基于硅基二维-三维异质结光电探测器的研究

发布时间：2020-04-27 10:27

【摘要】：随着二维材料的出现,人们发现二维材料在电学、光学以及力学领域拥有众多其体材料所不具备的优异特性。与传统的共价键有所不同,二维-三维(2D-3D)范德瓦尔斯异质结(vdWHs)结合了二维材料的优异特性和体材料的成熟制备工艺与传统的微电子技术。由于硅基2D-3D异质结与CMOS工艺具有很好的兼容性,这将在集成光电子器件中具有良好的应用前景。本文以构建宽光谱高性能硅兼容的2D-3D异质结光电探测器为导向,主要研究内容如下:(1)针对二维二碲化钼(2D-MoTe_2)光电探测器制备过程中工艺复杂和材料转移过程中引入的界面污染等问题,采用脉冲激光沉积方法在硅衬底上首次原位设计制备了商用尺度的多层(FL)-MoTe_2/Si异质结光电探测器。通过分析和优化器件制备工艺,实现宽光谱高速(FL)-MoTe_2/Si异质结光电探测器的可控构筑。光谱响应范围为300 nm 1550 nm,0 V偏压下响应度(R)和探测率(D*)分别高达0.19 AW~(-1)和6.8×10~133 J。更为引人注目的性能是器件的3 dB带宽达到0.12 GHz以及响应速度(τ_r/τ_f)高达52 ns,这远远快于迄今为止报道过的大多数二维材料光电探测器,并可以与商用硅基器件相媲美。(2)为了拓展Si光电探测器的光谱响应,选取具有紫外至微波波段均有吸收的石墨烯(Graphene)为接触电极材料,构建了2D-3D Graphene/Si vdWHs光电探测器。通过控制化学气相沉积法(CVD)制备的Graphene特性,实现器件在1550 nm波段具有显著的光响应。器件在0 V偏压开光比达到1.2×10~4,线性动态范围为45 dB,上升下降时间分别达到8.034μs/6.112μs。以上两个工作的开展,为二维材料异质结型高性能光电探测器的简化构建与拓展应用提供有益的参考,为实现高速、高灵敏度、低成本的光电探测器提供一种新的途径。
【图文】：

红外光电探测器,应用实例

图 1.1 红外光电探测器应用实例Fig 1.1 Typically application of infrared photodetectors照其工作原理的不同，大致可以分为两种类型：]是指当光线照射到光电材料上时，光电材料表面子吸收足够多的能量时电子将逸出表面，形成光变化。根据爱因斯坦的光电子效应可知每种光子的，v 入射光频率。对于每一种不同的光电材料的光照射在光电子材料表面时，产生外光电效应的前出功，才能保证电子可以克服束缚逸出表面即 h子逸出功都不尽相同，因此存在某个频率的光子子效应，然而低于这个频率，无论光强多大均不值即极限频率。常见的利用外光电子效应制备的像管、光电倍增管[17]等。

示意图,空间电荷区,PN结,反向偏压

合肥工业大学硕士学位论文穴对。处于耗尽层中的电子-空穴在内部电场的作用下快速分离，其中产生的光生电子进入 n 型半导体材料，空穴进入 p 型半导体材料，即形成反向电流。由于 PN结型光电探测器内部存在内建电场，，使得该类器件具有较快的响应速度和较高的频率响应度等特点。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN15

【参考文献】