二维半导体光电探测器:发展、机遇和挑战

发布时间：2019-10-15 21:23

【摘要】：二维(2D)材料由于独特的结构和新颖的物理化学性质,近几年受到越来越多的关注.作为2D家族最耀眼的成员,2D半导体有可能实现多功能电子和光电子器件化.本文综述了近几年2D半导体光电探测器的研究进展,讨论和介绍了光电流产生的几种机制以及评价光电探测器性能的重要参数;总结了最近几年发展的各种2D半导体光电探测器,其中包括单一2D半导体和它们的混合维度结构,以及几种改善光电性能的策略.最后,对全文做了简单回顾并展望了该领域的未来发展方向.
【图文】：

示意图,光电导效应,网络版

3135评述光电探测器性能的主要参数;(3)综述近几年各种2D半导体材料及其复合结构在光电探测器方面的研究;(4)总结改善2D材料光电性能的策略;(5)对全文进行简单的总结,并展望2D半导体光电器件未来的研究方向.1光电流产生的机制通常光电流产生机制可以分为:光电导效应、光控效应、光生伏特效应、光热电效应和光-辐射热效应5种.(1)光电导效应.光电导效应是光电流产生最常见的机制,在这种机制中,半导体材料吸收光子产生外加的自由载流子,半导体材料的电导率升高(图1)[22].图1(a)和(b)分别表示半导体场效应晶体管(fieldeffecttransistor,FET)在暗态和光照情况下的能带图.在暗态下,对FET施加一个偏压(Vds),漏源极间将产生较小的电流Idark.在受到光子能量大于半导体带隙的光照射下,半导体吸收光子产生电子-空穴对,并在偏压作用下电子-空穴对分离,分别朝着相反的方向运动,使得电流净增加(Iphoto),如图1(c),(d)所示.图1(网络版彩色)光电导效应示意图.(a)暗态下金属-半导体-金属能带在外置偏压下排布图;(b)受到光子能量大于带隙激发时的能带排布图;(c)暗态和光照下漏源电流-栅压(Ids-Vg)关系;(d)暗态和光照下漏源电流-漏源电压(Ids-Vds)关系[22]Figure1(Coloronline)Schematicofthephotoconductiveeffect.(a)Bandalignmentforasemiconductorphotodetectorunderanexternalbiasindark;(b)bandalignmentunderillumination;(c)Ids-Vgcurvesatdarkandunderillumination;(d)Ids-Vdstracesatdarkandunderillumina-tion[22]通常情况下,较大的偏压有利于电子-空穴对的分离和传输.光生载流子的寿命影响着光增益(photogain,G)和响应速度.假设在某个光电探测器中多数载流子为电子,在适中的

示意图,暗态,偏压,排布

半导体材料及其复合结构在光电探测器方面的研究;(4)总结改善2D材料光电性能的策略;(5)对全文进行简单的总结,并展望2D半导体光电器件未来的研究方向.1光电流产生的机制通常光电流产生机制可以分为:光电导效应、光控效应、光生伏特效应、光热电效应和光-辐射热效应5种.(1)光电导效应.光电导效应是光电流产生最常见的机制,在这种机制中,半导体材料吸收光子产生外加的自由载流子,半导体材料的电导率升高(图1)[22].图1(a)和(b)分别表示半导体场效应晶体管(fieldeffecttransistor,FET)在暗态和光照情况下的能带图.在暗态下,对FET施加一个偏压(Vds),漏源极间将产生较小的电流Idark.在受到光子能量大于半导体带隙的光照射下,半导体吸收光子产生电子-空穴对,并在偏压作用下电子-空穴对分离,分别朝着相反的方向运动,使得电流净增加(Iphoto),如图1(c),(d)所示.图1(网络版彩色)光电导效应示意图.(a)暗态下金属-半导体-金属能带在外置偏压下排布图;(b)受到光子能量大于带隙激发时的能带排布图;(c)暗态和光照下漏源电流-栅压(Ids-Vg)关系;(d)暗态和光照下漏源电流-漏源电压(Ids-Vds)关系[22]Figure1(Coloronline)Schematicofthephotoconductiveeffect.(a)Bandalignmentforasemiconductorphotodetectorunderanexternalbiasindark;(b)bandalignmentunderillumination;(c)Ids-Vgcurvesatdarkandunderillumination;(d)Ids-Vdstracesatdarkandunderillumina-tion[22]通常情况下,较大的偏压有利于电子-空穴对的分离和传输.光生载流子的寿命影响着光增益(photogain,G)和响应速度.假设在某个光电探测器中多数载流子为电子,在适中的偏压下,电子相比空穴具有更高的迁移率,传输时间更短.因此,
【作者单位】：华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金(51472097) 国家重点研发计划(2016YFB0401100) 华中科技大学创新交叉重点团队自主创新基金(2015ZDTD038)资助
【分类号】：TN36

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