被表面俘获的几率大幅提高。假如被俘获的热电子的释放过程被阻断,则表面电子会排斥附近负电荷产生空间正的电荷区(所谓的Photogating层)。在电极区域则表现为肖特基势垒的抬高。由于两个电极的存在,纳米线器件实质则为金属-半导体-金属光敏晶体管。背靠背的肖特基势垒保证了很低的暗电流,小偏压下反偏处高且厚的肖特基结使得器件对红外光敏感,从而实现从近红外到中红外的宽谱探测,且探测速度快。

该研究工作得到国家自然科学基金和CAS/SAFEA国际创新研究团队合作计划的支持。

由于缺陷态电子的detrapping是热辅助过程,本工作采用了降温的方式来阻断热电子释放过程。基于上述提出的机理,成功实现了从830 nm到3113 nm的宽谱探测(此前关于InAs纳米线光电探测器的探测波段被限制在1.5微米以内),并且器件响应速度提升至几十个µs(此前纪录为几个ms),探测率高达~1011 Jones。

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与此同时,该实验组在紫外单根CdS纳米线探测器研究中也取得新进展。研究人员设计了基于侧栅结构的单根纳米线场效应管,用极化材料PVDF在负向极化模式下降低背景载流子浓度,实现了~105的超高紫外增益,响应率达~105A/W。该文章已被国际期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,DOI: 10.1002/adfm.201603152)接收第一作者为博士生郑定山。

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探测器的结构和等离热电子参与的光响应过程。 孔阵列银/氧化钛复合膜在真空条件下的肖特基型电流-电压曲线。 银/氧化钛复合膜的SEM照片。 孔阵列银/氧化钛探测器的光谱响应。 等离热电子参与光电流响应的能带示意图。

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图:InAs纳米线红外探测原理及红外光电探测性能

波长450 nm的光照射下的光电流响应。 器件在零偏压条件下,对不同功率的脉冲入射光的响应。 光电流-光强的关系。 归一化的单脉冲光电流响应。

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