复旦大学李自清青年副研究员、方晓生教授:低维宽禁带半导体紫外光探测器

日期:2023-09-06 阅读:505
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近日,复旦大学光电研究院青年副研究员李自清在国际学术期刊Nature Reviews Materials上发表题为“Low-dimensional wide-bandgap semiconductors for UV photodetectors”的综述论文。光电研究院青年教师李自清和材料科学系博士研究生严婷婷是论文共同第一作者,光电研究院、材料科学系方晓生教授是通讯作者。

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精确的紫外光检测是现代光电技术的重要组成部分,现阶段的紫外光探测器主要基于宽禁带半导体,例如,III-V半导体。然而,传统的宽禁带半导体在实际应用中达到了瓶颈,难以兼顾高集成度和高柔性。有鉴于此,低维宽禁带半导体由于具有合适的紫外光吸收范围、可调节的光电性能以及良好的衬底兼容性等优势,在多种紫外光工作场景中展现出巨大的应用潜力。

基于低维宽禁带半导体的紫外光探测器在成像、通讯、多光谱探测、弱光探测、可穿戴电子等领域表现出广阔的应用前景。本论文聚焦于低维宽禁带半导体光电探测器领域的进展、挑战和展望,讨论了宽禁带半导体如何在材料设计、维度工程、器件工程等方面调控形貌结构和光电性能,并阐释了材料生长、器件结构和应用场景的内在联系。

低维紫外光探测器的应用和市场前景

随着传感技术的普及,紫外光探测器的市场覆盖了多种消费电子和工业应用领域(如下图a),包括自动驾驶、制药、生物诊断、环境监测和工业监控等。其中,消费电子(智能手机、平板、手表、笔记本等)在制造过程中依赖紫外光消毒,因而对紫外光探测器的需求巨大。同时,紫外消毒产业在生物医药领域的需求日益凸显,特别是新冠疫情期间,需要紫外光探测器来检测环境的紫外光水平。另外,在包装工业、发酵工业、日常生活中,紫外光探测器都有重要的应用。如下图b所示,通过不断减小尺寸,体块的宽禁带半导体可以发展为低维纳米材料(二维材料、一维纳米线和零维量子点),从而展现出机械柔性和独特的电子结构。

这些低维的纳米材料可以进一步组装成大面积有序的体材料,包括晶圆级薄膜、纳米线阵列和量子点超晶格。最终,设计和优化出高性能的紫外光探测器,制造出可穿戴的、智能的和多功能集成的光芯片,以满足不断增长的紫外光芯片需求。

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低维宽禁带半导体的材料设计、维度工程和功能化应用

论文首先介绍了如何将低维宽禁带半导体组装成有序的体材料,针对二维、一维、零维的纳米材料,总结了晶圆级单晶薄膜、柔性单晶薄膜、大面积纳米线阵列、量子点超晶格等大面积材料的可靠制备方法,并阐释了自对准外延、金属单晶衬底外延、远程外延、模版辅助外延等生长方法的基本原理和准则。其中,远程外延在制备大面积、自支撑的宽禁带半导体上已经有了成功的实践,而组装宽禁带半导体的零维超晶格仍需要开展大量的研究工作。

随后,明确指出目前的紫外光探测材料在UVC(200-280 nm)波段的灵敏度落后于UVB(280-320 nm)和UVA(320-400 nm)波段,同时,零维宽禁带半导体的响应速度滞后,依然限制在毫秒的阶段。针对上述问题,深入讨论了低维宽禁带半导体的维度调控及其对光电性能的影响,包括二维材料的层数依赖光学特性、一维纳米线/零维量子点的紫外光吸收增强、轴向/径向纳米线异质结构的自驱动性能以及组分工程调控光带隙等。这些策略为优化低维宽禁带半导体的紫外光探测性能指明了方向。

在材料设计和维度工程的基础上,通过设计电荷注入结构、纳米线异质结、p-n异质结等器件结构,实现感存算一体、双极性响应、负响应等新原理的紫外光探测器,有望应用于高集成度的图像传感器、可重构的神经网络视觉传感器和用于加密的光编码器等领域。并进一步梳理了紫外光探测器在柔性电子、紫外成像、弱光探测和多光谱探测等领域的重要应用。

最后,针对紫外光探测器广阔的应用市场,探讨了基于新材料、新结构、新原理的低维宽禁带紫外光探测器的未来研究展望,诸如设计出超宽带隙的低维宽禁带半导体、组装成柔性紫外光探测系统以及构建出片上的紫外光互联系统等。

作者简介

李自清:复旦大学光电研究院青年副研究员。长期从事光电探测材料与器件研究,主持国家自然科学基金1项,以第一/通讯作者(含共同一作)在Nat. Rev. Mater., Adv. Mater.(2篇), Nano Lett., Adv. Funct. Mater.(2篇)、Small、Adv. Sci.、Nano Energy、Chem. Eng. J.等期刊上发表SCI论文20篇,ESI高被引论文5篇。受邀为Photonics特刊的客座编辑。

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