西交大科研人员在hBN真空紫外探测器领域取得重要进展

日期:2024-03-18 阅读:468
核心提示:近期,西安交通大学电子科学与工程学李强副教授等通过剥离-自组装的方法制备了大面积hBN薄膜,并进行了光电探测器的制备与器件工作机制的研究。该成果以Large-Area Self-Assembled Hexagonal Boron Nitride Nanosheet Films for Ultralow Dark Current Vacuum-Ultraviolet Photodetectors为题发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

 hBN因其超宽的禁带宽度、高的带边吸收系数和稳定的物理化学性质成为了制备真空紫外光电探测器的理想材料之一。然而,目前制备大面积hBN薄膜通常需要超高的温度、特定的气体氛围和特殊处理的衬底等各种严苛条件,使大面积hBN薄膜的获取是低效和高成本的,限制了hBN在真空紫外光电探测器件上的应用。

近期,西安交通大学电子科学与工程学李强副教授等通过剥离-自组装的方法制备了大面积hBN薄膜,并进行了光电探测器的制备与器件工作机制的研究。该成果以Large-Area Self-Assembled Hexagonal Boron Nitride Nanosheet Films for Ultralow Dark Current Vacuum-Ultraviolet Photodetectors为题发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

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该方法基于hBN特有的二维结构特性,通过液相剥离的方法从块体hBN上剥离出少层的hBN纳米片(BNNSs),通过自组装工艺将BNNSs组装成大面积有序薄膜使其可以转移至衬底上进一步表征与应用。该方法提高了制备hBN薄膜的效率、降低了薄膜制备的成本。

 

图1 BNNSs及自组装薄膜的电镜图

基于自组装BNNS薄膜制备了真空紫外光电探测器,通过“光诱导结势垒高度”的工作机制分析了器件的工作原理。以调控BNNS尺寸的方式对器件的电学性能进行调控。结果显示随着BNNS尺寸的减小,制备的BNNS薄膜暗电流变低,最低实现了器件在80 V电压下0.27 pA的暗电流。借助MSM型双肖特基模型,通过定量计算器件的串联电阻和势垒高度在光照前后的变化,分析了光照对器件电学参数的影响。以PD1为例,其反偏结的势垒高度f2在光照前为0.815 eV,在光照后降低到了0.620 eV。串联电阻Rs从149.5 TW 降低至0.211 TW,即光照后的串联电阻只有光照前的0.14%。该计算方法为同类器件(电阻率被结势垒所主导)工作机制的研究提供了方案。

 

图2 不同尺寸BNNSs制备的PD的电学特性研究

尺寸越大的BNNS组装成的薄膜探测器具有更高的响应度,但其暗电流较高,光暗比较低。尺寸最小的BNNSs制备的PD1的暗电流为0.27 pA,对185 nm波长的真空紫外光响应度为1.09 mA/W、探测率为3.42×1011 Jones,响应速度为20.97 ms/17.69 ms。相比于同类器件,PD1具有超低的暗电流、高探测率和快的响应速度。从BNNS薄膜光电探测器的空间电荷区、能带图和等效电路图建立了载流子运输模型,重点分析了注入电荷在BNNS-BNNS结势垒之间的传输过程。每个BNNS靠近源极一侧的空间电荷区经历了削弱到中和的过程,而靠近漏极一侧的空间电荷区经历了增强到击穿的过程。在这些过程中,注入的电荷主要被结势垒处的空间电荷区所消耗,导致器件具有超低的暗电流。

 

图3 BNNS薄膜光电探测器的性能表征和机制探究

基于自组装BNNS薄膜制备了柔性光电探测器。该器件在多次弯曲和不同弯曲状态下性能稳定,证明了基于自组装BNNS薄膜的光电探测器具有良好的可靠性。

 

图4 柔性BNNS薄膜器件的光电探测性能

该工作的第一作者为西安交通大学博士生张启凡,李强副教授(导师)、先进光电所云峰教授、英国谢菲尔德大学Tao Wang教授和西安电子科技大学郝跃院士共同作为通讯作者,西安交大为第一通讯单位。论文中的表征测试得到了西安交通大学分析测试共享中心和贾春林科学家工作室研究人员的支持。

李强及其团队近年来致力于hBN材料生长及其光电器件的研究,前期工作已获得10余项国家发明专利,并在Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interface、Crystal Growth & Design、Applied Surface Science等最具影响力期刊上发表了一系列研究成果。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202315149

李强老师主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/liqiang2014

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