基于量子点/纳米线/石墨烯的光电晶体管的研究

发布时间：2021-06-05 14:12

　　光电探测是获取光信息的重要手段,在武器装备、安全防护、信息通讯、医疗诊断以及家庭娱乐等领域都有重要应用。然而,现有的商用光电探测器大多采用无机半导体作为探测靶面,硅基电路读出信号;因为制备温度高,探测靶面与读出电路焊接工艺复杂而无法应用在柔性电子器件中。近年来,采用低维纳米材料在柔性基底上制备大规模光电探测阵列成为研究热点。低维纳米材料,如零维的量子点,一维的纳米线和二维的石墨烯等;以其高光电转换效率,高频响应等优点,表现出替代传统光电转换靶面的潜力;此外,光电晶体管因其栅调制放大特性,用于替代传统的光电二极管结构。然而,由于界面缺陷以及能带结构不匹配,束缚了低维纳米材料光电晶体管光响应度的提升和探测噪声的降低。本论文围绕基于低维纳米材料的光电晶体管,针对影响光电晶体管性能的关键因素,通过修饰材料间界面特性和能带结构提高光电晶体管的光电转换效率、光电响应度、光敏感度等光电性能;通过打印光电探测电路降低探测噪声,输出光电信号。具体的研究成果如下:1.将具有光局域效应的氧化锌（ZnO）纳米线,与氧化锌基薄膜晶体管结合,构成紫外光电晶体管。通过对氧化锌纳米线/氧化锌基薄膜复合沟道的激光退火,... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：115 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

非晶硅光电晶体管的结构与特性

绪论4图1.2硅基光电探测器件及电路然而，硅基薄膜晶体管采用块体材料作为光电转换靶面，由于硅的禁带宽度限制了响应波长，且电子迁移率较低、制备工艺苛刻、兼容性差需要独立的外接电路读取信号，光电探测单元与驱动电路的分离限制了光电探测电路系统的集成，也限制了工艺的简化，更无法应用在柔性电子器件领域。1.2.2金属氧化物光电调制晶体管金属氧化物薄膜晶体管因其较高的电子迁移率，高透明度，简单低温工艺成为有望取代硅基薄膜晶体管的下一代半导体器件。目前，韩国的三星和LG已经在铟镓锌氧（InGaZnO,IGZO）薄膜晶体管的商用方向取得了重大进展。与此同时，基于金属氧化物薄膜晶体管的光电探测器件也受到了大量科研工作者的关注。金属氧化物，包括氧化锌（ZnO），铟镓锌氧（IGZO）等，作为宽禁带半导体，部分氧化物在紫外和可见光波段具有一定的光敏特性，使得探测模块与晶体管驱动模块的集成成为可能。剑桥大学的ArokiaNathan教授课题组于2010年，报道了利用HIZO（HfInZnO）作为有源层材料的薄膜晶体管器件[20]，开关比可达107。此外，该器件在可见光波段也具有光电响应的现象。然而，由于金属氧化物薄膜中含有大量的氧空穴导致光电晶体管含有持续光电导效应，器件的光电流衰减较慢，需要添加外围刷新电路保证器件的响应频率，器件的结构如图1.3所示。

绪论5图1.3基于HIZO的光电薄膜晶体管器件在2012年，来自三星研究院的SanghunJeon和Seung-EonAhn在NatureMaterisls上发表了基于IGZO和IZO双层沟道在可见光波段的光电晶体管[21]，其结构如图1.4所示。该光晶体管对波长少于550nm的可见光表现出了惊人的响应度，达到了10000A/W。于此同时，通过外加信号刷新电路，该器件还响应频率可以达到1KHz以上。图1.4基于IGZO和IZO双层沟道的光电探测器件金属氧化物光电晶体管因为具有良好的集成和兼容特性，且氧化物薄膜晶体管也表现出优异的晶体管特性和大规模工业化的可能性而受到大量科研工作者的青睐。然而，受材料禁带宽度的限制，该光电晶体管的响应波长集中于可见光蓝紫波段，红外波段的光响应无法实现；并且由于氧化物本身具有的持续光电导效应，严重影响器件的灵敏度，虽然可以通过外在刷新电路的设计进行弥补，然而快速，高频次的响应依然很难实现。

【参考文献】：
期刊论文
[1]紫外线的应用、探测及其新发展[J]. 刘榴娣,倪国强,钟生东,王毅.  光学技术. 1998(02)



本文编号：3212313